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性能视角大跨度钢结构的设计方法

来源:原创论文网 添加时间:2020-02-28

  摘    要: 改革开放以来,我国经济发展取得了十分显着的成绩,基建工程的建设规模与建设数量也呈现出快速增长的态势。此外,由于钢结构具有诸多优势,使得钢结构工程项目层出不穷,大跨度钢结构设计也因此引发了社会的关注。因此,为了提升大跨度钢结构设计水平,相关人员有必要加大基于性能的大跨度钢结构设计研究力度,从而为钢结构设计更加合理奠定坚实的基础。基于此,文章将以概述钢结构基于性能的设计为切入点,对基于性能的大跨度钢结构设计予以深度研究,以供参考。

  关键词: 性能; 大跨度; 钢结构; 设计; 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;

  在基建领域,钢结构由于具有施工简便、性能卓越等优势,为钢结构工程的发展创造出了重要机遇。此外,对于大跨度钢结构设计来说,鉴于其结构复杂、施工周期长,因此提升了大跨度钢结构的设计难度。作为设计人员,为了使大跨度钢结构的设计更加合理、科学,确保其性能满足今后使用要求,除了需要不断提升设计人员自身能力外,还应加大对于大跨度钢结构设计的研究力度,对促进我国钢结构工程的发展有着重要意义。

  1 、钢结构基于性能设计的基本概念与设计思路

  1.1 、性能设计

  自结构设计方法出现以后,随着时间的不断推移,传统结构设计方法已经无法满足现阶段的要求,而基于性能的结构设计正在成为未来结构设计的重要发展方向。所谓性能化设计,指的是使用工程方法,让钢结构性能更加趋于既定要求。与此同时,在基于性能的设计理论中,设计人员可通过分析计算、预测结构等方法,验证所设计的钢结构性能是否满足工程使用方的要求,确保钢结构性能可以贴合工程使用方的需求。

  1.2 、基于延性性能的设计思路

  通常来说,如果构件或者结构存在较好的延性能力,其后期变形的程度也会越大,即便结构或者构件的屈服或承载力已经处于极限状态下,其仍然可以吸收一定程度的能量,有助于推迟延性破坏的时间。因此,在设计钢结构时,设计人员做好延性性能控制是很有必要的。在设计大跨度钢结构过程中,延性性能设计也成为了大跨度钢结构设计的重要思路。

  在延性设计时,需要对以下参数予以重点考虑,即:屈服荷载、破坏荷载、屈服变形以及破坏变形。此外,为了保证延性设计更加合理,设计人员首先要想办法计算出上述延性性能参数,并对屈服荷载值、屈服变形指标加以分析,确保大跨度钢结构可以得到可靠、安全的使用。另外,在延性设计时,设计人员要计算出准确的承载力比例系数,确保大跨度钢结构在出现结构破坏前可以储备一定大小的承载力。最后,延性设计过程中,设计人员要对变形比例系数予以准确、合理的确定,以此来确保大跨度钢结构在出现结构破坏前,结构自身可以有一定的变形能力储备。总之,钢结构基于延性的性能设计,设计人员要对体系几何非线性、材料非线性的计算分析加以考虑,从而获得钢结构屈服荷载、破坏荷载等性能参数,并以此为基础提出符合国家标准要求的安全设计性能控制指标。
 

性能视角大跨度钢结构的设计方法
 

  2 、基于性能的大跨度钢结构具体设计方法

  2.1 钢结构体系性能设计

  通常来说,设计人员在进行钢结构设计时,需要对《建筑抗震设计规范》中的要求予以遵从。此外,在《建筑抗震设计规范》中,其对钢材伸长率、屈服强度以及抗拉强度等有着严格的规定,例如,钢材伸长率不小于20%,抗拉强度与屈服强度的实际测量值不大于0.85,设计人员必须要遵从这些要求,确保所设计的建筑工程可以满足今后使用要求。然而,在美国体系的规范中,其中的要求与我国标准存在一些矛盾的地方,所以对于设计人员来说,其在进行钢结构体系性能设计时,需要对建筑抗震能力予以密切关注,从中来对钢结构的变形能力进行估算,确保钢结构体系性能设计满足使用要求。另外,在钢结构体系性能设计时,设计人员要详尽掌握我国相关标准或者规范,并要准确的计算出钢结构稳定承载力,明确稳定承载能力控制指标,保证大跨度钢结构设计满足使用要求。

  2.2、 钢结构构件性能设计

  2.2.1、钢构件承载力性能

  现阶段,在我国发布并实施的《钢结构设计规范》中,其通过经验式的指导来对钢结构件局部稳定进行设计。对于受压、受弯构件来说,为了提升其使用安全程度,设计人员可通过增加构件稳定系数来实现,同时也可确保构件承载力性能设计满足大跨度钢结构工程今后使用要求。如鄂尔多斯伊金霍洛旗体育中心的设计,图1为该结构外观示意图。

  图1 鄂尔多斯伊金霍洛旗体育中心穹顶
图1 鄂尔多斯伊金霍洛旗体育中心穹顶

  2.2.2、钢构件变形性能

  在《钢结构设计规范》中,其对钢构件的变形性能有着严格要求,即:(1)为了保证结构使用的可靠性与安全性,提升钢结构的美观程度,设计人员在进行钢结构设计时,必须要对其中构件的变形程度规定相应的限值。通常来说,在《钢结构设计规范》的附录A中,设计人员可清楚的知晓结构、构件变形的容许值。此外,如果存在特殊要求,设计人员可对附录A中的要求予以有针对性的调整,但是调整不得影响构件或结构的观感以及使用。(2)在对构件或者结构的变形进行计算时,设计人员可忽视紧固件连接孔所引发的截面削弱。(3)为了实现改善使用条件与外观的目的,设计人员可根据实际要求将横向受力构件进行预先起拱,通常为恒载标准值与1/2活载标准值之和所产生的挠度值,同时对活载作用下变形限值作了规定。

  然而,尽管《钢结构设计规范》对相关要求有着明确的规定,但是实际设计过程中仍然存在许多问题,例如:(1)在实际大跨度钢结构工程中,其中钢结构的弹性位移控制值的取值范围比较大,导致设计人员难以确定准确的钢结构弹性位移控制值,致使设计人员感到迷茫。(2)一般来说,结构预起拱要在加载活荷载、装修荷载以及屋面荷载之前进行,在上述荷载的作用下,预起拱设计并不能对大跨度钢结构的绝对变形值起到显着的减少作用。(3)在《钢结构设计规范》中,变形限值问题可通过结构初始几何形态预起拱来解决。然而,当构件强度处于安全界限内,为何还要对正常荷载作用下结构中的弹性位移进行控制?是否一定需要通过反拱来解决位移控制指标?(4)在钢构件变形性能设计过程中,《钢结构设计规范》中的一些要求仅适用于弹性小的变形阶段,如果弹塑性较大,则现行的标准便会无能为力。此外,为实现弹性小变形能力设计的目标,能否保证大跨度结构体系弹塑性大变形情况下的安全?为了解决上述问题,迫切需要出台相关标准对钢构件基于双非线性分析的弹性小变形与弹塑性大变形能力设计控制指标进行合理确定。

  2.3、 钢节点的性能设计

  在进行钢节点性能设计时,设计人员要对以下内容予以重点关注,即:(1)以钢节点变形能力设计为基础,设计人员要细致的分析荷载、应变与位移之间的关系。同时,钢节点延性性能可通过合理的数据分析来予以确定。此外,在钢节点性能设计过程中,为了保证设计质量,设计人员要确保变形值与屈服变形值之间的比例系数不小于1.2,避免因钢材质量不达标而引发相应的问题。需要注意的是,在钢节点变形能力设计过程中,设计人员要保证弹塑性变形值在标准要求的范围内,承载力变形值同样也要满足标准要求,方可确保大跨度钢结构的使用始终处于最佳状态。(2)在钢节点性能设计过程中,设计人员要对承载力的设计予以重点关注。所以,在开展设计工作时,设计人员需要对荷载与应变关系分析方法有着详尽的掌握,并可进行灵活的运用,从而更加准确的确定荷载值的大小,确保钢结构节点性能设计实现可以有序开展。

  3、 结束语

  由此可见,随着我国经济发展速度的逐渐加快,越来越多的钢结构工程拔地而起,为了保证钢结构工程的使用质量,特别是大跨度钢结构工程的使用质量,设计人员除了要努力提升自身综合素质外,还应切实的加大对于基于性能的大跨度钢结构设计的研究力度,努力提高大跨度钢结构工程的设计质量,确保大跨度钢结构工程的性能可以符合业主的要求,保证大跨度钢结构的使用始终处于最佳性能,为进一步加快我国钢结构工程的发展增添新的动能,对全面提升我国钢结构工程的设计水平有着重要意义。

  参考文献

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