基于性能的大跨度刚结构设计研究

【摘要】随着现代建筑事业的快速发展和建筑物使用功能要求的不断提高，现在的建筑物结构跨度越来越大，作为设计人员就必须要从性能的方面大跨度刚结构进行设计。设计的内容主要是从对大跨度钢结构从体系到构件再到节点的破坏形态进行分析，这样就能全面的掌握大跨度刚结构设计，本文主要针对基于性能的大跨度刚结构设计进行了研究和分析。

【关键词】大跨度钢结构、性能、设计

一、前言

设计其他形式的钢结构一样，大跨度钢结构设计主要解决结构体系设计、构件设计及连接节点设计等方面的内容。大跨度钢结构受到个方面的影响，延性性能成为其体系、构件、节点的安全控制因素。在工程实践中，设计技术人员迫切需要设计规范提供明确的大跨度钢结构计算分析理论与设计方法、与现代计算技术相应的工程实用计算软件以及明确的结构承载力与变形能力安全控制指标。

二、钢结构基于性能的设计概述

1、性能设计

从结构设计方法的演变和发展过程看，20 世纪90 年代由美国学者提出的基于性能的结构设计理论代表了未来结构设计的发展方向。性能化设计是一种运用工程方法达到既定结构性能目标的设计方法。基于性能的设计理论中，通过高效的结构高等分析计算，预测结构在各种条件下，尤其是不同荷载作用下的结构响应，从而评估结构性能是否满足业主对结构性能的要求和规范规定的性能指标。

2、结构几何与材料双非线性计算分析

由于高强度材料与新技术的应用，钢结构建筑的重量越来越轻，跨度越来越大。结构在达到屈服荷载之前变形很大，表现出相当程度的几何非线性性质。传统的基于平面和线性假定的分析方法已不再适用，必须考虑几何非线性进行承载力分析。在很多情况下，当结构渐渐接近其所能承担的极限荷载时，钢结构进入屈服阶段，材料的性质也渐渐地从线弹性向塑性转化，表现出材料非线性性质。因此设计时要考虑几何非线性和材料非线性相互耦合的

双重非线性，借用有限元方法对结构进行大位移弹塑性全过程分析以确定结构在极限荷载作用下的工作状态。目前 ANSYS 等通用有限元计算软件已在国内外广泛应用，为工程设计人员提供切实可行的基于结构几何与材料双非线性的全过程计算分析方法和手段。

3、基于延性性能的设计思路

延性通常定义为结构、构件或构件某个截面从屈服开始到达极限荷载或到达极限荷载以后荷载还没有明显下降期间的变形能力。延性能力好的结构或构件的后期变形能力大，在达到屈服或承载力极限状态后仍能吸收一定的加载能量，从而在其破坏前有明显变形或其它预兆（ 即发生延性破坏） 。对延性性能进行控制是钢结构设计的基本原则，根据延性的定义可以清晰地理出大跨度钢结构延性性能设计的基本思路：

（ 1） 延性设计的关键性能参数包括屈服荷载、破坏荷载、屈服变形 （ Dy） 和破坏变形 （ Du） 。其中屈服荷载为结构或构件加载-结构响应全过程曲线出现转折时的荷载； 破坏荷载为结构或构件的加载-结构响应全过程曲线中最大荷载。由于结构设计时一般不考虑材料强度屈曲后的强化阶段和颈缩阶段，结构设计计算的加载-结构响应全过程曲线在荷载最高点即停止，因此最大荷载即为破坏荷载。屈服变形为屈服荷载对应结构或构件变形； 破坏变形为破坏荷载对应的结构或构件变形。

（ 2） 延性设计的关键首先是如何计算得到上述延性性能参数，并分析确定合理的屈服荷载值及屈服变形值指标，以保证结构在正常设计荷载作用下安全使用。

（ 3） 延性设计的关键之二是分析确定合理的承载力比例系数以保证在超正常设计荷载作用下，结构破坏前有一定的承载力储备。

三、钢构件性能设计

1、钢构件承载力性能

我国现行规范 GB 50017—2003对钢构件局部稳定主要是通过经验式的指导性构造设计来实现，对受弯、受压构件是通过构件稳定系数加大其安全度实现构件承载力性能设计，并有完整的计算公式，此处不赘述。

2、钢构件变形性能

（1）实际工程中，大跨度钢结构弹性位移控制值在 L /250 ～ L /400 范围内均可行，由于取值范围大，常常使设计人员无所适从。

（2）结构预起拱是在建筑屋面荷载、装修荷载、使用活荷载加载之前进行的，因此预起拱并不能减少上述荷载作用下结构发生的绝对变形值。而建筑结构正常使用性能往往是上述荷载产生的绝对变形值起控制作用，因此，通过预起拱减小构件相对初始几何形态的变形值，解决正常使用性能要求并无科学依据。

（3） 规范允许通过结构初始几何形态预起拱解决变形限值问题，起拱幅度达 1. 0 静荷载 + 0. 5 活荷载产生的变形。按此幅度预起拱，几乎所有刚度不足的结构均可通过预起拱来实现弹性变形控制指标，那么在构件强度安全满足情况下，为什么还要控制结构正常使用荷载作用下的弹性位移？ 通过预应力措施产生反拱解决位移控制指标是否还有必要？

四、钢结构体系性能设计

基于性能的设计方法首先在高层建筑结构抗震设计中得到应用，高层建筑结构抗震延性能力设计目标是结构在某一设定地震地面运动作用下建筑的预期变形能力水准。建筑物的变形能力水准包括结构、非结构和建筑附属设施的性能水准的各种组合。当前，“超限”高层建筑结构的延性性能设计技术已广为设计人员掌握，对于大跨度钢结构体系弹性小变形能力，我国相关设计规范的规定基本与钢构件相同，实际工程设计也就面临同样的难题。对于大跨度钢结构体系弹塑性阶段的设计，我国相关设计规范中只有 JGJ 7—2010 对空间网壳结构的稳定承载力有规定。对于大跨度钢结构弹塑性大变形性能设计，我国相关设计规范没有提出任何规定和要求。为保证大跨度钢结构安全，工程设计界迫切需要对弹塑性稳定承载力、大变形性能进行深入系统研究，并提出明确的稳定承载力、大变形能力设计控制指标。

五、钢节点性能设计

钢结构节点设计是钢结构安全设计最重要因素之一。当前我国钢结构设计质量控制最薄弱环节之一就是钢节点，钢节点工程事故发生率也较高。现行钢结构及相关设计规范，对于钢节点的连接设计有计算公式，对于节点整体安全设计，主要是依靠经验和试验成果的指导性构造设计和少量的经验计算公式，钢节点整体安全计算设计内容严重不足，并且缺乏明确的计算理论和方法。受到资金和工期限制，钢节点试验仅能在少数重点工程中得以实施。实际工程设计中只能进行有限元计算分析，但现行钢结构及相关设计规范又缺乏节点安全设计准则的规定，设计者往往错误地将节点局部区域材料达到屈服点作为钢节点安全设计标准。为保证钢结构整体安全，同样亟需确定钢节点基于双非线性分析的弹性小变形与弹塑性大变形性能设计控制指标。

六、结束语

综上所述，本文主要针对基于性能的大跨度刚结构设计进行了研究和分析，随着科学技术和经济的不断发展，基于性能的大跨度刚结构广泛应用，这样就对其设计要求也越来越严格。在进行大跨度钢结构设计时，应该从体系、构件以及节点等方面进行基于性能的设计，这样才能进一步的控制性能指标，保证钢结构工程安全，从而进一步促进我国钢结构行业的科技创新与发展。

参考文献：

[1]鲍广鉴、李国荣、王宏、罗军、增强、陈柏全；现代大跨度空间钢结构施工技术[J]；钢结构；2005年01期.

[2] 沈芳. 高层建筑结构设计中应注意的几个问题[J]. 科技资讯， 2007，（21）

[3] JGJ 7—2010 空间网格结构技术规程[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2010.

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