談?wù)劷ㄖ摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賽福鼎·乃吉木

（新疆有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

對(duì)建筑工程施工時(shí)，首先要判斷此建筑是否可以進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)。以免進(jìn)行施工準(zhǔn)備或施工已經(jīng)進(jìn)行后還要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，浪費(fèi)大量的時(shí)間、人力和資金。建筑的鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)通常適用于機(jī)械化程度高、建筑高度大、使用空間嚴(yán)酷（高溫、封閉、震動(dòng)）的建筑項(xiàng)目。

2 結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)布置

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程主打“概念設(shè)計(jì)”牌，概念設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)的整個(gè)過(guò)程中都是異常重要的。它確定了整個(gè)建筑形態(tài)的方向，透過(guò)把握全局來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目靈感體驗(yàn)。通過(guò)力學(xué)關(guān)系的對(duì)比、鋼材結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)整合和細(xì)節(jié)上的實(shí)際考量來(lái)達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)前期設(shè)計(jì)的方案比較和甄選。目前，已經(jīng)有一些針對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)正常與否的軟件投入到工程的設(shè)計(jì)中，給設(shè)計(jì)提供了很大的幫助，避免人工手算失誤的發(fā)生，還能解決結(jié)構(gòu)分析階段繁瑣的數(shù)據(jù)計(jì)算。

建筑鋼結(jié)構(gòu)通常分為框架、平面(桁)架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等幾種結(jié)構(gòu)。在對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的選型確定時(shí)，一定要根據(jù)各項(xiàng)目特點(diǎn)的不同，分析實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。遇到有較大負(fù)重的荷載時(shí)要放棄門式鋼架而采用鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形態(tài)。我國(guó)有雪地區(qū)，應(yīng)把雪壓也計(jì)算在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。屋頂要符合重力墜落曲線標(biāo)準(zhǔn)。大跨度的建筑要對(duì)覆蓋屋頂構(gòu)建進(jìn)行拉索或索膜結(jié)構(gòu)的建立。如果項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)允許，可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架布置支撐結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)期的經(jīng)濟(jì)性要比簡(jiǎn)單的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)框架好的多。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外加巨型SRC柱的組合來(lái)應(yīng)對(duì)地震帶的建筑項(xiàng)目，盡量避免圖一時(shí)資金投入少而采用核心筒外加框形式。

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)使結(jié)構(gòu)受力路線清晰且可以以最接近直線的路線將受力傳給地基支撐。鋼結(jié)構(gòu)在布置上要遵循結(jié)構(gòu)剛度勻稱，力學(xué)分布平穩(wěn)，最大限度減少荷載的影響。鋼結(jié)構(gòu)抗力的支撐住間距要適中，且設(shè)置多道防線以背意外發(fā)生，核心撐柱的受力應(yīng)至少占總受力的20%。

3 截面的選擇

在對(duì)建筑項(xiàng)目進(jìn)行完鋼結(jié)構(gòu)的形式確定后，就要開始著手下一步驟，鋼結(jié)構(gòu)截面的初步估算，截面的選擇主要是針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撐柱和撐面進(jìn)行工程施工前的尺寸設(shè)定和形狀假設(shè)。

鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時(shí)，可回避鋼梁整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。

柱截面按長(zhǎng)細(xì)比預(yù)估。通常50<λ<180，簡(jiǎn)單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同,可選擇鋼管或H型鋼截面等。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在外形選擇上沒有固定的規(guī)范，一切遵循保質(zhì)前提下靈感概念的迸發(fā)。

4 結(jié)構(gòu)分析

目前鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析，條件允許時(shí)考慮P-Δ，p-δ。有些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能，這為更精確的分析結(jié)構(gòu)提供了條件。

典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊(cè)之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)通過(guò)手算進(jìn)行分析，復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行程序并做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

5 構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)建設(shè)計(jì)也要考慮材料的合理性，取材上一般選擇Q235和Q345兩種。由于對(duì)工程管理便捷的追求，剛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主體時(shí)常把材料限定在一種材質(zhì)上，但是如果出于經(jīng)濟(jì)情況上的考量，也有很多施工單位將不同材質(zhì)鋼構(gòu)件強(qiáng)強(qiáng)組合的用于施工，強(qiáng)度上的要求以Q345為主，穩(wěn)定性的要求上以Q235為主。

當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件,都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步,一些軟件可以對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行截面優(yōu)化，我們僅做的就是對(duì)優(yōu)化后的截面稍加調(diào)整并進(jìn)行程序自動(dòng)驗(yàn)算，直至合理，如PKPM中的STS等。這是常說(shuō)的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。但要注意，利用結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)一定要注意模型的建立和參數(shù)定義，尤其是柱及梁的平面內(nèi)、外計(jì)算長(zhǎng)度。

6 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一。應(yīng)該注意的問(wèn)題是最終的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常與結(jié)構(gòu)模型中使用的形式不完全一致。按傳力特性不同，節(jié)點(diǎn)有剛接、鉸接和半剛接，有些人往往會(huì)會(huì)忽略掉后者，所以在選用節(jié)點(diǎn)時(shí)一定要正確判定節(jié)點(diǎn)的連接形式，從而做到設(shè)計(jì)的安全性、合理性。

連接節(jié)點(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計(jì)和實(shí)際受力設(shè)計(jì)兩種常用的方法，初學(xué)者可偏安全選用前者，我們可以比較方便的查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中焊縫及螺栓連接數(shù)據(jù)。當(dāng)然也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來(lái)自動(dòng)完成。

對(duì)于焊接節(jié)點(diǎn)，對(duì)焊縫的尺寸及形式規(guī)范有強(qiáng)制規(guī)定，應(yīng)嚴(yán)格遵守。如焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng)：E43對(duì)應(yīng)Q235，E50對(duì)應(yīng)Q345，Q235與Q345連接時(shí)應(yīng)該選擇低強(qiáng)度的E43，而不是E50。焊接設(shè)計(jì)中不得任意加大焊縫，焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近。

對(duì)于栓接節(jié)點(diǎn)，普通螺栓抗剪性能差，可在次要結(jié)構(gòu)部位使用。高強(qiáng)螺栓的使用日益廣泛，常用8.8和10.9兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，根據(jù)受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型，兩者計(jì)算方法不同，規(guī)格常用M16~M30，超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重使用。

連接板可簡(jiǎn)單取其厚度為梁腹板厚度加4mm，然后驗(yàn)算凈截面抗剪等。梁腹板應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪性能，承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓。

還要注意構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)安裝可能性的問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場(chǎng)焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。

7 圖紙編制

圖紙的繪制，是鋼結(jié)構(gòu)施工的基本開始，有了精準(zhǔn)的圖紙?jiān)侔磮D索驥，建設(shè)施工就很容易了。建筑的鋼結(jié)構(gòu)圖紙由設(shè)計(jì)圖和施工圖兩部分組成。先由專業(yè)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再由鋼結(jié)構(gòu)的專業(yè)制造單位進(jìn)行施工詳圖的繪制。但是近年來(lái)，由于專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)工程師的供不應(yīng)求和鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)的與日俱增，很多鋼結(jié)構(gòu)制造單位也開始參與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙的繪制。這已經(jīng)是一個(gè)很普遍的現(xiàn)象，這里就不多加以贅述了。

[1]謝妍，賈茹.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題[J].民營(yíng)科技，2011（03）.

[2]邵大衛(wèi).建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及其規(guī)范[J].建設(shè)科技，2010（10）.