鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

【摘要】鋼結(jié)構(gòu)其性能好并且造價(jià)低，縮短施工工期，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)中。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是\"概念設(shè)計(jì)\"，從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的關(guān)系著手，從全局的角度，確定控制結(jié)構(gòu)選型、布置階段及細(xì)部措施。本文作者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)對鋼結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的闡述，供大家參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；體系；設(shè)計(jì)原則；要點(diǎn)

1、鋼結(jié)構(gòu)整體體系設(shè)計(jì)原則

1.1結(jié)構(gòu)整體布局必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的，如桁架和框架都是如此。為保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布局相一致。

1.2結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算十分重要。目前在設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分析而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長度系數(shù)，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效力框架穩(wěn)定計(jì)算。然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計(jì)中為了簡化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些典型條件。

1.3設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性。結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)分別賦予它足夠的剛度和柔度，對框架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心，這些都是設(shè)計(jì)者處理構(gòu)造細(xì)部時(shí)經(jīng)?？紤]到的。

2、鋼結(jié)構(gòu)整體體系設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動(dòng)、高溫車間、密封性要求高、要求能活動(dòng)或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時(shí)建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相一致的。

2.2主要鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在材料要求上應(yīng)該具有較高的強(qiáng)度、足夠的變形力、優(yōu)良的加工性能。承重結(jié)構(gòu)的鋼材在要求上必須具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服點(diǎn)以及碳、硫、磷的含量必須保證合格。同時(shí)焊接結(jié)構(gòu)必須具有冷彎試驗(yàn)的合格保證，要求承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)及重要的受拉或者受彎的焊接結(jié)構(gòu)必須具有常溫或者負(fù)溫度下沖擊韌性的合格保證。如在浙江某高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所采用的的所有鋼材，不論其厚度及有無Z向性能要求，均必須滿足的性能要求是：鋼材在焊接完成后，不會(huì)初夏你層狀撕裂、板厚度中心線分離或其他類似的情況。

2.3結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是\"概念設(shè)計(jì)\"，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。鋼結(jié)構(gòu)主要有框架、平面架、網(wǎng)架、索膜、輕鋼以及塔桅等結(jié)構(gòu)形式。每個(gè)形式都有其各自的特點(diǎn)，在我們選型的時(shí)候要結(jié)合具體情況充分考慮他們的特點(diǎn)。如：在輕鋼工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或移動(dòng)荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應(yīng)單純?yōu)榱私?jīng)濟(jì)去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結(jié)構(gòu)體系。

結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征，荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮.一般的說要?jiǎng)偠染鶆?力學(xué)模型清晰.盡可能限制大荷載或移動(dòng)荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ)。

2.4焊接與栓接

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，通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)計(jì)者查用，比較方便。也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來自動(dòng)完成。在焊接操作中，應(yīng)嚴(yán)格遵守焊接焊縫的尺寸及形式等規(guī)范。焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng)。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，其他詳細(xì)內(nèi)容要參照相關(guān)規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定。如在某工程中，規(guī)定所有框架、斜撐等構(gòu)件拼接焊縫均采用全熔透坡口焊縫；所有鋼板的縱向?qū)雍缚p，次梁與主梁的連接焊縫采用帶襯板的剖口全熔透焊縫；采用摩擦型高強(qiáng)螺栓，未注明的為10.9級扭剪型高強(qiáng)螺栓，所連接的構(gòu)件接觸面采用拋丸的做法。

2.5抗火抗震設(shè)計(jì)

火災(zāi)是建筑物常見的一種突發(fā)事故，處理不當(dāng)可能造成重大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和人身傷亡，對于火災(zāi)，所有的建筑都避免不了，鋼結(jié)構(gòu)的建筑也不例外，盡管鋼材是非燃燒性建材，但是它卻是不耐火的。一般，溫度上升到600℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)基本上剛度以及強(qiáng)度基本上都損失了，所以，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從安全性出發(fā)需要進(jìn)行全面的抗火設(shè)計(jì)。1）基于構(gòu)件計(jì)算的抗火設(shè)計(jì)，對于構(gòu)件計(jì)算環(huán)節(jié)的抗火設(shè)計(jì)理念應(yīng)該做到如下幾點(diǎn)：一是采用確定的防火措施，設(shè)定一定的防火空間被覆厚度；二是在確定防火措施下，計(jì)算出構(gòu)件在耐火極限條件下的內(nèi)部溫度；三是采用在高溫條件下的鋼材料參數(shù)，就算出構(gòu)件在外荷載和溫度作用下的內(nèi)力；四是進(jìn)行構(gòu)件的耐火承載極限狀態(tài)的驗(yàn)算；五是若最初設(shè)定的防火被覆厚度不合適，那么就要調(diào)整防火被覆厚度，然后重復(fù)以上步驟。2）基于結(jié)構(gòu)性能的抗火設(shè)計(jì)， 火災(zāi)發(fā)生時(shí)可能導(dǎo)致整體建筑物的結(jié)構(gòu)坍塌，因此，對于建筑物的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)，需要從建筑的結(jié)構(gòu)性能出發(fā)，具體工作需要從以下幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行落實(shí)：對房梁的性能進(jìn)行改良，同時(shí)也必須對建筑內(nèi)部柱子抗火性能進(jìn)行改善；考慮在火災(zāi)發(fā)生時(shí)剛性結(jié)構(gòu)的形狀變化曲線，并針對曲線的變化形勢進(jìn)行相應(yīng)的防范措施；是計(jì)算機(jī)模擬以及有限元法，在火災(zāi)中，通過熱輻射、熱傳導(dǎo)以及熱對流方式形成的復(fù)雜溫度場會(huì)使結(jié)構(gòu)受熱膨脹，而溫度場的非定常性導(dǎo)致難以精確的考慮理論分析，再加上試驗(yàn)費(fèi)用的昂貴，使得計(jì)算機(jī)模擬成為當(dāng)下的一個(gè)熱點(diǎn)研究。

建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，我國的沿海城市處于地震的多發(fā)區(qū)，地震對建筑物的損壞情況比較常見，因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要充分考慮其抗震性能，同時(shí)，對于地震多發(fā)區(qū)和地震少發(fā)區(qū)，抗震的設(shè)計(jì)應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整：選擇有利于抗震的場地，不同的地質(zhì)條件在同一區(qū)域的抗震能力不同，因此，對于地震高發(fā)區(qū)，應(yīng)該適當(dāng)?shù)剡x擇抗震性能相對強(qiáng)的地點(diǎn)；其次 結(jié)構(gòu)的總體布置要合理。在抗震設(shè)計(jì)中，要求設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)建筑力求形狀規(guī)則和結(jié)構(gòu)對稱，以免造成質(zhì)量中心和剛度中心的嚴(yán)重偏離；在樓層平面內(nèi)，抗震結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力應(yīng)均勻分布，并且持續(xù)、均勻地沿結(jié)構(gòu)堅(jiān)向；最后，抗震結(jié)構(gòu)體系的合理選擇?？拐鹪O(shè)計(jì)工作之初，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對以往的地震情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和匯總，根據(jù)常見地震發(fā)生形式，合理的選擇抗震結(jié)構(gòu)體系。

3、結(jié)束語

我國建筑物不僅數(shù)量多，而且建筑的結(jié)構(gòu)也多種多樣，對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講，是一個(gè)既系統(tǒng)又全面的工作，需要建筑企業(yè)的設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格、認(rèn)真按照要求去設(shè)計(jì)。作為一名專業(yè)設(shè)計(jì)人員，要認(rèn)真對待每一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。文本通過對鋼結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的探討，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)與發(fā)揮創(chuàng)新精神，為以后的工作積累經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙西安.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2] 關(guān)廣軍，汝明.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單步驟和設(shè)計(jì)思路[J].今日科苑，2009，（08）.

[3] 吳炳 傅承誠，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的討論[j]科技與生活，2012.（09）：123-124.

[4]尹廣東.淺談多層民用鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013