關于鋼結構工程設計問題的分析

曹明芝

摘 要：鋼結構建筑其實很早就出現(xiàn)在了歷史上，舉世聞名的法國埃菲爾鐵塔就是采用鋼結構建造而成的。只是在當時的情況下，鋼鐵產(chǎn)量尚不高，鋼鐵冶煉技術也不是很成熟，不能應用普及到眾多的日常建筑里面。所以在其初期，鋼結構的應用多是以建筑零件諸如部分配件，部件，連接件等，早在十九世紀初期人們就已經(jīng)開始使用熟鐵建造房屋和橋梁，其發(fā)展歷史更比鋼筋混凝土悠久，一直到二十世紀六十年代鋼結構建筑理論飛速發(fā)展與創(chuàng)新，才產(chǎn)生了現(xiàn)代鋼結構工藝的建筑。

關鍵詞：鋼結構 ?設計 ?分析

1.鋼結構工程設計問題分析

1.1設計方法方面

我國鋼結構建筑的設計步驟主要是：依據(jù)彈性方法計算鋼結構各構件內(nèi)力;依據(jù)彈塑性方法驗算鋼結構構件的極限承載力。由于鋼結構達到極限狀態(tài)時，就會進入彈塑性變形階段，會造成結構內(nèi)力的重分布，按現(xiàn)在的方法設計，不能保證構件承載力可靠度的一致性。

1.2鋼結構體系方面

鋼結構工程低于6層的，可采用框架一支撐或框架體系，高于6層的采用框架一砼剪力墻或框架支撐體系;框架柱有H型鋼柱、鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱。在6層以下鋼結構工程中，組合柱要比H型鋼柱型要省鋼;鋼支撐比剪力墻的延性高，在地震等級高時延性高的地震力小，延性差的地震力大，從抗高等級地震的性能來說，鋼支撐比砼剪力墻好;鋼框架一混凝土剪力墻體系屬混合結構，抗震性方面目前研究還不夠，選用時應慎重。

1.3鋼結構樓板設計方面

樓板不僅承受豎向荷載并將其傳給框架，還將水平力傳到柱上，因此樓板的強度、承載力和整體性都十分重要。作為鋼結構工程要求，樓板還應考慮隔音要求;目前鋼結構工程上，壓型鋼板組合樓板，現(xiàn)澆樓板等應用較多;震級較高的震區(qū)或重要鋼結構，在柱的設計方面，因考慮在柱子的周邊宜設置鋼箍筋，以免高水平力破壞樓板。

1.4鋼結構抗震設計方面

1.4.1設計反應譜問題

地震記錄儀構造使得很多大于3秒的強震被削弱，因此計算的反應譜不真實，而建設部人為調整的譜曲線來保證鋼結構安全性的抗震設計，可靠性需進一步驗證。

1.4.2彈塑性地震反應計算問題

目前我國沒有高層鋼結構彈塑性地震反應計算程序，缺乏空間彈塑性地震反應分析軟件。

1.4.3鋼一砼結構高跨設計問題

我國是一個多地震國家，國際上沒有這方面的研究，需要解決抗震設計原則、設計指標和設計方法。

1.5鋼結構節(jié)點和支撐構造方面

1.5.1節(jié)點設計

鋼結構設計中重要的內(nèi)容是連接節(jié)點的設計，應該在結構分析前對節(jié)點的形式進行充分思考和確定。必須避免最終設計的節(jié)點與結構分析模型中使用的形式不完全一致的情況。此外，節(jié)點設計還必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構件吊裝順序。

1.5.2焊接

焊縫的尺寸及形式應嚴格遵守規(guī)范：選用的焊條應與金屬材質相適應。焊接設計不得任意加大焊縫。焊縫與被連接構件重心應盡量接近。

1.5.3梁腹板

栓孔處腹板的凈截面抗剪性能應進行驗算。承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。

1.5.4拼接

柱應通過小懸臂與梁拼接，梁拼接大部分采用翼緣焊接腹板拼接，也可采用全截面螺栓連接。拼接設計時，腹板要考慮彎矩。

1.5.5厚度

用外加勁肋和內(nèi)隔板進行梁與鋼管混凝土柱的剛性連接，但鋼管壁板與隔板或環(huán)板的厚度應相互匹配。

2.鋼結構建筑的設計

鋼結構建筑的設計是鋼結構成功地運用實例。為保證鋼結構建筑合理有效的產(chǎn)生，良好精確的設計是至關重要的?，F(xiàn)代鋼結構設計最為關鍵的兩大步驟是正確選擇結構方案和正確計算結構的截面高度。

2.1鋼結構預算的設計

鋼結構的設計需要十分準確的計算估計。以國家大劇院為例，國家大劇院由法國建筑師保羅·安德魯主持設計，設計方為法國巴黎機場公司。國家大劇院建筑屋面呈半橢圓形，其結構：212m×143m，跨度>100m，結構方案選屋蓋空間結構網(wǎng)殼。

2.2鋼結構建筑整體與局部精細設計

建筑的設計不僅僅在于外觀上的美感，還在于建筑間的互相協(xié)調能力。鋼結構建筑也是建筑的一種，它在具有鋼結構建筑特殊性的同時也具有普通建筑的一般性。所以在滿足鋼結構特個性設計的同時，也必須滿足一般建筑的共性。因而在設計鋼結構建筑的時候，為力求建筑形象和建筑功能的完美結合的同時，設計復雜化和工程精細化也更加嚴苛。

2.3鋼結構的穩(wěn)定設計

鋼結構建筑的穩(wěn)定性是鋼結構建筑設計的重難點，盡管針對設計而言他并不是需要考慮的前置條件，但是卻是日后維護的重中之重，故而在建筑設計時，對其穩(wěn)定性的設計也是著重的對象。鋼結構建筑的失穩(wěn)分為整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。

2.4鋼結構穩(wěn)定性設計需注意的問題：

2.4.1、目前的鋼結構建筑多用于跨度較大的建筑結構，整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定維持一個相對的狀態(tài)，桿件牽涉整體設計時，需從整體穩(wěn)定人手。

2.4.2對于日常其他設計，除須考慮結構的整體性，還需要考慮其他的設計點。因為目前的設計分析穩(wěn)定性的時候，多采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)引用的某一個范圍區(qū)間作為其結構參數(shù)、負荷的計算點。而在實際操作過程中，由于結構參數(shù)的不穩(wěn)定性，造成結構具有相對誤差性。

2.4.3考慮建筑的穩(wěn)定新的時候，還需考慮鋼結構材料的彈性、贏利疊加等多方面因素。通常建筑使用的混凝土的計算公式在此時將不能運用。因為對于鋼結構材料而言，其應力疊加應滿足這兩個條件即材料服從虎克定律應變成正比和結構的變形很小。

3.結語

鋼結構工程是以鋼材制作為主的結構，是主要的建筑結構類型。鋼結構已愈來愈廣泛地被應用在國內(nèi)外高層建筑及大跨度結構中，鋼結構將是未來結構發(fā)展的主流方向。然而，鋼結構施工還存有不少問題亟待研究解決，如何做到設計合理、經(jīng)濟適用、施工安全將是留給廣大科研設計施工人員永遠的問題。