談門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃 欣

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

我國門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的應(yīng)用和研究起步較晚，但是隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展空間將進(jìn)一步擴(kuò)大，如今技術(shù)已趨于成熟。作為設(shè)計(jì)人員，要堅(jiān)持“適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的方針，為我們的生活創(chuàng)造更好的生活環(huán)境。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則是結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則是確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、合理和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是確定合理的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系，使建筑物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)既能滿足使用功能、工藝要求，同時(shí)又具有足夠的安全度，且具有良好的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)體系是建筑物的重要組成部分，建筑結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)都必須遵守技術(shù)政策和設(shè)計(jì)規(guī)范。1)適用性。結(jié)構(gòu)體系的“適用”原則是針對(duì)結(jié)構(gòu)體系的功能要求而言的，結(jié)構(gòu)體系適用性與建筑物的適用功能有密切聯(lián)系。建筑物是個(gè)綜合體，其設(shè)計(jì)與施工是由多個(gè)專業(yè)共同完成的，結(jié)構(gòu)專業(yè)僅為其中的一員，要滿足“適用”原則，必然要聯(lián)系其他多個(gè)專業(yè)。結(jié)構(gòu)體系支承各專業(yè)的不同荷載，同時(shí)又與各專業(yè)的設(shè)備、設(shè)施、管線等相連。結(jié)構(gòu)專業(yè)在民用建筑中應(yīng)盡可能滿足建筑要求，從某種意義上說，結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)與建筑的方案設(shè)計(jì)是同步進(jìn)行的;在工業(yè)建筑中，則應(yīng)同時(shí)滿足工藝設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)的雙重要求;從本質(zhì)上講是為了滿足使用要求。2)經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)服務(wù)于結(jié)構(gòu)的施工與使用，使用的目的是為了創(chuàng)造效益。公共建筑側(cè)重于社會(huì)效益，工業(yè)建筑則側(cè)重于經(jīng)濟(jì)效益。因此，“經(jīng)濟(jì)性”是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面。“經(jīng)濟(jì)性”原則應(yīng)從總體上加以分析，不能僅從某一方面孤立地去考察。在很長一段時(shí)間內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以耗鋼量為標(biāo)準(zhǔn)，即耗鋼量低就是先進(jìn)的設(shè)計(jì)、是好的結(jié)構(gòu)體系或形式，這在鋼材匱乏的年代，是節(jié)約鋼材的一種重要手段，然而，總體而言，單純以耗鋼量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是不全面的，也不盡合理。對(duì)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋，全面評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)體系的合理性應(yīng)綜合考慮用鋼量、加工制作費(fèi)、安裝費(fèi)、施工周期及基礎(chǔ)費(fèi)用等。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行深入分析和全面的考察，只有綜合效益最佳的方案或結(jié)構(gòu)體系才是合理的。3)美觀性。一般情況下，“美觀”被認(rèn)為是建筑設(shè)計(jì)師所關(guān)注的一個(gè)重要原則，實(shí)際不盡然，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣要遵循“美觀”原則。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，“美觀”的原則可解讀為設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使結(jié)構(gòu)桿件的布置和截面選擇“和諧、對(duì)稱”。在概念設(shè)計(jì)階段尤其要注意“美觀”的原則，鋼結(jié)構(gòu)的桿件一般比較纖細(xì)，整體結(jié)構(gòu)具有堅(jiān)實(shí)、輕盈和靈巧的特征，對(duì)于其中的一些構(gòu)造桿件如按實(shí)際需要設(shè)計(jì)，則可能會(huì)比較細(xì)長，在結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，如構(gòu)件的計(jì)算長度過大等，則會(huì)出現(xiàn)截面過于粗大、笨拙的情況，從而失去鋼結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)工程師往往不重視結(jié)構(gòu)的美觀問題，在結(jié)構(gòu)體系布置與構(gòu)件設(shè)計(jì)中僅從工程計(jì)算的角度出發(fā)，這種觀點(diǎn)和做法是不全面的?！斑m用、經(jīng)濟(jì)、美觀”是概念設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本原則，通過上述內(nèi)容的闡述，為明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的和任務(wù)創(chuàng)造了條件。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定合理的結(jié)構(gòu)方案;施工圖設(shè)計(jì)包含結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)分析、構(gòu)件截面校核與節(jié)點(diǎn)、施工圖繪制等工作;施工詳圖是構(gòu)件加工制作的依據(jù)。

2.1 初步設(shè)計(jì)

在初步設(shè)計(jì)階段，應(yīng)確定結(jié)構(gòu)體系的布置方案。雖然門式剛架的基本結(jié)構(gòu)體系已確定，但由于剛架結(jié)構(gòu)系平面結(jié)構(gòu)體系，其空間布置有諸多技術(shù)問題需注意:首先是結(jié)構(gòu)的平面布置，主要目的是選擇合理經(jīng)濟(jì)跨度與柱距，跨度與柱距直接影響結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，在確定跨度與柱距時(shí)既要考慮剛架的單位面積用鋼量，同時(shí)還應(yīng)考慮輔助構(gòu)件如檁條、墻梁的耗鋼量。其次，在結(jié)構(gòu)平面布置確定后，則必須確保結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性主要通過支撐和剛性系桿得以實(shí)現(xiàn)，確?？臻g穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)原則是使結(jié)構(gòu)幾何穩(wěn)定、傳力路徑明確快捷。第三，選擇合理的節(jié)點(diǎn)連接方式和構(gòu)件截面形式，節(jié)點(diǎn)的連接形式直接影響施工周期的長短，截面形式的選擇應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的材料供應(yīng)情況與加工制造水平。

2.2 施工圖設(shè)計(jì)

1)結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)分析。結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)分析的主要工作是確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形。主要步驟為:根據(jù)概念設(shè)計(jì)確定的結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合構(gòu)件的受力狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特征，建立結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的作用效應(yīng)分析。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和結(jié)構(gòu)分析軟件發(fā)展水平的不斷提高，結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)分析一般均采用電算程序。

2)構(gòu)件截面校核和節(jié)點(diǎn)承載力驗(yàn)算。截面校核的任務(wù)是驗(yàn)算構(gòu)件的承載力是否滿足要求。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，尤其是存在壓應(yīng)力的構(gòu)件，通常由穩(wěn)定性決定其承載力。構(gòu)件截面校核包括強(qiáng)度、變形、整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性等方面的內(nèi)容，合理的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能提高構(gòu)件的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮構(gòu)件的承載能力，提高穩(wěn)定性的關(guān)鍵是使構(gòu)件具有適當(dāng)?shù)拈L細(xì)比，因此構(gòu)件截面形式和自由支撐長度對(duì)構(gòu)件的穩(wěn)定性有直接的影響。

3)施工圖繪制。施工圖是構(gòu)件制作、安裝的技術(shù)資料和依據(jù)。一般來說，施工圖包含圖紙目錄、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明、結(jié)構(gòu)平面布置圖、結(jié)構(gòu)立面圖、結(jié)構(gòu)剖面圖、節(jié)點(diǎn)詳圖等內(nèi)容，在鋼結(jié)構(gòu)說明中，應(yīng)注明建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限、鋼材牌號(hào)、連接材料的型號(hào)(或鋼號(hào))和對(duì)鋼材所要求的力學(xué)性能、化學(xué)成分及其他的附加保證項(xiàng)目。此外，還應(yīng)注明所要求的焊縫形式、焊縫質(zhì)量等級(jí)、端面剖平頂緊部位及對(duì)施工的要求。

為便于施工詳圖的繪制，結(jié)構(gòu)施工圖中的主剛架剖面圖中還應(yīng)給出柱端反力和梁柱連接處的節(jié)點(diǎn)力。由于鋼結(jié)構(gòu)工程一般存在施工詳圖繪制階段，因此對(duì)圖面標(biāo)示要求更高。結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)應(yīng)能給構(gòu)件加工和安裝提供所有的必要信息，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須要摒棄“圖中未盡事宜在技術(shù)交底時(shí)解決”的陋習(xí)。

2.3 施工詳圖繪制

施工詳圖主要是為了構(gòu)件的加工制作，而對(duì)結(jié)構(gòu)圖按構(gòu)件進(jìn)行“拆”圖，施工詳圖一般由鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)完成，也可由設(shè)計(jì)單位提供。施工詳圖繪制最主要的任務(wù)是確保構(gòu)件尺寸準(zhǔn)確，為放樣提供依據(jù)，同時(shí)還應(yīng)注意構(gòu)件拼接位置的確定。

總之，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同階段具有各自的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面把握其中的主要矛盾，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，采用合理的技術(shù)措施，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)安全、耐久、美觀和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。