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摘要：随着经济的不断发展，大跨度钢结构在建筑中的应用越来越广泛，其以自身重量轻、强度高、施工周期短和施工方便等优势，成为建筑市场的宠儿。为设计出高性能的大跨度钢结构需要对其性能进行认真的分析和研究，确保所设计的钢结构建筑承载力高、安全性能好。本文基于性能的大跨度钢结构设计进行了研究。
关键词：大跨度钢结构；性能；设计
钢结构与其他建筑材料相比具有稳定性高、施工周期短和施工方便等优势，可以实现工业化批量生产。大跨度钢结构设计或安装不合理会造成大跨度钢结构的变形，导致其稳定性下降。
一、大跨度钢结构种类概述
大跨钢结构的结构体系一般可以分为普通钢结构体系、轻型钢结构体系和空间结构体系三种类型，普通钢结构体系包括钢框架结构和钢屋架结构两种形式；轻型钢结构体系包括门式钢架和金属拱壳结构两种形式；空间结构包括网架结构、网壳结构、悬索结构和薄膜结构四种形式，具体形式见下图：
一是网架结构。其工业化程度较高、自身质量轻、稳定性能，外形美观，通常应用在展览馆、影剧院、体育馆及车间等建筑的屋盖结构；二是金属拱壳结构。除具有自身重量轻、稳定性能好的优点外，通常设计中采用压型钢板形式，将集传力、承载力、保温和防水等优点集于一身，能节省钢材和原材料；三是悬索结构。通常以一系列拉索为主要的承重构件，拉锁组合间有一定的规律，悬挂于支撑结构上，不仅节省钢材而且外形美观，在大跨度公共建筑设计中，应用较为广泛。但是由于其造价成本相对较高，因此在应用中还有有所选择和优化。四是薄膜结构。包括充气式和张拉式两种类型，主要通过给膜材施加预应力使之具有刚度能承担外荷载的原理，具有结构轻、形式美等优点，应用较受欢迎。但是此种大跨度的结构类型，在较强风荷载的作用下产生的位移较大，并且此种结构设计和分析相对复杂，所以在应用中往往舍此而求他。
二、大跨度钢结构特点分析
近年来全部构件采用钢结构体系建筑成为发达国家的主要建筑形式，其具有一系列优势：建筑自重轻，强度高，抗震性、安全性高；结构构配件制作机械化、商品化程度高；构件截面小，增加建筑有效面积；室内水电气管线暗埋布置修改灵活方便，环保节能墙板节能效果好；施工噪音小，材料易降解回收，绿色环保。我国大规模的研究设计、施工安装钢结构建筑发展时间还不长，尚处于起步发展阶段。大跨度钢结构受力过大会导致其发生变形。，控制其变形是设计的关键问题。因为大跨度钢结构构件抗弯和抗剪的能力都不强，张拉力的分布状态使其几何构形始终处于最小几何形态，因此受到荷载作用，钢结构构件会发生变形。大跨度钢结构根据施工材料不同可以分为刚性结构、柔性结构和半刚性结构，在施工方法和受力上也存在一定差异。随着科学技术和建筑行业的快速发展，大跨度钢结构成为施工中主要的应用材料,但大跨度钢结构安装复杂，安装人员必须要了解大跨度钢结构的特点，才能有针对性的采取科学的安装措施。一是钢结构形式复杂多样。新型大跨度空间钢结构形式复杂多样，各种各样的结构形式在建筑领域不断涌现。二是结构跨度越来越大，采用的钢板也越来越厚。现代建筑空间钢结构之间的跨度就愈来愈大，跨度超百米的建筑越来越多，选用的都是高强度钢材，厚度有的超过10公分。三是预应力技术不断得到应用，张拉整体结构、索穹顶及索膜结构等新型建筑结构不断出现。四是大空间结构为了满足建筑造型的需求，锻钢节点、铸钢节点、球铰节点等不同节点形式的建筑层出不穷。五是构件数量和截面类型多、设计难度大。大型建筑一般由上万个构件组成，构件长度、形状、尺寸、截面都有不同，给安装施工带来较大困难。六是构件加工难度和精度要求都很高。大跨度工程大多属于国家重点工程，建筑质量要求高，构件加工精度高，安装施工时焊接的等级有着严格的要求，必须达到一级标准，导致施难度增加。七是现场焊接工作量大，施工技术要求高。大跨度钢结构通常为保证施工精度需要进行预拼装，现场焊接工作量繁重，必须采取先进的施工技术来确保施工的质量和安全。
三、钢结构体系性能设计
当前我国对大跨度的钢结构塑性形和变形性能设计还没有标准规范和要求，必须要制定标准来进行约束和规范，不断的优化大跨度钢结构的建筑设计和安装施工。所以说我国在这方面有待提高和补充。一是稳定承载力。稳定承载力在建筑结构中发挥着重要作用，正是结构部件稳定承载力的发挥，才确保了建筑结构的稳定支撑作用，确保建筑整体结构的安全和稳固。二是变形能力。经过大量的实践和分析研究可以知道，对刚度小的大跨度钢结构，采取结构预期、施加预应力措施，可以实现现行变形构件规范；另外，结构体系稳定承载力受预起拱影响较大，不同结构体系的影响程度也会不同，预起拱不能有效提高大跨度钢结构体系弹塑性大的变形能力；还有，预应力能一定程度上提高大跨度钢结构体系的稳定承载力，但是对于大悬挑结构体系不太理想。
四、钢节点性能设计
钢节点设计是大跨度钢结构安全设计的关键环节，也是钢结构设计质量控制最薄弱的环节。为确保整体结构的安全，首先要确定钢节点基于非线性分析的弹性小变形与弹塑性大变形性能的设计控制指标。一是节点设计承载力。钢结构节点承载力的安全控制指标不应该采取材料的屈服力，如果选择弹性极限荷载过于保守，比较科学的节点设计方法是以破坏荷载为基准，采取科学适度的安全系数来作为节点的设计承载力。二是节点变形能力。节点的变形能力是建筑构件当中的一个关键指标，因为钢节点的类型繁杂多样，可以根据科学的计算分析和实验结果，科学的确定大跨度钢结构节点在双非线性分析的变形能力基础上的设计方法和控制指标，今后要更加了解和掌握节点的变形能力特点，才能探索设计更加科学的方法和指标。
五、基于钢材构件性能的设计分析
钢构件的性能分析主要侧重于钢构件承载力和变形性能，钢构件的承载力主要体现在对钢构件在受弯、受压过程中的构件稳定系数的大小，从而科学的判断构件是否能能具备较为稳定的安全度。对变形性能的科学设计是确保整个结构体系安全的重要保障，还要在设计中体现一些必要的功能需要，在相关规程中有一些具体的要求，但还存在一些缺陷，比如大跨度钢结构弹性位移控制值取值范围大造成技术人员难以选择，还有某些结构中预起拱不能减少荷载作用下结构发生的绝对变形值，等等，这些问题在规范中没有进行详细的说明和确定，还要利用基于双非线性分析设计控制指标的方法，来有效的科学的确定钢构件的相关性能设计方法和规范。
六、结语
钢结构体系作为一种平面布置灵活、受力性能优良的结构体系建筑，在我国尚处于发展阶段，还没有形成较为成熟的配套技术，施工中还有许多问题有待研究和解决。大跨度钢结构的设计理念需要不断的探索和创新，从体系、构件以及节点等方面进行基于性能的科学设计，只要设计安装合理,其经济效益将优于钢筋混凝土结构。加强钢结构体系的学习研究与推广，不断创新先进的技术，开发更为先进的材料，促进大跨度钢结构体系在我国的推广应用，促进建筑的品质提升一个新台阶。
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论文作者:赵玉红
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第14期
论文发表时间:2017/12/19
标签：钢结构论文; 大跨度论文; 结构论文; 节点论文; 构件论文; 承载力论文; 建筑论文; 《建筑科技》2017年第14期论文;