鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的注意事項

田甜

【摘 要】隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用，為了應(yīng)對愈來愈多的設(shè)計任務(wù)，這就對設(shè)計人提出了更高地要求。本文提出了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些注意事項，并對這些注意事項進(jìn)行分析，以方便設(shè)計人在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中減少設(shè)計問題的出現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；要點(diǎn)分析

文章編號：ISSN1006—656X（2013）09 -0104-02

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、施工快，造價高等特點(diǎn)，在我國主要用于大跨度、超高層、重型廠房及輕型結(jié)構(gòu)等方面。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展國家鋼產(chǎn)量的大幅增長和建筑技術(shù)的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)在我國建筑領(lǐng)域中的使用范圍在逐漸擴(kuò)大。對于廣大的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員將面臨一個設(shè)計任務(wù)繁多和設(shè)計任務(wù)多樣化和復(fù)雜化的設(shè)計市場。本文就一些鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的事項進(jìn)行講述。

一、明確鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計所涉及規(guī)范、規(guī)程及其相互關(guān)系

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中所涉及規(guī)范、規(guī)程總體上可分為三種：1.國家規(guī)范（GB），如《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）、《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018-2002）、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）等等；2.行業(yè)規(guī)程（JGJ）或地方規(guī)程（DBJ）有：《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-98）、《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010）等等；協(xié)會規(guī)程（CECS）有：《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（2012年版）》（CECS102：2002）、《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS212：2006）等等。

各規(guī)范、規(guī)程的使用等級及其中存在矛盾或不一致的條文的如何使用是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中原則性問題。規(guī)范、規(guī)程的使用等級從高到低依次為國家規(guī)范（GB）、行業(yè)規(guī)程（JGJ）或地方規(guī)程（DBJ） 、協(xié)會規(guī)程（CECS）。條文矛盾或不一致時，國家規(guī)范（GB）間，以最后頒布實施的為準(zhǔn)；國家規(guī)范（GB）與行業(yè)規(guī)程（JGJ）或地方規(guī)程（DBJ） 、協(xié)會規(guī)程（CECS）間的，凡屬行業(yè)或地方特點(diǎn)，而又嚴(yán)于國家規(guī)范的，以規(guī)程為準(zhǔn)，其余均以國家規(guī)范為準(zhǔn)；同一規(guī)范或規(guī)程中，如附錄、注等內(nèi)容與正文矛盾時，以正文為準(zhǔn)。

二、理解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限、設(shè)計基準(zhǔn)期和建筑壽命的概念

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限、設(shè)計基準(zhǔn)期和建筑壽命的區(qū)別。設(shè)計使用年限是在所規(guī)定的時期內(nèi)，對結(jié)構(gòu)只要進(jìn)行正常維修而不需要大修就能按設(shè)計目的使用、完成設(shè)計功能所應(yīng)達(dá)到的使用年限，對于鋼結(jié)構(gòu)建筑，各部分構(gòu)件的使用年限并非定值，其中主體鋼結(jié)構(gòu)，包含冷彎薄壁型鋼在內(nèi)使用年限較長，而作為圍護(hù)構(gòu)件的壓型鋼板防火防銹涂料等的使用年限較短。設(shè)計基準(zhǔn)期是設(shè)計過程中確定活荷載代表值選用的時間參數(shù)，如風(fēng)雪荷載可按10年50年和100年一遇的統(tǒng)計參數(shù)取值，結(jié)構(gòu)超過設(shè)計基準(zhǔn)期代表其失效概率增大。建筑壽命表示建筑物從規(guī)劃起到最終毀壞的全過程時間。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需明確給出建筑物的設(shè)計使用年限和設(shè)計基準(zhǔn)期，為建筑物竣工后的使用管理提供依據(jù)。

三、區(qū)分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。

承載能力極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或出現(xiàn)不適宜繼續(xù)承載的變形。正常使用極限狀態(tài)指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生安全破壞；對正常使用極限狀態(tài)，要結(jié)合建筑物的安全等級，使用功能等要求進(jìn)行有效地控制。既滿足建筑物的使用要求，又要兼顧建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

四、在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理選用鋼材

目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用的鋼材主要是Q235強(qiáng)度等級的B、C、D碳素結(jié)構(gòu)鋼和Q345強(qiáng)度等級的B、C、D、E低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。其中質(zhì)量等級B、C、D、E差別在于不同溫度時沖擊韌性指標(biāo)保證。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時要選用經(jīng)濟(jì)、合理的鋼材，根據(jù)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的控制選用不同強(qiáng)度等級的鋼材；對于需要驗算疲勞的鋼構(gòu)件如重級工作制吊車梁和中級、級工作制的吊車桁架等，應(yīng)根據(jù)工程所在地的最低日平均溫度和構(gòu)件的工作循環(huán)次數(shù)確定鋼材質(zhì)量等級。

五、單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計注意事項

1. 注意雪荷載的不均勻分布。2007年初春，遼沈地區(qū)遭遇了一場暴風(fēng)雪，風(fēng)力6～7級，陣風(fēng)9～10級，降水量49～78mm，積雪厚40～50cm，雪堆高達(dá)3～4m。而根據(jù) 當(dāng)時所使用的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001（2006版）第6.1.2條條文說明的規(guī)定，遼沈地區(qū)的雪荷載為0.5KN/m2，東北地區(qū)積雪密度為150kg/m3，換算成積雪厚度約為33cm。且因為初春季節(jié)氣溫較高，雪中夾雨，積雪交替融凍，造成落水管堵塞，加大了屋面的積雪厚度。本次暴風(fēng)雪造成了多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)單層廠房，尤其是門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的屋面坍塌、支撐或檁條彎折、斜梁斷開、梁柱分離、錨栓斷裂等事故，上述事故引發(fā)設(shè)備受損，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。事故產(chǎn)生的原因有兩方面，一是我國現(xiàn)有的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》來源于美國MBMA的相關(guān)手冊，荷載取值小，強(qiáng)度計算比值偏大，構(gòu)件截面偏弱，蒙皮效應(yīng)作用小。二是由于現(xiàn)有輕鋼結(jié)構(gòu)廠房均設(shè)有較高的女兒墻，在風(fēng)雪共同作用下，女兒墻附近積雪嚴(yán)重，事故中大部分廠房的破壞部位都集中在女兒墻附近。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時除要充分考慮到雪荷載的不均勻分布的影響；還要加強(qiáng)薄弱部位如女兒墻附近或落水管附近的構(gòu)造措施。另外，合理的屋面支撐布置也會減少事故的發(fā)生。有調(diào)查顯示，布置有縱向屋面支撐的輕鋼廠房破壞程度較未布置有縱向屋面支撐的輕鋼廠房破壞程度輕，甚至沒有明顯破壞，原因是在縱向屋面支撐兩端布置有通長系桿連接在剛架梁上，在屋面檁條受到破壞后，系桿對屋架的穩(wěn)定可以起重要作用。

2.注意單層廠房的溫度區(qū)段的分隔措施。隨著我國工業(yè)建筑規(guī)模的擴(kuò)大，近年來建成了一些特大面積的廠房，有的縱向長達(dá)數(shù)百米，有的橫向十余跨相連?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》有關(guān)溫度區(qū)段的分隔長度應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》或《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求?？v向溫度區(qū)段的分隔以雙柱伸縮縫為宜，對有托架的廠房，也可采用鉸接短鋼柱或吊掛鋼板支撐的構(gòu)造來實現(xiàn)雙柱伸縮縫?？v向溫度區(qū)段的分隔如采用雙柱伸縮縫會影響廠房的使用功能，以采用滑動支座的方法為宜。

3.注意單層廠房屋面支撐系統(tǒng)的布置。廠房屋面支撐系統(tǒng)保證了結(jié)構(gòu)在安裝和使用過程中的穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，控制了屋面桿件的平面外計算長度以較少桿件的截面尺寸。屋面支撐系統(tǒng)包括橫向支撐、縱向支撐、豎向支撐（僅用于梯形屋架）和系桿。屋面支撐構(gòu)件的布置應(yīng)遵循以下原則：a.屋面支撐系統(tǒng)構(gòu)件應(yīng)與屋面桿件或檁條組成幾何不變的桁架形式；b.設(shè)有縱向支撐的屋面必須設(shè)置橫向支撐，并將二者布置為封閉型。c.每個溫度區(qū)段或施工區(qū)段要設(shè)置獨(dú)立的、穩(wěn)定的支撐體系。d. 對傳遞縱向的風(fēng)荷載、吊車荷載及地震力的支撐應(yīng)使外力由作用點(diǎn)盡快傳遞到結(jié)構(gòu)的支座。e.屋面的屋脊和檐口位置應(yīng)沿廠房縱向通常設(shè)置剛性系桿（按壓桿設(shè)計）；f.跨度較大，高度較高，吊車噸位較大且工作級別較高的廠房應(yīng)設(shè)縱向支撐；g.地震區(qū)應(yīng)按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）的要求適當(dāng)增加支撐數(shù)量，并加強(qiáng)支撐節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度。

4.注意單層廠房柱間支撐系統(tǒng)的布置。廠房的柱間支撐保證廠房縱向的穩(wěn)定和空間剛度，承受廠房所受縱向的風(fēng)荷載、吊車荷載及地震力并傳至基礎(chǔ)，控制了柱的平面外計算長度以較少柱的截面尺寸。柱間支撐的設(shè)置除按規(guī)范要求滿足其上述功能外，還要注意與屋面支撐系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，與屋面支撐設(shè)在同一柱距內(nèi)。對于屋面支撐形式，應(yīng)首選十字形交叉支撐，這種支撐傳力直接、構(gòu)造簡單、用料省、剛度大；對于柱間距與支撐高度比值大于2的上柱支撐，可采用人字型或八字型支撐以減少用料；當(dāng)支撐位置處要考慮人員出入或放置設(shè)備，應(yīng)考慮空腹式門形支撐，但這種支撐用料費(fèi)、剛度差，所以柱間支撐，尤其是下柱支撐盡量設(shè)于無人員或設(shè)備的柱距處。

5.吊車梁設(shè)計應(yīng)注意支座的選用，因簡支結(jié)構(gòu)具有傳力明確構(gòu)造簡單施工方便等優(yōu)點(diǎn)，吊車梁一般設(shè)計成簡支結(jié)構(gòu)。吊車梁的支座形式分為凸緣式和平板式兩種，其中凸緣式支座因更接近于簡支構(gòu)造而被廣泛用于吊車梁的中間支座，平板式支座用于中間支座時，由于兩側(cè)吊車梁產(chǎn)生的反力差引起鋼柱產(chǎn)生平面外附加彎矩，當(dāng)?shù)踯嚵嚎缍容^大或吊車噸位較重時，附加彎矩對鋼柱及其柱下基礎(chǔ)影響較大，因此平板式支座一般只用于廠房的端頭支座或伸縮縫兩側(cè)的支座。

6.鋼結(jié)構(gòu)廠房特別是輕鋼結(jié)構(gòu)采用最多是錨栓式柱腳，因為其具有構(gòu)造簡單，傳力明確，節(jié)省材料，便于施工的特點(diǎn)。柱腳錨栓設(shè)計時只考慮其承受柱底彎矩作用，柱底水平力由設(shè)在柱底抗剪鍵承受?？辜翩I采用H型鋼或十字形鋼板，不宜采用角鋼或一字形鋼板?？辜翩I與基礎(chǔ)預(yù)留孔間要保證灌漿密實不得出現(xiàn)空隙，否則會造成抗剪失效。

六、鋼結(jié)構(gòu)制圖注意事項。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙分為設(shè)計圖和施工圖（或稱安裝圖）兩個階段，按設(shè)計審查的規(guī)定，作為設(shè)計人只做到設(shè)計圖的深度，施工圖應(yīng)由建設(shè)方委托的鋼結(jié)構(gòu)施工單位另行完成。做為設(shè)計人，應(yīng)提前向建設(shè)方介紹兩階段圖紙的區(qū)別，保證項目的進(jìn)度

七、結(jié)語

本文所列出的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常出現(xiàn)的問題、理解偏差等，示以結(jié)構(gòu)設(shè)計師進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，使設(shè)計人更清楚的認(rèn)識，理解鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容，繼而靈活地運(yùn)用規(guī)范規(guī)程進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作。

參考文獻(xiàn)：

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[2]邱鶴年.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計禁忌及實例》.北京， 中國建筑工業(yè)出版社.2009