钢结构设计原理与新发展

由于钢结构设计理论和计算技术的进步、钢材性能的提高、连接技术的发展、结构体系的创新和完善、抗风和抗震理论的进步，以及对具有多用途、多功能高层建筑的需求，近几十年来钢结构的发展很快。

1．结构用钢材的新发展

国内外在高性能钢材的应用方面取得不少新进展，其中包括高强度钢、高性能钢、低屈服点钢和耐火钢的开发和应用等。我国新修订的《钢结构设计标准》中增列了近年来已成功使用的Q460钢及《建筑结构用钢板》（GB/T 19879—2015）中的GJ系列钢材。其中的Q345GJ钢与《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591—2018）中的Q345钢的力学性能指标相近，二者在各厚度组别的强度设计值十分接近。因此一般情况下采用Q345钢比较经济，但Q345GJ钢中微合金元素含量得到控制，塑性性能较好，屈服强度变化范围小，有冷加工成型要求（如方矩管）或抗震要求的构件宜优先采用。符合现行国家标准《建筑结构用钢板》（GB/T 19879—2015）的GJ系列钢材各项指标均优于普通钢材的同级别产品。如采用GJ钢代替普通钢材，对于设计而言可靠度更高。同时，我国企业生产的屈服点达到 100 MPa 的低屈服点钢材，相当于日本的LY100钢，可用于抗震结构的耗能部件。有的企业正在研发高性能耐火钢，该钢即使加热到 600 °C 也能保持常温2/3以上的强度。

2．新型结构体系的应用和发展

近年来，全国各地修建了大量的大跨空间结构，网架和网壳结构形式已在全国普及，张弦桁架、悬挂结构也有很多应用实例；直接焊接钢管结构、变截面轻钢门式刚架、金属拱型波纹屋盖等轻钢结构也已遍地开花；钢结构的高层建筑也在不少城市拔地而起；适合我国国情的钢-混凝土组合结构、混合结构和预应力钢结构也有了广泛应用；目前很多地方都在建造索膜结构的罩棚和建筑小品……可以毫不夸张地说，我国已成了各种钢结构体系应用的主场地。

各种不同的结构体系各有所长，但生命力较强的结构体系均具有如下特点：

（1）必须是几何不可变的（除悬索、薄膜等张拉结构）空间整体，在各类作用的效应之下能保持稳定性、足够的承载力和刚度。

（2）应使结构材料的强度得到充分的利用，使自重趋于最小。

（3）能利用材料的长处，避免其短处。

（4）能使结构空间和建筑空间互相协调、统一。

（5）能适合本国情况，制作、安装简便，综合效益好。(www.xing528.com)

目前我国正在进行大规模的基础设施建设，许多大型复杂的钢结构工程的建设都正在进行中。选择先进合理的结构体系，既能满足建筑艺术需要，又能做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，就显得非常重要。目前有一种为追求建筑造型新奇、怪异，而不惜浪费钢材，采用笨重的结构形式的倾向是值得警惕的。

3．钢结构设计方法的新发展

目前我国采用的概率极限状态设计法的特点是，用根据各种不定性分析所得到的失效概率（或可靠指标）去度量结构的可靠性，并使所计算的结构构件的可靠度达到预期的一致性和可比性。但是该方法还有待发展，因为用它计算的可靠度还只是构件或某一截面的可靠度，而不是结构体系的可靠度，该方法也不适用于构件或连接的疲劳验算。

建筑结构的内力和变形可按结构静力学方法进行弹性或弹塑性分析，采用弹性分析结果进行设计时，截面板件宽厚比等级为S1、S2、S3级的构件可有塑性变形发展。结构稳定性设计应在结构分析或构件设计中考虑二阶效应。大跨度钢结构体系的稳定性分析宜采用直接分析法。结构整体初始几何缺陷模式可按最低阶整体屈曲模态采用，最大缺陷值可取 L/300，L 为结构跨度。构件的初始缺陷可按《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）第5.2.2条的规定采用。

4．BIM技术在钢结构中应用

目前，为了实现信息数字化管理，大部分的工程技术企业都开始应用BIM技术，BIM技术是数字化钢结构的基础，钢结构BIM平台的核心价值之一就是利用多种软件工具、多途径地解决钢结构工程信息共享问题。以钢结构三维模型为基础，从事不同岗位的工程管理人员可以从这个模型中获得各自需要的信息，既能指导实际工作，又能将设计信息、材料信息、构件制作信息、构件物流信息、构件安装信息以及工期、成本信息，甚至养护维修等信息更新到模型中，以可视化的方式，实现钢结构数字化管理，从而使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效共享，起到提升项目管理水平、缩短管理链条、提高效率、降低建造成本的作用。

5．单项工程呈大型化方向发展

随着我国整体建设水平的提高和结构用钢的性能提升，越来越多的结构采用了性能优良的钢结构作为主要结构形式，未来以琼州海峡大桥、渤海湾大桥等巨型跨度钢结构桥梁为代表的广泛的大跨径钢结构桥梁的应用，将使得我国的单项桥梁钢结构工程业务规模水平得到较大发展，单项工程呈现出大型化、规模化的趋势。

6．钢结构工程技术配套发展

大型钢结构工程建设是一个复杂的多专业、多施工单元所组成的联合作业过程。建设过程中对于每个单项工程都有严格的工程技术指标要求，对于钢结构工程来说，更是需要有高标准的工程技术水平，以满足大型钢结构整体性能及功能的实现。通常情况下，对于钢结构大节段制造技术、特定结构的组装焊接技术、拼装技术、大型节段运输技术、精确合龙技术等都有与其整体设计相适配的特有技术要求。随着钢结构工程的技术难度逐步加大，对钢结构工程的业内的技术水平也提出了较高层次的要求。