基于性能下大跨度钢结构设计的分析 许霞
成都某大跨楼盖结构方案设计与分析
成都某大跨楼盖结构方案设计与分析发布时间：2021-09-13T07:12:04.705Z 来源：《建筑科技》2021年9月下作者：何俊董骏龙[导读] 本文对成都某大跨楼盖方案进行对比分析，首先进行结构选型，其次对楼盖方案（后张法预应力钢筋混凝土楼盖和钢桁架+混凝土组合楼盖）的承载力、舒适度、施工难度和经济性进行对比分析，最终确定合理的大跨度楼盖体系。
四川省建筑设计研究院有限公司何俊董骏龙四川成都 610000[摘要]本文对成都某大跨楼盖方案进行对比分析，首先进行结构选型，其次对楼盖方案（后张法预应力钢筋混凝土楼盖和钢桁架+混凝土组合楼盖）的承载力、舒适度、施工难度和经济性进行对比分析，最终确定合理的大跨度楼盖体系。
[关键词]大跨楼盖、预应力、钢桁架、舒适度1、工程概况本工程位于四川省成都市东部新区，建筑面积1.09万平米，地上四层，建筑总高度26.600m，使用功能为体操、健美操训练场以及健美操比赛场。
建筑效果图1所示：图1-1 建筑效果图二层建筑使用功能主要为体操训练场地、艺术体操训练场地及少量配套用房，功能划分如图2所示，结构整体平面尺寸 63.5m×63.5m；体操训练场跨度为36.050m，艺术体操体操训练场跨度为23.500m。
本文着重对体操训练馆楼盖方案进行对比分析。
图1-2 二层功能划分示意图本工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，地基基础设计等级为二级，建筑耐火等级为一级；抗震设防烈度为6度（0.05g），多遇地震水平地震影响系数最大值为0.04；设计地震分组第三组，建筑场地类别为II类，特征周期Tg=0.45s；基本风压0.3kN/m2（重现期为50年），地面粗糙度类别为B类；基本雪压0.1kN/m2（重现期为50年），屋面积雪分布系数为1.0。
2、结构选型2.1主体结构选型体操馆平面尺寸 63.5m×63.5m，结构高度为26.6m，为高层建筑。
某大跨度钢结构雨篷模拟分析
Ｂ、Ｃ 两个温度区段内采用的典型平面刚架 ＧＪ２
如图 ３ 所示。 ＧＪ２ 也分两跨，结构形式与 ＧＪ１ 类似，
不同之处在于 ＧＪ２ 取消了长跨边柱及悬挑桁架，拱
图 ４ ＧＪ１ 计算模型
形桁架直接支承在钢筋混凝土柱上。
３ ２ 荷载组合
模拟分析中，考虑两种工况的荷载组合。
承载力，选 取 腹 杆 受 力 最 不 利 的 节 点 进 行 承 载 力
要求。
上弦和下弦节点承载力均按 ＫＫ 节点计算节点
验算。
表 ３ 腹杆稳定验算
ｌｘ ＝ ｌｙ ／ ｍ
λｘ ＝ λｙ ＝ ｌｙ ／ ｉｙ
φ
３ １５６
６３ １２
０ ６９４
Ｎ ／ ｋＮ
Ｎ
／ ＭＰａ
φＡ
－ ３１５ ４８
１０１ ９７
Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ２０１６ （４） ， Ｖｏｌ ３１， Ｎｏ ２０８
图 １ 站台雨篷温度区段示意
Ａ、Ｄ、Ｅ ３ 个温度区段内平面刚架形式基本相
同，典型刚架 ＧＪ１ 如图 ２ 所示。 钢管混凝土柱为双
第一作者：王迪，女，１９９０ 年出生，硕士。
Ｅｍａｉｌ：ｖｖｗａｎｇｄｉ＠ １６３． ｃｏｍ
和变形，计算了主要构件和节点的稳定性，验算了结构的安全性。 通过模拟分析得出结论：该大跨度钢结构雨篷受
力合理，结构安全。
关键词：钢结构； 雨篷； 大跨度； 稳定性； 有限元分析
ＤＯＩ：１０ １３２０６ ／ ｊ． ｇｊｇ２０１６０４０１１
ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ Ａ ＬＯＮＧ⁃ＳＰＡＮ ＳＴＥＥＬ ＣＡＮＯＰＹ
１１． ５１ ｄ
ｓｉｎθ ｃ ｔ
大跨度钢结构关键问题分析与研究
大 跨 度 钢 结 构 关 键 问题 分 析 与研 究
张春 霞
（ 河北省 张家 口市建筑设计 院有 限责任公 司，河北 张家 口０ ７ ５ ０ ０ ０ ）
摘 要 ：本 文从 大跨钢结构的特点入手 ，从大跨钢结构的稳定 问题、防腐 问题、防火 问题等方面 ，阐述 了当前大跨钢 结构存在 的问题
引 言
一
工程实践表 明，许多大跨结构从传统 的结构形式很难予 以 界定 ，纯粹 单一的结构形式很少见 ，常是多种类型 的组合体 ， 很难直 接推测其可能的失稳状态。从结构屈 曲前 的变形特点来 分 析 ，可以判别一个结构是分叉型失稳还是极值 型失稳 。分叉 型失稳 的结构在屈 曲发生前 ，它的构件 的变形主要表现为轴 向 压 缩变形 ，从整个结构宏观反应来看 ，这种变形非常微小 ，甚 至可以忽略 ，屈 曲前荷载一位移 曲线基本上是直线 ；屈 曲后 ， 结 构将 突然变柔 ，变形快速发展 。极值型失稳 的结构 ，无论杆 件 还是结 构体系 ，其刚度都是随荷载 的施加逐渐变小 ，屈 曲发 生前结 构会 产生明显 、不可忽略的变形 。
关 键 词 ：钢 结 构 ；大跨 稳 定 ；防 火 防 腐
中图分类号 ：Ｔ Ｕ３ １ １ ． ４
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ６ ７ １ － ３ ３ ６ ２（ ２ ０ １ ３）０ ２ － ０ ０ ０ ６ － ０ ２
呈 明显弯 曲的非线性 曲线 。 ． ３进行简单模型及非线性分析 随着我 国经济建设 的蓬勃发展 ，网架 、会堂 、剧 院等 大型 １ 公共建筑 以及不 同类型的工业建筑获得 了广泛应用 。同时我 国 大跨空间结构 ，由庞大数量杆件组成 ，即使简化的结构模 大跨钢结构也得到 了广泛 的发展和应用 。大跨钢结构 的形式逐 型 ，其 自由度也成千上万 ，非线性反应特征明显 ，在进行结构 渐多样化 ，技术 日益成熟 ，尤其是 预应力技术 和新材料 的应用 构件设计 之前 ，有必要用有限元方法对结构进行精确的非线性 进一步推动 了大跨钢结构 的发展 。在发展 的同时 ，大跨钢 结构 数值分析。采用有限元分析的结果可靠与否 ，取决于结构设计 存在一些共性的 问题 ，值得我们进一步关注 。 人员是否采用了合理的分析模型 。只有建立在定性分析结构反 １结构稳定问思 应的基础上 ，才能确定合理的数值分析模型 ，同时 ，这些特点 大跨 钢结构在进 行稳 定分 析与设计 时 ，要求 结构分析和设 又可以作为有限元分析结果是否可靠的一个评判依据 。这一点 计人员对整体稳定 的基本 概念 、失稳 的类 型及产 生失 稳的原因 不论对线性分析还是对涉及到非线性 的稳定分析都是永远成立 予 以预见 ， 才 能在工 程实践中 ， 运 用正确的计算方法 ，采取合 的 。此外 ，从非线． 眭分析技术本身来说 ，要准确把握结构非线 理 的计算模 型 ，避免采用错误 的推论 ，得到安全可靠的工程成 性反应 的特点 ，对结构分析 的类型 、非线性分析 的有 限元列式 果 。以下是 在大跨钢结构稳定分析 ，常见 问题 。 及数值求解方法作 出合理 的选择 。所 以 ，大跨结构 的非线性分 析应从简单模型开始 ，使结构分析人员对结构 的非线性特性有 １ ． １ 临界荷载的近似估计 在设计 的初步阶段 ，结构设计 人员要根据 以往设计经验和 个初步 的了解 。在此基础上 ，采 用合理 的分析模 型和计算方 拟定结构类型 ，预先假定拟建结构 的临界荷载值 ， 大跨空 间结 法 ，逐步细化分析模型 ，直至计算结果达到满意程度为止 。 构 首先应考虑稳定问题 ，因其结构反应呈非线性特性 ，因此 只 ２防腐问题 能通过简化模型进行分析 ，对结构 的临界荷载作 出近似估计 ， 钢结构具有轻质高强 、塑性韧性好 、材质均匀 、工作 可靠 确定临界荷载 。可采用刚度等效 的原则 ，计算结构失稳 时的内 性 高 ，适用 机械 化加 工 ，工业 生产程度 高 ，施工周期短以及密 力 及确定失稳状态 ，合理 的临界荷载近似值是有效 的确定结构 封 胜能好等 优点。但 是 ，易腐蚀是 钢结 构的致命 缺点之一 ，钢 类型的首要条件 。 结 构一旦被腐蚀 ， 其强度 、塑性等主要 力学性能指标 显著下 降 ， 简化模 型的计算杆件数量 比工 程实际构 件数 量少 ，因此简 严 重地降低 了钢结构构件 和建筑物 的安全性 和耐久性 。 当钢材表面与环境介质发生各种形式的化学作用时 ，锈蚀 化模型可 以验证结构体系是否稳定 ，及确定 主要受力杆件 的应 力分布情况 ，从 而确定结构体 系采 用是 否合 理。对于实际每一 就不可避免 。 个杆件 的应力研究 和计算 ，须 在验证 了结构 稳定后 ，采用分解 ２ ． １ 钢 结构 锈 蚀 的种 类 和有限元法等计算方法予 以确定 。 钢材 由于和外界介质相互作用而产生 的损坏过程称为 “ 钢 １ ． ２预 测 结 构 失 稳 类 型 材 的锈蚀” 。钢结构 的锈蚀按其作 用可分为以下两类 ： 设 计人员在设计的方案制定阶段 ，应预见性 的判别结构方 化学腐蚀是 指钢材直接 与大气或工业废气 中含有 的氧气质 案 的失稳类 型 ，判 断结构 的破 坏类 型是突发的脆性破 坏还是有 液体发生表面化学反应而产生的腐蚀。 电化学腐蚀 是由于金 属内部有其 它金属 杂质 ，他们具 有不 预兆 的延性 破坏 ，有无破坏荷载的安全储备 ，以及引起失稳 的 主要 因素。据此从候 选方案中 ，选择性能优越的结构体系进行 同的电极 电位 ，在与 电解质 、水或潮湿气体接触 时 ，产生原电 下 一步的计算 分析 。若对结构进行精确 的非线性分析 ，能够定 池作用 ，钢材腐蚀 。 性 的预测结 构的可能失稳类型 ，将对非线性分析数值模型和分 实际工程 中，绝大部分钢材锈蚀是电化学腐 蚀或电化学腐 析方法 的选择提供有 益的概念指导 。 蚀与化学腐蚀共 同作用 的结果 。
大跨度建设下的钢结构设计研究
、
一
载 下 使 用 ，同 时要 对 承载 力 系数 进 行 合 理 的 确 定 ，保 证 钢结 构 在 运 行 的过 程 中 有 一定 的承 载力 储 备 ； （ ３） 在 钢 结构 的 延 性 设 计 中 还 有 一个 重要 的设 计 指 标 就 是 变 形 比例 系 数 ，其 能 保 证 钢 结 构 在 运 行 的过 程 中有 足 够 的变形 能力 储备 。 通 过 分 析 可 以 看 出 ，大 跨 度 建 设 下 的 钢 结 构 的 设计 中 ， 主要 的设 计 思 路 就 是 对 体 系 中 的 非 线性 材料 、几 何 非 线 性 等 进 行 计 算 分 析 ，得 到荷 载 与应 力 、应 变 及 位 移 表 示 的 全过 程相 关 曲线 ，从 中 得 到 钢 结 构 的 破 坏 变 形 、屈 服 变 形 、破 坏 荷 载 、屈 服 荷 载 等 各 种 性 能 参 数 ，并 进 行相 关 的安 全 设 计 性 能 控 制 指 标 的 分 析。 ３ 材料 及几 何非 线性 的计 算 在 大跨 度 建 设 下 的钢 结 构 的 设 计 发 展 过程 中 ，不 断 的 采 用 新 技 术 及新 型 的 高 强度 材 料 ，这 使 得 在 建 设 的 过 程 中 能 够 达 到越 来 越 大 的跨 度 ，且 建 筑 物 的重 量 也 在 逐 渐 的减 轻 ，在 钢 结 构 到 达 响应 的屈服 荷 载之 前 ， 能够 具有 较 大的 变形 ， 表 现 出一 定 的几 何 非 线 性 性 质 ，因 此在 进 行 大 跨 度 建 设 下 的 钢 结 构 的 承 载 力分 析 时 ，必 须 要 考 虑 到 其材 料及 几 何 非线 性 性 质 ，为 了确 定 钢 结 构 在极 限 载荷 的 作 用 下 的相 关 工 作 状 态 ，通 常会 在 分 析 中借 助 于 有 限元 方 法 对 钢 结 构 的 大位 移 弹塑 性 全 过 程 进 行 分 析 ，在其 全 过 程 中 的计 算 与 分 析 过 程 中 ，常用 的通 用 有 限 元 计算 软件 有 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 、Ｓ Ａ Ｐ ２ ０ ０ ０等 。 二 、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 ，
基于性能的大跨度钢结构设计研究
建材发展导向2018年第17期198基于性能的大跨度钢结构设计，主要是对连接点设计、构件设计以及结构体系设计。
设计人员须充分保证大跨度钢结构设计中重点研究内容，实现相关设计的规范性，并合理应用相应的计算机软件进行计算分析，确保大跨度钢结构设计的水平提升。
下文就对基于性能的钢结构设计思路进行分析，指出基于性能的大跨度钢结构设计研究内容，为大跨度钢结构的设计提供一定参考。
1 基于性能的钢结构设计思路分析就目前我国各类建筑技术的应用情况来看，基于性能设计方法，进行大跨度钢结构的设计，需要对钢结构本身特性进行明确分析，应用于科学工程设计理念，明确钢结构性能设计目标。
经过对钢结构进行严密分析发现，须对不同载荷作用下的钢结构的反应进行准确分析与判断，并对大跨度钢结构整体性能的进行有效判断，确保整体建筑结构的设计方案安全可靠。
在实际建筑结构的设计中，要重点考虑钢结构材料的延性性能，截取钢结构材料相应截面，对其进行钢结构受力屈服与基线荷载的判断，保证钢结构具有较好的延性性能，避免因超过极限承载力出现形变较大的问题，使其表现出较好抗变形能力。
总之，在大跨度钢结构的实际结构设计中应当充分保证结构材料延性性能设计，提升大跨度钢结构的设计水平，推动我国建筑行业进一步发展。
2 大跨度钢结构的设计类型分析2.1 网架结构分析网架结构作为一种大跨度钢结构形式，现代建筑中被广泛应用。
网架结构在大跨度钢结构设计中有着十分明显的应用优势，其整体结构刚度比较大，相对形变比较小，现实中结构应力与应变比较均匀。
在大跨度网架结构的实际应用中，具有较强的承载力，有效的降低了建筑结构的整体自重，因此，网架结构在大跨度钢结构中的应用十分普遍，在很大程度上提升了大跨度钢结构的设计水平。
2.2 金属拱壳结构分析在大跨度钢结构的结构设计中，金属拱壳结构又称为弯窿结构，常见于古希腊建筑中，很大程度上启示了现代建筑的设计。
金属拱壳结构因其良好的结构密切联系能力，能较大的延伸与拓展了建筑结构的内部空间，形成大空间结构。
大跨度钢连廊舒适度分析
大跨度钢连廊舒适度分析吕佳【摘要】Introduces the floor vibration calculation by pedestrians and comfort evaluation standard,adopted finite element software to calculate the natural frequency and the acceleration of the large-span steel corridor which was under the pedestrian loads. The analyzing results indicate that the natural frequency and the acceleration meet the limitation of the Chinese code.%介绍了人致楼板振动计算理论及舒适度评价标准，采用有限元分析软件，计算分析了某工程大跨度钢结构连廊的自振频率和人行荷载下的加速度，结果表明：连廊自振频率和加速度响应都满足我国规范的限值要求。
【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2016(042)014【总页数】3页(P30-31,32)【关键词】连廊;大跨度;舒适度;时程分析【作者】吕佳【作者单位】华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002【正文语种】中文【中图分类】TU391随着我国大规模的土木建设，各类建筑拔地而起，建筑楼盖中的振动舒适性问题越来越引起人们的重视，且楼盖的舒适性问题若出现在工程竣工后，则解决的难度和代价往往很大。
本文采用有限元分析软件对大跨度钢结构连廊的自振频率和人行荷载下的加速度进行了计算，结果显示连廊自振频率和加速度响应都满足我国规范的限值要求。
自从20世纪70年代，国外一些学者就已对振动舒适度问题进行了部分研究，但直到20世纪90年代开始，国内外专家才将舒适度标准用于建筑结构的楼板设计。
大跨度公共建筑屋面钢结构选型与设计
首先是要将大尺度的结构在造型上充分的体现 出来 ，在古代时候 ， 也 是存在 着一些大跨度建筑 的， 比如说 ， 古罗马的万神庙大 穹顶就是这种 结 构的一个 典型 的代表 ， 但是在当时的时代， 大跨度结构都是建设在里 面上， 所 以从视觉上来讲 ， 这种大 跨度的特征也 没有得到十分充分 的体现 ， 但 是 在那 个时候， 人们就 已经意 识到在大跨度建 筑当中， 大跨度 的地方和外 部 造型并不是外部造型和 内部造型简单组合所产 生的视觉效果 ， 那个 时候 的 人类对大尺度和大跨度的事物本身就存在 着一定的敬畏感， 在大跨度建筑 物面前 ， 人 们会 感 觉 到 自 己很 渺 小 很 卑 微 ， 因 为 这 些 建 筑 都 是 人 类 制 造 出 来 的， 所 以也 会 感 到 人 类 智 慧 的 伟 大 。 ２ ． ２ 实 用 耐 久 结构 的实用性和耐用性是对建筑最为基本 的要求 ， 对耐用性 的要求 是 非常 高的， 首先是建筑 的造 型一定要体现 出非常强的合理性 ， 不能设计 那 些没有必要的结构。 不 同的使用功能对建筑空间设计的要 求也存在 着非 常
目标年 ２ ０ ２ ０年满足年旅客吞吐量 ３ １ ０ ０万人次， 典型高峰小时里 可以得 到
国 际航 空运 输 协 会 认 可 的 ｃ级 服 务 水准 。 ２大 跨 度 选 型 关 键 因 素 ２ ． １造 型 美 观
体系采用钢管混凝土柱＋ 树形支承钢柱系统。主楼顶层出发大厅的钢管 混 凝土框架柱 网沿航 站楼纵横 向均为 ３ ６ ｍ的柱距，柱顶 的四根 树形支承钢 柱再将 ３ ６ ｍ的钢管混凝土柱网转换成为 中部 １ ８ ｍ的网格，树形支承柱顶 支承 双 向倒 三 角 形 空 间 钢 管 桁 架 系 统 （ 即 桁 架 支 点双 向 间距 为 １ ８ ｍ） 。
带BRB的大跨度空间钢桁架结构减震性能分析
带BRB的大跨度空间钢桁架结构减震性能分析王秀丽;乔丽梅【摘要】以大跨度空间钢桁架结构为研究对象,考虑钢桁架屋盖与支承结构共同工作,采用非线性时程分析的方法,研究屈曲约束支撑在整体结构中的应用及减震效果.通过对不同的BRB布置方案进行分析得出:BRB的布置方式直接影响其对整体结构的减震效果.仅在上部桁架中设置BRB时,减震效果有限;在下部支承结构中设置BRB可有效减小结构水平位移和钢桁架杆件的内力.综合考虑减震效果和经济因素,对于大跨度空间钢桁架整体结构,在下部支承结构中合理布置BRB,减震效果理想.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2015(041)005【总页数】5页(P120-124)【关键词】大跨空间钢桁架;整体协同工作;屈曲约束支撑;减震性能【作者】王秀丽;乔丽梅【作者单位】兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050;西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050;西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TU312;TU391Key words: large-span spatial steel truss structure; overall cooperative work; buckling restrained braces; damping performance近30年来，中国空间结构蓬勃发展，其建筑形式丰富多彩，建造数量居世界之首，相应的理论研究也逐步完善.曹资、张毅刚等[1]对双层圆柱面网壳在地震作用下的反应进行了研究，结论表明网壳内力随跨度增大而增大，随厚度增大而减小.薛素铎、王健宁等[2]对钢网壳弹塑性地震反应进行分析，表明网壳杆件在强震作用下进入塑性，杆件屈服将造成其他杆件内力重分布.张超等[3]对钢网壳屋盖与混凝土支承体系整体工作性能进行分析，得出对钢网壳屋盖按固定铰支简化模型计算结果很不安全，必须考虑下部支承结构的共同作用.江磊、吴长等[4-5]把屈曲约束支撑应用于柱面网壳的抗震中，并对其减震效果进行研究，结果表明屈曲约束支撑可有效减小网壳杆件内力及关键节点位移.然而，目前的这些研究多以网壳结构为研究对象，而对空间桁架结构形式的研究并不多，且目前空间结构整体工作性能的研究模型多以独立柱代替整个下部支承体系，无法真实反映实际下部支承体系与钢屋盖结构的动力相互作用.由此可见，大跨度空间结构的整体工作理论和抗震性研究尚不成熟，仍有待进一步开展.本文研究以一大跨度空间钢桁架结构为分析对象，结构下部支承体系为5层钢筋混凝土框架，通过在该结构中布置屈曲约束支撑(简称BRB)改变结构的抗震性能.在强震作用下对不同BRB布置方案做非线性时程分析及对比，研究BRB对整体结构的减震性能，为今后的工程设计提供参考.原始空间结构能量平衡方程为：空间结构中加入BRB后能量平衡方程为式中：Ei表示地震过程中输入结构体系的总能量；分别表示结构体系的弹性应变能；分别表示结构体系的动能；分别表示结构体系粘滞阻尼耗能；分别表示结构体系滞回耗散的能量；Ed表示屈曲约束支撑吸收耗散的能量.由式(1)可知，输入到结构中的能量分为4部分.在这4部分能量中，结构的弹性应变能Ee和动能Ek只能进行能量的相互转化，并不参与耗能；结构体系粘滞阻尼耗能Ec只占总能量的5%左右，因此能量的耗散主要依靠于结构自身的滞回耗能Eh. 因此对比式(1,2),有关系式：滞回耗能因结构变形而引起，因此屈曲约束支撑的耗能能力的大小Ed将直接影响结构抗震性能的优劣(或结构的破坏程度).屈曲约束支撑的耗能大小可用滞回曲线包络图来衡量，滞回曲线越饱满，滞回环数越多说明其所耗散的地震能量越多，主体结构越安全.屈曲约束支撑所耗散的能量为式中：n、ψ分别表示屈曲约束支撑的总数和同时工作系数，ψ一般取0.4~0.6；m表示屈曲约束支撑滞回循环数，工程中保守设计取为50；Edi表示单个屈曲约束支撑循环一周所耗散的能量.以结构动力响应峰值缩小比率来衡量BRB对大跨度空间桁架结构的减震性能，由β表示减震率：式中：U1表示不带BRB的结构动力响应峰值；U2表示带BRB的结构动力响应峰值.以敦煌国际会议中心2号楼1区初设结构为工程背景.该结构为地上5层，钢筋混凝土框架结构，建筑高度51.4 m.屋盖采用4坡的空间钢桁架轻钢屋面，纵向6榀，横向9榀，4条屋脊处各1榀，仅横向中间榀两端无柱支承.每榀桁架悬挑8.4 m，钢构件材质为Q345-B,杆件截面尺寸均按初设尺寸大小.图1为本工程的整体三维模型.采用大型通用软件ANSYS进行模拟分析.梁柱的模型单元采用Beam188；板单元采用Shell63；上部钢桁架全部采用相贯节点，故同样采用Beam188单元；所有荷载及自重均等效为节点集中质量，采用Mass21单元；BRB采用Link180单元.桁架中BRB内核屈服强度为100 MPa，下部支承结构中所加BRB内核屈服强度为160 MPa.杆件材料本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Von Mises屈服准则，钢材的弹性模量取为2.06×1011N/m2，采用瑞利阻尼，整体结构的振型阻尼比取为0.035.进行8度抗震设防烈度下的动力弹塑性分析，选用三向的EL-Centro地震波模拟地震作用，峰值加速度取为400 Gal；三向峰值加速度比值为1∶0.85∶0.65，时间间隔为0.02 s，总持时12 s.BRB对整体结构减震效果的影响，其中主要的一个方面在于支撑的布置位置，不同的支撑布置位置将对结构产生不同的影响.本文BRB的3种具体布置方式见图2.通过对整体结构模型的弹塑性时程分析可知，各榀桁架的杆件受力规律大致相同：下弦杆动内力较大，上弦杆次之，腹杆受力适中，悬挑段杆件动内力要比非悬挑端小的多.对非悬挑部分下弦杆来说，轴力由顶部至支座逐渐增大；对上弦杆来说，轴力峰值大致出现在顶部到支座处的1/4及3/4处；对腹杆来说，支座部位的杆件受力较大，其余区域受力相对较小.考虑到BRB屈服强度低，承载力较弱，不宜替换受力较大的上下弦杆，同时为了结构安全，直接和支座相连的腹杆亦不宜用BRB来替换，所以替换靠近支座处的腹杆[6-7].故方案1在上部钢桁架中布置BRB，除四周边榀外的其余各榀每榀替换4根杆件，以⑤轴横向半榀为例示意，粗实线为BRB，采用等截面替换.由于桁架水平向位移主要是由下部支承结构的附加惯性效应引起，因此方案2、3是在下部支承结构中布置BRB，采用双向对称布置，支撑竖向连续，屈服承载力取为1 800 kN.方案2：x向第3、5跨，y向第2、4跨间设置BRB1单斜撑.方案3：x、y方向均在中间跨设置人字撑BRB2.上部各榀桁架对称分布，各榀受力规律大致相同，因此以横向中部榀为例说明.从表1和图3数据可知，方案1水平向位移基本无变化；方案2、3水平向位移明显减小，方案2减震效果优于方案3，但差别不大.方案2的x、y向位移减震率分别达到了19.31%、35.82%，水平向位移峰值显著降低.由图4可见，方案1位于非悬挑部分节点的竖向位移明显增加，最大值由45.86 mm增至59.37 mm，悬挑部分节点的竖向位移变化微小.主要是由于替换的BRB杆件屈服强度低，承载力低，降低了竖向刚度.方案2与方案3对非悬挑部分节点的竖向位移影响不大，部分节点的竖向位移有所减小，但峰值处位移并未减小；悬挑部分节点的竖向位移显著减小，且方案2效果好于方案3，位移减震效果最大达到24.33%.从位移减震效果来看，在下部支承结构中布置BRB效果要好于在上部桁架中布置BRB，且方案2比方案3效果稍好.在整个时间历程的不同时刻各杆件的轴力变化不同，因此取杆件轴力最大时刻的荷载子步数据作分析，以横向中部榀为例.由图5滞回曲线可知BRB可有效地耗散地震能量，其耗散能量的大小可按式(4)计算，滞回曲线越饱满说明其所耗散的地震能量越多，主体结构越安全.由图6可见，对于上弦杆来说，原结构杆件轴力均在550 kN以内，轴力峰值位于杆4和杆9，方案1对于杆4和杆9轴力减震率β分别达到5.39%、5.90%；方案2对于杆4和杆9轴力减震率β分别达到8.21%和16.74%；方案3对于杆4和杆9轴力减震率β分别达到8.34%和7.68%.对于下弦杆来说，原结构的轴力均在950 kN以内，明显大于上弦杆轴力，峰值位于杆6，方案1、2、3对于杆6的轴力减震率β分别达到了2.18%、20.26%、14.23%.对于腹杆，原结构杆件轴力均在450 kN以内，峰值位于支座处腹杆，无论哪种方案对支座处腹杆轴力均没有减震效果，方案1反而使支座处竖向腹杆受力增大.对于顶部腹杆1~11，各方案均体现出了不同的减震效果，以方案2减震效果最为明显，方案2对腹杆2的轴力减震率达到27.34%.图7为上、下弦杆轴力最大杆件轴力时程对比曲线.从轴力减震效果来说，方案2、3优于方案1，而方案2效果最好.各方案分析结果表明：在上部桁架中加入屈曲约束支撑对下部支承结构基本没有影响；在下部支承结构中加入BRB可有效地减小多层结构的层间位移角[8-9].方案2、3对层间位移角的减震效果基本相同，方案2略好，故仅以方案2效果作说明.表2、3分别为方案2在x、y向的层间位移角与原结构对比结果.位移角减震率同样以β表示.由表2、3可看出y向的层间位移角减震率优于x向的层间位移角减震率.x、y向的层间位移角减震率均在顶层(第5层)达到最大.x向位移角减震率最大达到33.43%；y向位移角减震率最大达到42.08%.位移角的显著减小表明在下部结构中加入BRB可有效地减小主体结构遭受破坏的程度.以敦煌文化论坛国际会议中心2号楼1区工程的初步设计方案为工程背景，对屈曲约束支撑在大跨度空间钢桁架整体结构中的减震效果进行研究，通过不同的屈曲约束支撑布置方案对比分析，可以得到以下几点.对于大跨空间钢桁架结构，在钢桁架屋盖结构中设置BRB减震效率低，在下部支承结构中布置BRB对上下部结构都有显著的减震效果.在下部支承结构中设置BRB，对上部钢桁架x、y向最大位移减震率可分别达到19.31%、35.82%；对上弦杆、下弦杆和腹杆最大轴力减震率可分别达到16.74%、20.26%及27.34%，可见对受力最大的下弦杆减震效果明显.同时，下部结构各层层间位移角显著减小，x、y向层间位移角最大减震率可分别达到33.43%、42.08%.综合来看，在下部支承结构各向中部位置设置BRB单斜撑，无论是从减震效果还是从经济效应上都明显优于在上部桁架中设置BRB.【相关文献】[1] 曹资,张毅刚,赵伯友.双层圆柱面网壳的地震反应研究 [J].建筑结构,2000,30(4):42-45.[2] 薛素铎,王健宁,曹资,等.钢网壳弹塑性地震反应分析 [J].北京:北京工业大学学报,2001,27(1):50-53.[3] 张超.双层柱面网壳结构与下部支承体系的整体分析 [D].北京:北京工业大学,2000.[4] 王秀丽,江磊.防屈曲支撑在双层柱面网壳中的减震性能分析 [J].空间结构,2012,18(3):8-13.[5] 王秀丽,吴长,金恩平,等.新型双层球面网壳体系减震性能参数分析 [J].兰州理工大学学报,2009,35(4):111-116.[6] 殷占忠,王秀丽.带接触环的双钢管约束屈曲支撑的恢复力特征分析 [J]. 兰州理工大学学报,2010,36(2):93-97.[7] 吴长.约束屈曲支撑在大跨度双层网壳的减震性能分析 [D].兰州:兰州理工大学,2009.[8] 赵斌,叶献国,高鹏.屈曲约束支撑在中小学校舍抗震加固中的应用 [J].建筑结构,2011,41(s):152-154.[9] 胡大柱,尤毓慧,邵宏政.屈曲约束耗能支撑在教学楼加固工程中的应用 [J].工程抗震与加固改造,2009,31(6):88-92.。
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基于性能下大跨度钢结构设计的分析许霞
发表时间：2018-08-13T14:43:36.510Z 来源：《基层建设》2018年第19期作者：许霞[导读] 摘要：随着社会经济的发展和建筑施工技术的不断进步，大跨度钢结构在建筑工程中的应用越来越广泛，基于性能的大跨度钢结构设计也逐渐成为关注热点。
广州市设计院 510620
摘要：随着社会经济的发展和建筑施工技术的不断进步，大跨度钢结构在建筑工程中的应用越来越广泛，基于性能的大跨度钢结构设计也逐渐成为关注热点。
本文从基于性能的大跨度钢结构设计思路、大跨度钢结构性能设计以及几何非线性承载力的研究三个方面入手，对基于性能的大跨度钢结构设计展开论述，同时对基于性能下大跨度钢结构设计要点进行深入分析，希望能为相关设计工作的开展提供参考。
关键词：大跨度钢结构；性能设计；施工技术前言：大跨度钢结构在建筑工程中的广泛应用对于提高建筑结构的抗变形能力有着重要作用，但是由于大跨度钢结构比普通钢结构设计更为复杂，在实际设计过程中容易出现各种问题，所以需要在大跨度钢结构设计中严格遵循设计原则，正确选用科学的使用功能结构类型。
同时，为了进一步提高钢结构的作用效果，还需要在基于性能的大跨度钢结构设计实践过程中，结合实际情况对设计方案进行不断优化。
一、基于性能的大跨度钢结构设计概述（一）基于性能的大跨度钢结构设计思路从当前建筑工程中钢结构设计的应用情况来看，基于性能的大跨度钢结构设计是应用最为广泛的一类设计方法，通过对建筑工程中设计需要的以及钢结构自身的基本特性的综合考虑，利用科学性的设计理念和严格的结构分析标准，对建筑过程中钢结构的整体性能进行客观判断[1]。
从建筑工程整体设计方案的角度出发，基于性能的大跨度钢结构设计思路大致如下：（1）将钢结构中的某个横截面作为判断钢结构受力与基线荷载的基础；（2）重点关注大跨度钢结构设计中相关材料的延性性能；（3）在大跨度钢结构设计过程中应用充分考虑到结构荷载到达最大限度的同时，结构材料对于能量的吸收作用。
（二）大跨度钢结构性能设计
大跨度钢结构性能的设计主要是指通过利用工程方法对钢结构设计目标和设计方案的确立过程。
通常情况下，设计人员在进行大跨度钢结构性能设计时，会在充分掌握大跨度钢结构设计的实际性能需求的基础上，对其结构进行分析与计算，同时对大跨度钢结构在不同条件下的具体表现情况进行合理预测，从而帮助设计人员可以进一步了解大跨度钢结构的性能是否符合相关规定标准以及能否满足实际的设计需求，保证基于性能下大跨度钢结构设计方案的合理性与科学性。
（三）几何非线性承载力的研究
大跨度钢结构设计中几何非线性承载力的研究是随着科学技术的发展和建筑工程中高强度材料的广泛应用而出现的，目前国内建筑工程中关于大跨度钢结构的应用逐渐向着轻质量的方向发展。
从钢材料本身具有的特征与性能的角度考虑，钢结构设计在建筑工程整体中的应用在未达到屈服荷载之前，通常会出现一定程度的形变现象，进而呈现出较为明显的几何非线性性质。
针对这种现象，设计人员需要在大跨度钢结构设计过程中，不断加强几何非线性与材料非线性两者之间的耦合双重非线性考量，灵活的借助有限元方法来实现对钢结构中位移弹性过程的分析与计算，从而为设计人员提供精准可靠的钢结构设计全过程计算分析方案。
二、基于性能的大跨度钢结构设计要点（一）大跨度钢结构设计需要面对的问题大跨度钢结构与其他材料结构相比，在整体的性能与结构稳定性等方面占有一定的优势，当前建筑工程施工中应用的钢结构最大跨度已经达到了百米以上。
从当前材料市场的实际情况来看，钢材由于自身较强的实用性和多用性特点，其价格始终处于较高的位置，而建筑工程施工中的钢结构设计一般需要耗费大量的钢材，所以考虑到钢材材料价格和相关防火涂料价格相对较高的问题，设计人员会实际的设计中往往会延用传统的钢筋混凝土柱代替钢材，从而为建筑工程带来很大的安全隐患[2]。
此外，大跨度钢结构设计在建设过程中的应用虽然为建筑物的设计与施工提供了可靠的支持，但是由于当前针对大跨度钢结构设计还缺乏完善的参数研究，也会在很大程度上为基于性能的大跨度钢结构设计工作增添难度。
（二）基于性能的大跨度钢结构整体受力特性分析基于性能的大跨度钢结构整体受力特性的分析工作，主要目的是为了进一步提高建筑结构的合理性。
从传统的建筑工程钢筋混凝土柱与钢屋梁的设计方案分析来看，其拉杆设置显然存在很多问题，其中对于结构设计整体受力计算的不明确也会在很大程度上造成后期结构受力分析的难度增加。
因此，为了保证建筑工程结构设计的科学性，需要对大跨度钢结构整体受力特性展开必要的分析。
基于性能的大跨度钢结构受力特性分析大多依靠平面杆系计算软件来实现，具体操作流程如下：（1）充分掌握钢结构设计的实际需求，提出一个平截面假设，然后在不同构件持续受力的过程中保证平截面始终处于稳定不变的状态，同时严格控制杆件支架的夹角以及杆件受力过程中钢梁与钢柱之间夹角的位置不变；（2）在对门式钢架进行设计时，需要保持结构受力的合理性，在设置拉杆过程中应当尽量避免构件出现水平位移现象；（3）如果在受力分析过程中出现构件水平位移情况，会使软件计算结果与工程实际受力情况产生一定的误差，这时设计人员应用充分掌握计算误差与工程误差两种的差别，切实保证结构受力分析的准确度。
（三）大跨度钢结构设计中的构件性能设计基于性能的大跨度钢结构设计中的构件性能设计主要包括以下两个部分：第一，钢结构设计中构件承载力性能的设计。
从当前建筑工程施工中大跨度钢结构设计的实际作业情况来看，钢结构设计的整体稳定性与各个组成构件的实际性能和局部稳定性有着直接的关系[3]。
因此，为了保证大跨度钢结构设计的质量，设计人员在具体的设计操作过程中需要严格遵守相关设计规范进行，（比如现行规范GB50017-2003等），通过对钢结构设计中钢构件开展的经验式指导性设计，进一步提高钢构件的自身的稳定系数，从而为大跨度钢结构设计奠定坚实基础；第二，钢结构设计中的钢构件变形性能设计。
钢构件变形性能的设计需要遵循以下两种原则，一是不能对钢结构设计整体的实用性与美观性造成影响，二是需要将钢构件自身变形状态控制在额定范围之内。
（四）大跨度钢结构设计中的荷载类型设计
大跨度钢结构设计中的荷载类型设计主要分为永久荷载设计和可变荷载设计两种。
其中永久荷载主要是指大跨度钢结构体系中建筑物屋面覆盖材料的重量及屋盖结构的自身重量，建筑物屋面覆盖材料一般包括屋面板材料、屋面保温结构材料以及屋面防水层材料。
对于大跨度钢结构设计中永久荷载设计的重量计算，可以按照经验公式或者借助计算机软件程序。
为了保证永久荷载设计的科学性，在计算屋面覆盖材料重量时应该注意将屋面结构中的檩条重量和吊顶设备管道自身重量计算在内；大跨度钢结构设计中的可变荷载设计一般会根据建筑工程实际情况的不同而发生不同，大体可以从以下几个角度来进行：屋面活荷载、雪荷载、风荷载以及偶然荷载等等。
总结：综上所述，基于性能的大跨度钢结构设计对于提高建筑结构稳定性和保证建筑施工整体质量有着不可忽视的重要作用。
针对实际的设计过程中可能遇到的问题，需要从基于性能的大跨度钢结构整体受力特性分析、大跨度钢结构设计中的构件性能设计以及大跨度钢结构设计中的荷载类型设计几个方面着手，切实保证钢结构设计中每一个环节的合理性，从而在保障设计效果的同时，促进建筑行业的健康发展。
参考文献：
[1]王全胜.简要分析基于性能的大跨度钢结构设计[J].建筑知识，2017，37（02）：44+58.
[2]朱静.基于性能的大跨度钢结构设计探讨[J].建筑知识，2016，36（11）：32.
[3]林耀贵.基于性能的大跨度钢结构设计探讨[J].住宅与房地产，2016（15）：31.。