淺談建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題及改進(jìn)對(duì)策

趙 虹

（濟(jì)鋼集團(tuán)國(guó)際工程技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

由于在工程建設(shè)當(dāng)中，鋼結(jié)構(gòu)本身所具備的強(qiáng)度高、塑性韌性好、制作簡(jiǎn)便、施工工期短、工業(yè)化生產(chǎn)程度高等特性，在歐美等國(guó)家得到了迅猛的發(fā)展，并且也取得了一定的成就。改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)的鋼產(chǎn)量發(fā)展速度猛增，成為世界上的產(chǎn)鋼大國(guó)，與之相適應(yīng)，鋼結(jié)構(gòu)也得到了迅猛發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在中國(guó)的工程建設(shè)中日益得到重視。同時(shí)，建筑鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方面所存在的問(wèn)題，也受到了越來(lái)越多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的主要原則

1.1 經(jīng)濟(jì)性

進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為的是服務(wù)鋼結(jié)構(gòu)的施工與正常的使用，其目的在于創(chuàng)造效益。所以，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，“鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性”就是一大重點(diǎn)。

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之時(shí)，需要全面的考察與分析鋼結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性，只有達(dá)到最佳化的綜合效益，其鋼結(jié)構(gòu)體系方案才算合理。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)體系合理性的評(píng)價(jià)，不僅需要從耗鋼量的指標(biāo)入手，還需要對(duì)工期的長(zhǎng)短以及總體造價(jià)進(jìn)行全面的分析，當(dāng)然，也包含了早日投入到使用當(dāng)中所取得的效益。所以，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，除了對(duì)建筑材料供應(yīng)情況進(jìn)行考察之外，還需要對(duì)當(dāng)?shù)氐闹圃炫c安裝水平等方面做好系統(tǒng)的分析，并且與業(yè)主之間的交流也是不容忽視的一大環(huán)節(jié)。

1.2 剛?cè)岵?jì)

在建筑結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)看，其合理性離不開(kāi)剛?cè)岵?jì)。所以，一旦鋼結(jié)構(gòu)過(guò)于剛而缺少變形能力，在遭受強(qiáng)大的破壞力時(shí)，就很容易導(dǎo)致局部出現(xiàn)受損，最終影響到整體結(jié)構(gòu)；如果鋼結(jié)構(gòu)過(guò)柔，雖然可以消減外力的作用，但是很容易出現(xiàn)過(guò)大的變形，最終導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)整體傾塌。一直以來(lái)，剛?cè)岬某潭榷际菍＜矣懻摰闹攸c(diǎn)環(huán)節(jié)，但是如今也僅僅對(duì)控制指標(biāo)給出了規(guī)范限值，并未制定出精確的標(biāo)準(zhǔn)，這就需要設(shè)計(jì)人員針對(duì)具體工程項(xiàng)目以及工作經(jīng)驗(yàn)確定出最佳化的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)深度不夠

部分設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)不夠合理，設(shè)計(jì)過(guò)于保守，用鋼量過(guò)大，造價(jià)過(guò)高。存在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)構(gòu)造不合理、制造不方便等設(shè)計(jì)缺陷，給施工帶來(lái)了極大的困難，這些都是我們目前亟待解決的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)水平、設(shè)計(jì)質(zhì)量、設(shè)計(jì)人員素質(zhì)等問(wèn)題。

一些設(shè)計(jì)人員不考慮設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，盲目增加設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和安全等級(jí)。正是這種不科學(xué)的畏懼心理造成了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件過(guò)大、投資資金大量增加，使得工程投資加大并進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)費(fèi)，設(shè)計(jì)院得到實(shí)惠卻不承擔(dān)任何因工程浪費(fèi)而造成的法律責(zé)任，可見(jiàn)這種設(shè)計(jì)體制已經(jīng)不再適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)。

2.2 防火、防腐蝕問(wèn)題

鋼材具有耐熱不耐火的特點(diǎn)，一旦溫度高于400℃，鋼材的屈服強(qiáng)度只有室溫下強(qiáng)度的一半，一旦溫度超過(guò)了600℃，鋼材的剛度以及強(qiáng)度就會(huì)全部的喪失。因此，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑物來(lái)說(shuō)，火災(zāi)是最大的危害，如果建筑物沒(méi)有良好的防火措施，一旦遇到火災(zāi)，就容易損壞建筑。設(shè)計(jì)規(guī)定鋼材表面溫度超過(guò)150℃后即需加以隔熱防護(hù)，對(duì)有防火要求者，更需按相應(yīng)規(guī)定采取隔熱保護(hù)措施。

鋼材容易銹蝕，因此，處于較強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)內(nèi)的建筑物不宜采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼材料如果長(zhǎng)時(shí)間受到雨水、大風(fēng)等自然力的影響，也會(huì)出現(xiàn)老化生銹的情況，這樣也會(huì)降低本身的承載能力，影響其美觀。在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中，做好鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕工作具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。為了減輕或防止鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，目前國(guó)內(nèi)外基本采用涂裝方法進(jìn)行防護(hù)，應(yīng)用最多的是采用防護(hù)層的方法防止金屬腐蝕。常用的保護(hù)層有：金屬保護(hù)層、化學(xué)保護(hù)層和非金屬保護(hù)層。鋼結(jié)構(gòu)在涂裝前應(yīng)徹底除銹，除銹及涂層厚度均應(yīng)符合要求。

2.3 物理問(wèn)題

鋼材具有良好的導(dǎo)熱性，這是一個(gè)普遍的知識(shí)。想要室內(nèi)室外的鋼材料都擁有良好的保溫效果，就需要考慮到：建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸收熱量，通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將一部分熱量傳遞到室內(nèi)；通過(guò)窗戶，進(jìn)入到室內(nèi)，通過(guò)室內(nèi)表面的吸收，從而產(chǎn)生良好的熱效果。另外，鋼板對(duì)于聲音也有反射作用。在音樂(lè)廳這一類建筑設(shè)計(jì)中，除了材料的考慮之外，還需要包含強(qiáng)度、吸聲性能、吸濕性能等多個(gè)方面。當(dāng)前，吸聲結(jié)構(gòu)和吸聲材料是音質(zhì)設(shè)計(jì)以及噪聲控制當(dāng)中最為有效的解決方式。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)對(duì)策

3.1 鋼結(jié)構(gòu)的形式與布置

鋼結(jié)構(gòu)主要有框架、平面桁架、網(wǎng)架、索膜、輕鋼以及塔桅等結(jié)構(gòu)形式，都擁有自身的特點(diǎn)，所以，我們需要根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行合理的選型。

例如：在輕鋼廠房的建設(shè)時(shí)，需要大量的移動(dòng)荷載與懸掛荷載，所以，我們就可以盡量地選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，摒棄門式鋼架。也就是說(shuō)，在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí)，需要進(jìn)行針對(duì)性分析。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的布置，也需要考慮到其體系特征、性質(zhì)以及荷載分布情況等，一般要求剛度均勻，力學(xué)模型清晰，盡可能限制大荷載或動(dòng)載的影響范圍，使其以最直接的路線傳力。

3.2 合理的選擇截面

在鋼結(jié)構(gòu)的形式與布置得以確定之后，就需要初步進(jìn)行構(gòu)件截面的估算。最主要的是對(duì)梁柱截面、支撐斷面尺寸和形狀的假定。

根據(jù)支座以及荷載的具體情況，鋼梁截面高度一般選擇在跨度的1/50～1/20之間。為了避免復(fù)雜的鋼梁整體穩(wěn)定性的計(jì)算，也可以根據(jù)梁間側(cè)向支柱的間距按照1/b限值對(duì)于翼緣的寬度加以確定。根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比值，可以進(jìn)行柱截面的預(yù)估，一般所選取的λ值在50～150之間。根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理的選擇安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的構(gòu)件截面。

3.3 結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件設(shè)計(jì)

保證結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的穩(wěn)定性,是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須予以充分注意的問(wèn)題。梁是結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件, 在進(jìn)行梁的設(shè)計(jì)時(shí),一般要驗(yàn)算強(qiáng)度和穩(wěn)定；柱主要受軸線力、壓力，常常是壓彎構(gòu)件，有些情況是拉彎構(gòu)件。

歸于構(gòu)件的設(shè)計(jì)，首先要進(jìn)行材料的選擇。一般來(lái)說(shuō)，Q235和Q345是最常用的材料。如果考慮到工程管理，一般都會(huì)采用單一鋼種在主結(jié)構(gòu)上，如果考慮到經(jīng)濟(jì)角度，其截面組合就需要考慮到不同強(qiáng)度的鋼材。

例如：在偏向于穩(wěn)定控制時(shí)，可以選擇Q235；在偏向于強(qiáng)度控制時(shí)，可以選擇Q345。當(dāng)前，由于程序技術(shù)的飛速發(fā)展，一些結(jié)構(gòu)軟件能夠全面的進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，我們不僅需要對(duì)優(yōu)化后的截面做好調(diào)整使其達(dá)到合理的截面標(biāo)準(zhǔn)，還需要考慮到計(jì)算長(zhǎng)度的參數(shù)定義，模型的建立等數(shù)據(jù)。

3.4 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

如果沒(méi)有在結(jié)構(gòu)分析前充分地考慮節(jié)點(diǎn)的形式，就容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析模型中的節(jié)點(diǎn)與設(shè)計(jì)中的節(jié)點(diǎn)形式不完全相同形式。根據(jù)結(jié)構(gòu)傳力特點(diǎn)的不同，我們可以將節(jié)點(diǎn)分成為剛接、鉸接和半剛接，這是需要我們特別注意的。在節(jié)點(diǎn)的選用時(shí)，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的連接形式需要準(zhǔn)確的進(jìn)行判斷，以求達(dá)到設(shè)計(jì)的合理與安全。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮施工人員現(xiàn)場(chǎng)操作與吊裝安裝方便等現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，其勻質(zhì)、高強(qiáng)、施工速度快、抗震性好和回收率高等優(yōu)越性，以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu)，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，建筑鋼結(jié)構(gòu)市場(chǎng)前景廣闊。我們需要不斷地提升鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，優(yōu)先采用合理的鋼結(jié)構(gòu)體系，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和工程造價(jià)的性價(jià)比，完善鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，提高鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用。

[1]GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]祝耀林，程碧錢，何邦洲.淺析現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)[J].民營(yíng)科技，2009（08）：75-79.

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