关于大跨度建设下钢结构设计探究
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【摘要】随着社会经济的蓬勃发展，建筑功能也在日新月异的发展和变化，设计师们对于建筑的理解不断深入，大跨度空间结构不断涌现，如体育馆、会议中心、展览中心、机场候机大厅以及音乐厅等公共建筑，此类结构在满足对于开阔的建筑内部空间需求的同时，又会因其优美的外观和新颖的结构形式，成为一道亮丽的风景。然而，随着地震灾害的频繁发生，如何进行大跨度空间结构的设计，尤其是分析研究地震作用对于大跨度空间结构的影响是我们最关心的问题。本文以前人的研究成果为基础，理论结合实际，对大跨度建设下的钢结构设计进行了探究。
【关键词】大跨度;钢结构;材料;性能;设计
引言：在建筑设计施工过程中，钢结构的使用可以降低结构的自身重量，并可以提高自身强度，因此为了达到建筑钢结构塑性及韧性要求，相关部门在进行钢结构的设计时，应根据实际情况选择合适钢材，进而使钢结构优势得到更好的发挥。并且，除了要提高钢结构自身强度，还需满足其使用功能要求，如防腐和防火等功能。
1. 目前我国的钢结构设计存在的问题
虽然钢结构在国内建筑中已实现广泛应用，其结构设计的水平进步与提高速度很快，但在大跨度钢结构设计中，还存在着很多问题。30m以上大跨度钢结构较少，对于该类大跨度钢结构的设计时，应该注意对其重点部位的调整。
为保障承重构件的承载力并避免脆性破坏的发生，要根据结构荷载特点、建筑结构的形式、连接方式、应力情况、钢板厚以及环境等一些因素，来选择适合的钢材。承重构件的钢材应采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合现行国家标准《碳素钢结构》GB/T 700和《低合金高强度钢结构》GB/T 1591的规定。结构承重部分应采用具有抗拉性能、屈服强度、伸长率和硫与磷含量符合标准要求材料，对于焊接结构应具备碳含量合格证明。承重焊接部分及重要的焊接非承重部分所用钢材还要具备冷弯试验合格保证。而在设计过程中，由于设计人员对钢材市场可能不很了解，导致施工单位在备料时常会发生买不到施工图纸中所选用的材料;除此之外，钢结构构件大部分是在加工厂完成制作，构件运到现场后拼装，由于节点设计不合理导致构件无法安装，这种情况在施工中会经常碰到。节点设计时，不仅要考虑节点受力合理，也要考虑节点是否便于安装，当安装困难或无法安装时，应考虑变更节点设计。
2. 大跨度钢结构应注意的一些问题
对于大跨度钢结构的使用，首先要避免一些过度大跨度。一些设计者认为越大的跨度则越好，而其实跨度过大不实用，经济性查，会消耗大量的资源，人们也并不愿意在一个牢笼里生活;此外，随着科学技术的发展，一些新型轻质的材料不断出现，其不仅可减轻钢结构自身的重量，还更加地经济、安全;再者，结构应进行简洁的布局，使力的传递路线更短，从而提高钢结构使用效率，且不会受过多限制，使整个结构更加简洁;最后，要尽可能避免受弯杆件的使用，应多使用拉压杆件。
3. 基于性能的大跨度建设钢结构设计
3.1 性能设计
从结构设计方法的演变和发展过程看，在20 世纪90 年代，以为来自美国的学者提出了性能化结构设计优化理论，其代表着结构设计未来的发展趋势。基于性能的结构设计为一种应用工程上的方法而达到规定结构性能要求的设计手法。在性能化结构设计优化理论中，运用高效结构高等计算分析方法，对结构在各类条件下，特别是荷载变化作用下结构发生响应进行预测，进而对结构的性能做出评估，最后达到规范规定性能指标及业主对于结构的要求。
3.2 材料与结构几何双非线性分析
由于新技术与高强度材料的应用，使得钢结构的重量逐渐减轻，跨度逐渐加大。在达到结构屈服荷载前变形较大，表现为一定程度的非线性性质。基于平面及线性假定的传统分析方式已经不再适用，而目前对于承载力的分析应考虑到几何非线性问题。在多数情况下，当结构逐渐接近所能承受的荷载时，结构将屈服，钢材料性质也逐渐地由线弹性转化为塑性，表现出非线性的性质。所以设计时应考虑到材料和几何非线性间的耦合--双重非线性，应用有限元分析方法进行结构大位移的弹塑性过程计算分析，从而找出结构在承载力到达极限时的工作情况。
4. 钢材的延伸率与强屈比的计算
在大跨度建设下的钢结构的各种设计标准中可以看出钢材的延性能力主要包括两方面的性能，即延伸率和强屈比。钢材是一种弹塑性性质的材料，在理想的状态下，钢材的塑性应变足以满足钢结构设计所要求的变形能力，但是在实际的应用中，钢结构的破坏不可能是纯塑性的破坏，通过一系列的实践表明，对于用于钢结构的塑性设计的钢材来说，必须具有一定的材料强度的强化性能，即要在设计要求中对钢材的最低强屈比作出一定的要求，在钢结构的设计中，钢材的变形能力应该大于百分之二十，强屈比应该大于1.20。
5. 精准的计算模型，可靠的结构设计
钢结构所使用的材料是非常均匀的，是一种较为理想化的统一的弹性体，与当下所使用的计算方式及理念完全相吻合。除此之外，钢结构构件连接模型跟现实状况较为一致，在进行模型计算的时候所使用到的公式比较少，计算起来较为简单。为此，钢结构计算模型在现实的工作当中对结构设计有着精准性、可靠性的显著优势。
6. 大跨度钢节点设计
6.1 钢节点变形性能设计
在大跨度条件下钢结构设计过程中，钢节点的种类有很多，下文主要讨论了相贯节点问题，其设计的方法主要有：（1）在设计钢节点变形破坏值和屈服值时，二者比例系数要大于1.2;（2）全过程分析荷载和位移、应变之间的关系，得出节点变形破坏和屈服应变等一些相关延性参数;（3）在破坏载荷作用下，钢节点的弹塑性变形值要小于D/4，在设计的承载能力作用下节点变形值要小于D/100。
6.2 钢节点承载能力设计
双非线性分析法确定节点的承载力的主要的设计方法有：（1）对荷载与应变的关系进行全过程分析，得到节点的屈服应变、位移所对应的荷载值，取二者中数值较小的作为相关节点的设计承载力;（2）如果在对节点的全过程曲线进行分析之后没有找到明显的屈服点，可以选取节点的破坏荷载的1/1.2～1/1.4之间的值作为节点的设计承载力;（3）当节点的破坏位移大于D/100 时，要确定节点的设计承载力的值，可以选取D/100 所对应的加载值，作为节点的设计承载力。
结语：
钢结构建筑的使用具有很多优势，但在对结构进行设计时，产生了很多的问题。对于钢结构设计中所出现的问题是不能忽视的，需对其特别注意。只有在设计时，把握好要领，应用科学的方法和理念进行结构设计，才可以设计出经济、安全、可靠的建筑作品。
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