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性能視角大跨度鋼結構的設計方法

來源:原創論文網 添加時間:2020-02-28

  摘    要: 改革開放以來,我國經濟發展取得了十分顯著的成績,基建工程的建設規模與建設數量也呈現出快速增長的態勢。此外,由于鋼結構具有諸多優勢,使得鋼結構工程項目層出不窮,大跨度鋼結構設計也因此引發了社會的關注。因此,為了提升大跨度鋼結構設計水平,相關人員有必要加大基于性能的大跨度鋼結構設計研究力度,從而為鋼結構設計更加合理奠定堅實的基礎;诖,文章將以概述鋼結構基于性能的設計為切入點,對基于性能的大跨度鋼結構設計予以深度研究,以供參考。

  關鍵詞: 性能; 大跨度; 鋼結構; 設計; 研究;

  Abstract: Since the reform and opening up, China's economic development has made remarkable achievements, and the construction scale and number of infrastructure projects have also shown a trend of rapid growth. In addition, due to the many advantages of steel structure, steel structure engineering projects emerge one after another, and the design of long-span steel structure has attracted the attention of the society. Therefore, in order to improve the design level of long-span steel structure, it is necessary for relevant personnel to strengthen the research on the design of long-span steel structure based on performance, so as to lay a solid foundation for more reasonable design of steel structure. Based on this, this paper will summarize the performance-based design of steel structure as a starting point, and make an in-depth study on the design of long-span steel structure based on performance for reference.

  Keyword: performance; long span; steel structure; design; research;

  在基建領域,鋼結構由于具有施工簡便、性能卓越等優勢,為鋼結構工程的發展創造出了重要機遇。此外,對于大跨度鋼結構設計來說,鑒于其結構復雜、施工周期長,因此提升了大跨度鋼結構的設計難度。作為設計人員,為了使大跨度鋼結構的設計更加合理、科學,確保其性能滿足今后使用要求,除了需要不斷提升設計人員自身能力外,還應加大對于大跨度鋼結構設計的研究力度,對促進我國鋼結構工程的發展有著重要意義。

  1 、鋼結構基于性能設計的基本概念與設計思路

  1.1 、性能設計

  自結構設計方法出現以后,隨著時間的不斷推移,傳統結構設計方法已經無法滿足現階段的要求,而基于性能的結構設計正在成為未來結構設計的重要發展方向。所謂性能化設計,指的是使用工程方法,讓鋼結構性能更加趨于既定要求。與此同時,在基于性能的設計理論中,設計人員可通過分析計算、預測結構等方法,驗證所設計的鋼結構性能是否滿足工程使用方的要求,確保鋼結構性能可以貼合工程使用方的需求。

  1.2 、基于延性性能的設計思路

  通常來說,如果構件或者結構存在較好的延性能力,其后期變形的程度也會越大,即便結構或者構件的屈服或承載力已經處于極限狀態下,其仍然可以吸收一定程度的能量,有助于推遲延性破壞的時間。因此,在設計鋼結構時,設計人員做好延性性能控制是很有必要的。在設計大跨度鋼結構過程中,延性性能設計也成為了大跨度鋼結構設計的重要思路。

  在延性設計時,需要對以下參數予以重點考慮,即:屈服荷載、破壞荷載、屈服變形以及破壞變形。此外,為了保證延性設計更加合理,設計人員首先要想辦法計算出上述延性性能參數,并對屈服荷載值、屈服變形指標加以分析,確保大跨度鋼結構可以得到可靠、安全的使用。另外,在延性設計時,設計人員要計算出準確的承載力比例系數,確保大跨度鋼結構在出現結構破壞前可以儲備一定大小的承載力。最后,延性設計過程中,設計人員要對變形比例系數予以準確、合理的確定,以此來確保大跨度鋼結構在出現結構破壞前,結構自身可以有一定的變形能力儲備?傊,鋼結構基于延性的性能設計,設計人員要對體系幾何非線性、材料非線性的計算分析加以考慮,從而獲得鋼結構屈服荷載、破壞荷載等性能參數,并以此為基礎提出符合國家標準要求的安全設計性能控制指標。
 

性能視角大跨度鋼結構的設計方法
 

  2 、基于性能的大跨度鋼結構具體設計方法

  2.1 鋼結構體系性能設計

  通常來說,設計人員在進行鋼結構設計時,需要對《建筑抗震設計規范》中的要求予以遵從。此外,在《建筑抗震設計規范》中,其對鋼材伸長率、屈服強度以及抗拉強度等有著嚴格的規定,例如,鋼材伸長率不小于20%,抗拉強度與屈服強度的實際測量值不大于0.85,設計人員必須要遵從這些要求,確保所設計的建筑工程可以滿足今后使用要求。然而,在美國體系的規范中,其中的要求與我國標準存在一些矛盾的地方,所以對于設計人員來說,其在進行鋼結構體系性能設計時,需要對建筑抗震能力予以密切關注,從中來對鋼結構的變形能力進行估算,確保鋼結構體系性能設計滿足使用要求。另外,在鋼結構體系性能設計時,設計人員要詳盡掌握我國相關標準或者規范,并要準確的計算出鋼結構穩定承載力,明確穩定承載能力控制指標,保證大跨度鋼結構設計滿足使用要求。

  2.2、 鋼結構構件性能設計

  2.2.1、鋼構件承載力性能

  現階段,在我國發布并實施的《鋼結構設計規范》中,其通過經驗式的指導來對鋼結構件局部穩定進行設計。對于受壓、受彎構件來說,為了提升其使用安全程度,設計人員可通過增加構件穩定系數來實現,同時也可確保構件承載力性能設計滿足大跨度鋼結構工程今后使用要求。如鄂爾多斯伊金霍洛旗體育中心的設計,圖1為該結構外觀示意圖。

  圖1 鄂爾多斯伊金霍洛旗體育中心穹頂
圖1 鄂爾多斯伊金霍洛旗體育中心穹頂

  2.2.2、鋼構件變形性能

  在《鋼結構設計規范》中,其對鋼構件的變形性能有著嚴格要求,即:(1)為了保證結構使用的可靠性與安全性,提升鋼結構的美觀程度,設計人員在進行鋼結構設計時,必須要對其中構件的變形程度規定相應的限值。通常來說,在《鋼結構設計規范》的附錄A中,設計人員可清楚的知曉結構、構件變形的容許值。此外,如果存在特殊要求,設計人員可對附錄A中的要求予以有針對性的調整,但是調整不得影響構件或結構的觀感以及使用。(2)在對構件或者結構的變形進行計算時,設計人員可忽視緊固件連接孔所引發的截面削弱。(3)為了實現改善使用條件與外觀的目的,設計人員可根據實際要求將橫向受力構件進行預先起拱,通常為恒載標準值與1/2活載標準值之和所產生的撓度值,同時對活載作用下變形限值作了規定。

  然而,盡管《鋼結構設計規范》對相關要求有著明確的規定,但是實際設計過程中仍然存在許多問題,例如:(1)在實際大跨度鋼結構工程中,其中鋼結構的彈性位移控制值的取值范圍比較大,導致設計人員難以確定準確的鋼結構彈性位移控制值,致使設計人員感到迷茫。(2)一般來說,結構預起拱要在加載活荷載、裝修荷載以及屋面荷載之前進行,在上述荷載的作用下,預起拱設計并不能對大跨度鋼結構的絕對變形值起到顯著的減少作用。(3)在《鋼結構設計規范》中,變形限值問題可通過結構初始幾何形態預起拱來解決。然而,當構件強度處于安全界限內,為何還要對正常荷載作用下結構中的彈性位移進行控制?是否一定需要通過反拱來解決位移控制指標?(4)在鋼構件變形性能設計過程中,《鋼結構設計規范》中的一些要求僅適用于彈性小的變形階段,如果彈塑性較大,則現行的標準便會無能為力。此外,為實現彈性小變形能力設計的目標,能否保證大跨度結構體系彈塑性大變形情況下的安全?為了解決上述問題,迫切需要出臺相關標準對鋼構件基于雙非線性分析的彈性小變形與彈塑性大變形能力設計控制指標進行合理確定。

  2.3、 鋼節點的性能設計

  在進行鋼節點性能設計時,設計人員要對以下內容予以重點關注,即:(1)以鋼節點變形能力設計為基礎,設計人員要細致的分析荷載、應變與位移之間的關系。同時,鋼節點延性性能可通過合理的數據分析來予以確定。此外,在鋼節點性能設計過程中,為了保證設計質量,設計人員要確保變形值與屈服變形值之間的比例系數不小于1.2,避免因鋼材質量不達標而引發相應的問題。需要注意的是,在鋼節點變形能力設計過程中,設計人員要保證彈塑性變形值在標準要求的范圍內,承載力變形值同樣也要滿足標準要求,方可確保大跨度鋼結構的使用始終處于最佳狀態。(2)在鋼節點性能設計過程中,設計人員要對承載力的設計予以重點關注。所以,在開展設計工作時,設計人員需要對荷載與應變關系分析方法有著詳盡的掌握,并可進行靈活的運用,從而更加準確的確定荷載值的大小,確保鋼結構節點性能設計實現可以有序開展。

  3、 結束語

  由此可見,隨著我國經濟發展速度的逐漸加快,越來越多的鋼結構工程拔地而起,為了保證鋼結構工程的使用質量,特別是大跨度鋼結構工程的使用質量,設計人員除了要努力提升自身綜合素質外,還應切實的加大對于基于性能的大跨度鋼結構設計的研究力度,努力提高大跨度鋼結構工程的設計質量,確保大跨度鋼結構工程的性能可以符合業主的要求,保證大跨度鋼結構的使用始終處于最佳性能,為進一步加快我國鋼結構工程的發展增添新的動能,對全面提升我國鋼結構工程的設計水平有著重要意義。

  參考文獻

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