淺析鋼結(jié)構(gòu)多高層設(shè)計中應(yīng)注意的若干問題

王輝

【摘 要】在建筑工程施工中，鋼結(jié)構(gòu)因為自身強度高、延性好等優(yōu)勢，在建筑領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，設(shè)計是建筑的靈魂所在，因此加強鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計方法，具有極其重要的意義。同時，為了確保城市建設(shè)的有序發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全，各種建筑結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)就顯得尤為重要。本文就此闡述多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計；加固

引言

在經(jīng)濟以及科技水平不斷發(fā)展的今天，各種新材料新技術(shù)不斷地應(yīng)用到建筑工程中。在建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)建筑逐漸成為建筑工程中的主流產(chǎn)品。近年來，鋼結(jié)構(gòu)更加廣泛應(yīng)用于公共建筑中，我國目前不僅能生產(chǎn)各種類型的建筑鋼材，同時鋼材生產(chǎn)的新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品日益也增多，使建筑結(jié)構(gòu)充滿現(xiàn)代化時代氣息，實際證明鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國更具有廣闊的發(fā)展前景。

1、鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點

1.1 預(yù)工程化程度高降低建設(shè)成本低、縮短工期

與傳統(tǒng)的磚混、混凝土等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)建筑不同，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有一定的預(yù)工程化，使得材料的加工和安裝一體化，大部分鋼結(jié)構(gòu)在出廠時已生產(chǎn)完畢，在施工現(xiàn)場只需要利用合適的連接方式將鋼結(jié)構(gòu)進行組合安裝，提高了施工速度，縮短建筑工程施工周期大約40%，可以使建筑工程更早投入使用。鋼結(jié)構(gòu)建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)使材料不同、形狀不同、制造方法不同的建筑構(gòu)配件可以通用和互換，進一步提高了建筑預(yù)工程化。由于鋼結(jié)構(gòu)自身就可以作為韌性結(jié)構(gòu)承擔(dān)結(jié)構(gòu)載荷和施工載荷，因此在鋼結(jié)構(gòu)建筑施工時不需要支橫、拆模，這也在一定程度上降低了建筑的施工費用。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)建筑的跨度更大，高度更高

鋼材的內(nèi)部組織比較均勻，近似于各向同性的勻質(zhì)體，自重輕，強度也高。鋼材的密度/強度的值比磚石、混凝土、木材均小很多，這樣在受力相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)可以做成跨度更大、高度更高、結(jié)構(gòu)更加靈活的結(jié)構(gòu)體系。到目前為止，世界上已經(jīng)擁有建造跨度超過1000m的超大穹頂和高度大于1000m小于4000m的超高層建筑的能力。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)建筑更具有功能化、更加美觀

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼結(jié)構(gòu)的形體、構(gòu)件和節(jié)點在一定程度上決定建筑的形象。建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計與功能要實現(xiàn)一體化，這樣建造出來的建筑才更富功能化，才能創(chuàng)造出藝術(shù)與技術(shù)并存的建筑。鋼結(jié)構(gòu)建筑可以掙脫結(jié)構(gòu)的約束，斜線、曲線在鋼結(jié)構(gòu)建筑造型中的應(yīng)用創(chuàng)造出更多新奇、優(yōu)美的建筑形象。

鋼結(jié)構(gòu)建筑強大的造型潛力是磚混、混凝土結(jié)構(gòu)建筑無法實現(xiàn)的。由金屬構(gòu)件與玻璃板共同組成的建筑物的外圍結(jié)構(gòu)成為玻璃幕墻，玻璃幕墻一般有兩種：框支承玻璃幕墻和點支式玻璃幕墻，其中點支式玻璃幕墻形式多種多樣，變化無窮，具有良好的工藝性和藝術(shù)性，使建筑看上去更加美觀。

2、多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)成功地運用實例。為保證鋼結(jié)構(gòu)建筑合理有效的產(chǎn)生，良好精確的設(shè)計是至關(guān)重要的。現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計最為關(guān)鍵的兩大步驟是正確選擇結(jié)構(gòu)方案和正確估計結(jié)構(gòu)的截面高度。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)算的設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要十分準(zhǔn)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(shè)計，設(shè)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(jié)構(gòu)：212m×143m，跨度>100m，結(jié)構(gòu)方案選屋蓋空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼。但在上機前，結(jié)構(gòu)師把結(jié)構(gòu)的截面高度選得太大，用鋼量高達292kg/m2。根據(jù)1963年美國教授史密斯（Smith M.G）對166個已建大跨度屋蓋進行的回歸分析，這種跨度的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量不超過80kg/m2。故而在采取建設(shè)的時候，需對其精確核實才能避免錯誤產(chǎn)生。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)建筑整體與局部精細設(shè)計

建筑的設(shè)計不僅僅在于外觀上的美感，還在于建筑間的互相協(xié)調(diào)能力。鋼結(jié)構(gòu)建筑也是建筑的一種，它在具有鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特個性設(shè)計的同時，也必須滿足一般建筑的共性。

由于鋼結(jié)構(gòu)的特殊性，通常在建造鋼結(jié)構(gòu)建筑的時候，會導(dǎo)致部分細節(jié)部位出現(xiàn)偏差或者裸露在外。因而在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)建筑的時候，為力求建筑形象和建筑功能的完美結(jié)合的同時，設(shè)計復(fù)雜化和工程精細化也更加嚴(yán)苛。

鋼結(jié)構(gòu)建筑具有牽一發(fā)而動全身的特點，每一個細節(jié)設(shè)計、制作、完成都有可能牽涉到整體的形成和完善。有的時候為了體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)建筑獨特的金屬感，而將其部位、部件裸露在外。這樣會更加增加建筑的難度。因而在對鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計時，細節(jié)的把握是至關(guān)重要的。對整個建筑而言，細節(jié)的較高質(zhì)量將會帶來更好地整體效果，為人們展示更美好的形象。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的重難點，盡管針對設(shè)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(shè)計時，對其穩(wěn)定性的設(shè)計也是著重的對象。鋼結(jié)構(gòu)建筑的失穩(wěn)分為整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。

整體失穩(wěn)是通過對整體框架構(gòu)建的穩(wěn)定作為探討的，在計算時可以通過長細比穩(wěn)定系數(shù)帶入進行驗證；而局部失穩(wěn)則是框架構(gòu)建內(nèi)部的某一部零件產(chǎn)生的，他間接影響著整體穩(wěn)定性。

因此鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)建筑的整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求來予以設(shè)計。目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計的，例如常用的桁架和框架都是采用的這種設(shè)計。為保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，則從結(jié)構(gòu)的整體布置來解決相關(guān)問題，亦即設(shè)計的時候增加必要的支撐構(gòu)件來維持其整體的穩(wěn)定性。換而言之，即是平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面外穩(wěn)定必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。此外通過平面桁架組成的塔架等相關(guān)設(shè)施，基于上述原因，也應(yīng)該需要注意桿件的穩(wěn)定和橫隔設(shè)置之間的關(guān)系，保持其穩(wěn)定性。

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計需注意下述問題：

（1）目前的鋼結(jié)構(gòu)建筑多用于跨度較大的建筑結(jié)構(gòu)，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(shè)計時，需從整體穩(wěn)定入手。

（2）對于日常其他設(shè)計，除須考慮結(jié)構(gòu)的整體性，還需要考慮其他的設(shè)計點。因為目前的設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)、負(fù)荷的計算點。而在實際操作過程中，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不穩(wěn)定性，造成結(jié)構(gòu)具有相對誤差性。

（3）考慮建筑的穩(wěn)定新的時候，還需考慮鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料而言，其應(yīng)力疊加應(yīng)滿足這兩個條件即材料服從虎克定律應(yīng)變成正比和結(jié)構(gòu)的變形很小。在鋼結(jié)構(gòu)材料是需重新考慮。

故而在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)建筑的時候，需從多方面考慮其設(shè)計需求。鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國具有廣闊的發(fā)展前景和普及需求。要解決鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中存在的問題，在設(shè)計時應(yīng)該根據(jù)實際情況，從細節(jié)入手，將設(shè)計力求做得更好。

3、鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

3.1構(gòu)件截面加固

增加構(gòu)件截面的加固方法，主要是通過采用增補鋼材的方法來進行加固，除此之外，還可以采用對原構(gòu)件外包混凝土的方法來進行加固處理；鋼柱的加固可采用改變截面形式方式，來提高彎矩作用平面內(nèi)外的承載能力：鋼梁加固，焊接組合梁和型鋼梁都可在翼緣板上加焊水平板，斜板或型鋼進行加固，一般宜上下翼緣均加固，但當(dāng)有鋪板上翼緣加固困難時，亦可僅對下翼緣補強加固。對用于梁腹板抗剪強度不足的加固，當(dāng)梁腹板穩(wěn)定性不能保證時，往往采用設(shè)置加勁肋的方式。連接和節(jié)點加固：構(gòu)件的增補或局部桿件的替換，都需要適當(dāng)?shù)倪B接。加固的桿件必須通過節(jié)點加固才能參與原結(jié)構(gòu)工作，破壞了的節(jié)點需要加固。為此要對原焊接連接、原鉚釘螺栓連接進行加固，節(jié)點連接擴大。

3.2連接節(jié)點加固

構(gòu)件的增補或局部桿件的替換，都需要適當(dāng)?shù)倪B接。加固的桿件必須通過節(jié)點加固才能參與原結(jié)構(gòu)工作，破壞了的節(jié)點需要加固。

（1）原焊接連接的加固。焊接連接的加固應(yīng)采用焊接，可采用增加焊縫長度，加大焊縫高度或兩者同時進行的方法實現(xiàn)，優(yōu)先考慮增加焊縫長度。加固焊縫與原有焊縫連接時，施焊前應(yīng)對相接處原有焊縫進行處理，使加固焊縫與原有焊縫之間有一平滑過渡，加固焊縫的起點和落點不得僅靠原有焊縫邊緣。

（2）原鉚釘螺栓連接的加固。鉚釘連接的加固宜用高強螺栓摩擦型連接；螺栓連接的加固也宜用高強螺栓。當(dāng)用焊縫加固普通螺栓或鉚釘連接時，應(yīng)按焊縫承受全部作用力設(shè)計計算其連接，不考慮兩種連接的共同工作，且不宜拆除原有連接件。

（3）節(jié)點連接的擴大。當(dāng)原有連接節(jié)點無法布置加固新增的連接件或焊縫時，可考慮加大節(jié)點連接板或加輔助件，新增節(jié)點板應(yīng)牢靠地焊接在原節(jié)點板上；加輔助件的方法一般要求短斜板與節(jié)點板間的焊縫承載力是該短斜板與桿件連接焊縫承載力的1.5倍。

結(jié)束語

綜上所述，在我國經(jīng)濟不斷發(fā)展的今天，鋼結(jié)構(gòu)以其諸多的優(yōu)勢，在建筑工程中的應(yīng)用越來越廣泛。然而，結(jié)構(gòu)在長期的自然環(huán)境和使用環(huán)境的作用下，其功能必然逐漸減弱，因此合理的多高層設(shè)計對保證結(jié)構(gòu)的安全具有極其重要的意義。

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