高層建筑鋼結構應用設計中的質量控制

雷圣義

湖北華頂建筑工程有限公司技術部（431700）

越來越多的標志性鋼結構建筑，已經(jīng)足夠證明我國的鋼結構建筑無論從設計施工，還是從設計到鋼結構件的工業(yè)生產(chǎn)加工，專業(yè)鋼結構設計人員的素質在實踐中得到不斷提高。如上海金茂大廈、深圳賽格大廈，上海盧浦大橋，跨長江輸電鐵塔，鳥巢國家體育中心，首鋼鋼結構廠房建筑等等許多彩鋼結構體系的重要工程，標志著建筑鋼結構正向高層重型和空間大跨度鋼結構發(fā)展。

1 鋼結構的特點

1.1 優(yōu)點

鋼結構構件較小，質量較輕，便于運輸和安裝，便于裝拆、擴建。適用于跨度大、高度高，承載重的結構。鋼材的材質均勻，質量穩(wěn)定，可靠度高；鋼材的強度高，塑性和韌性好，抗沖擊和抗振動能力強；鋼結構工業(yè)化程度高，工廠制造，工地安裝，加工精度高，制造周期短，生產(chǎn)效率高，建造速度快；鋼結構抗震性能好；用于施工的鋼結構構件可以是行工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝，可以大大縮短施工周期；空間大：由于鋼材的抗壓、抗側彎強度均為混凝土的1.5倍，因此在相同強度的條件下可以縮小截面從而增大了有效空間；可循環(huán)利用:鋼結構建筑物的施工材料可以實現(xiàn)鋼材再生利用，同其它結構建筑物相比減少了大量的建筑垃圾[1-2]。

1.2 缺點:耐腐蝕和耐火性差

鋼材的導熱系數(shù)遠大于鋼筋混凝土的導熱系數(shù)，其耐火性能遠差于混凝土結構，在溫度達到600℃時，鋼結構基本喪失了其全部的剛度和強度。因此在鋼結構建筑設計中結構抗火被視為重要一環(huán)；由于鋼材表面的鐵原子與空氣中的氧化合生成氧化鐵銹，銹蝕能夠引起應力集中，危害鋼結構的使用安全，使鋼結構提前破壞，因此對鋼結構進行有效的防腐才能確保其使用年限。

2 原材料鋼材供應的質量控制

進場的鋼材應檢查質量合格證明文件、中文標志及檢驗報告,對下列情況之一的鋼材應進行抽樣復驗:1）國外進口材料。2）鋼材。3）建筑結構等級為一級大跨度中主要受力構件所采用的鋼材。4）設計有復驗要求的鋼材。5）對質量有疑義的鋼材。

3 鋼結構設計中的質量控制

3.1 鋼構件的焊接

必須從焊接準備，施工過程和成品檢驗各個環(huán)節(jié)做好質量控制工作。目前鋼結構加工生產(chǎn)單位絕大部分采用自動弧焊機，僅在個別部位采用手工焊接，重點檢查焊接問題較多的手工焊縫，如:焊瘤、夾渣、氣孔、咬邊、焊縫厚度不足等現(xiàn)象，質量控制要點包括檢查焊接原材料出廠質量證明書、檢查上崗證(焊工)、督促進行必要的焊接工藝試驗、施焊過程中加強巡視檢查、嚴格檢查焊縫的外觀質量和督促進行焊縫的探傷檢驗。

3.2 鋼結構建筑的防火設計質量控制

鋼結構在火災烈焰下,構件溫度迅速升高，而鋼材的屈服強度和彈性模量卻急劇下降，結構變形迅速增大，最終導致結構倒塌。因此需要對鋼結構中的梁、柱、支撐等承重構件和組合樓蓋體系的壓型鋼板作防火處理。常見的處理方式有防火板包裹，防火噴涂，復合防火等。目前應用最多、最方便的是噴涂防火涂料。目前防火涂料成本高達鋼結構工程成本的20%，是鋼結構防火設計中亟待解決的主要問題。

3.3 鋼結構建筑的防腐設計質量控制

鋼材如果長時間暴露在室外受到風雨等自然力的侵蝕，必然會生銹老化，其自身承載力會下降，建筑的美觀也會受影響。因此防腐問題也是需要解決的常見問題，目前的做法主要是采用新型防腐和構造材料。但是目前的防腐技術最多能保證20年左右，對于常規(guī)設計基準期為50年的建筑而言，后期第二次防腐處理是相當困難的，尤其是一些前期隱蔽工程。所以鋼結構防腐需要一次徹底的技術革新。

4 鋼結構建筑的穩(wěn)定性質量控制

穩(wěn)定性質量控制是鋼結構設計中的一個突出問題[3]，在各種類型的鋼結構設計中，都會遇到穩(wěn)定問題。鋼結構中的穩(wěn)定問題也是鋼結構設計中亟待解決的主要問題，一旦出現(xiàn)鋼結構的失穩(wěn)事故,不但對經(jīng)濟造成嚴重的損失,甚至會造成人員的傷亡,這方面的教訓也很多。所以我們在鋼結構設計中，一定要把好這一關。目前，鋼結構中出現(xiàn)的失穩(wěn)事故大多是由于設計者的經(jīng)驗不足，對結構及構件的穩(wěn)定性能不夠清楚，對如何保證結構穩(wěn)定缺少明確的認識，造成結構設計中出現(xiàn)不應有的薄弱部位。因此,在設計中應該明確鋼結構穩(wěn)定的一些基本概念，才能更好地處理鋼結構的穩(wěn)定問題。

4.1 圍護結構中檁條的設計

檁條通常是風荷載作用下對工況起控制作用，設計時常忽略驗算風吸力作用下的穩(wěn)定，導致大風時很容易失穩(wěn)破壞。為了保證風吸力作用下的整體穩(wěn)定，通常在檁條之間設置拉條。計算中已考慮拉條的作用而施工圖中忽略了布置拉條或拉條布置不當都將導致檁條失穩(wěn)破壞。正確的拉條布置位置是根據(jù)計算結果在檁條上下翼緣附近，在上下穩(wěn)定均需要拉條約束時，也可設一根拉條從一檁條的下翼緣處連接于相鄰檁條的上翼緣處。在實際工程設計中有些設計者對屋面或墻架最上端檁條的側向支撐，如拉條、斜拉條、撐桿能正確設置，但對中間墻面或屋面，如門窗洞口、屋面風機開孔處、屋面天窗(采光窗)等處，經(jīng)常只設拉條，而漏設斜拉條和撐桿等,根本無法將拉條上的拉力傳至承重結構上。其根本原因是對拉條、斜拉條、撐桿的傳力作用及途徑不清楚，同時也是對規(guī)范條文只知其然，不知其所以然，從而給圍護結構的設計帶來安全隱患。

4.2 隅撐的設計

設置隅撐是保證梁柱構件整體穩(wěn)定的主要措施，隅撐間距是梁柱計算時確定的，大小規(guī)格也需通過計算確定。若因特殊原因不能設置隅撐，應采取可靠措施保證梁柱翼緣不會因失穩(wěn)而屈曲，否則存在安全隱患。所以在輕鋼結構和多高層框架結構的一些關鍵部位均要設計隅撐。

4.3 鋼構件的抗扭設計

對于一般鋼結構構件(除箱形截面外)，其抗扭的能力是較弱的，截面面積完全相同的工字形截面和箱形截面梁，其扭轉常數(shù)之比為1∶500，最大扭轉剪應力之比近于30∶1。且受扭構件的受力狀態(tài)復雜，除因彎矩產(chǎn)生的彎曲正應力、剪應力外，還要承受因扭轉產(chǎn)生的正應力和剪應力，處于這種復雜受力狀況的構件支座處理也很困難。因此在實際的工程設計中，通常是從結構布置上盡量避免使構件受扭，或采取各種有效的措施阻止其受扭。若無法避免時宜采用閉合式的箱形截面梁。

4.4 柱腳的錨栓設計

規(guī)范規(guī)定,鋼結構柱腳錨栓按承受拉力計算，水平力由柱腳底板與混凝土的摩擦或設置底板抗剪鍵來承受，錨栓不得承受水平力。目前設計師一般按設計軟件的信息設計抗剪件，基本能保證規(guī)范要求，但是對于抗剪件的設計和計算卻缺乏相應的規(guī)定。另外，對有些承受拉力柱腳的錨栓設計目前也沒有相應的設計規(guī)定。

5 結語

“鋼結構是環(huán)保住宅，鋼結構符合可持續(xù)發(fā)展概念”——21世紀鋼結構將占領廣闊的建筑市場。在我國目前大力推廣住宅產(chǎn)業(yè)化的時代背景下，鋼結構體第必將成為住宅體系的主流。展望未來，隨著經(jīng)濟等建筑物的需求十分旺盛。這將為鋼結構的發(fā)展提供更多機會，鋼結構產(chǎn)來興旺的新局面就在眼前?，F(xiàn)在我國鋼結構已進入一個新階段，有關規(guī)范和標準已出臺，國內鋼產(chǎn)量充足，為鋼結構住宅的發(fā)展提供了較好的物質和技術基礎[4-5]。應及時把握其發(fā)展趨勢，結合我國國情，積極借鑒并吸納國外成熟技術，注意各專業(yè)間的相互配合，促進鋼結構住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相信我國鋼結構住宅的發(fā)展前景是美好的。

[1] 陳昌民,劉志平.工程質量監(jiān)控與通病防治全書[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,1998:639～650.

[2] 戎建開.鋼筋焊接質量通病及防治[J].山西建筑,2004,30(3):36～37.

[3] 申立林.鋼結構工程施工監(jiān)理要點探討[J].山西建筑,2007,33(31):215～216.

[4] 中國建筑監(jiān)理協(xié)會.建設工程監(jiān)理規(guī)范[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[5] 冶金工業(yè)部建筑研究總院.鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范[M].北京:中國計劃出版社,2001.