有關(guān)建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

張國(guó)燦

【摘要】隨著社會(huì)的快速發(fā)展以及科技的不斷進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著的變化，高層建筑不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)要求也越來(lái)越高。本文通過(guò)對(duì)當(dāng)前建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題進(jìn)行分析，并針對(duì)性的提出了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略。

【關(guān)鍵詞】 建筑工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；鋼結(jié)構(gòu)

近些年來(lái)我國(guó)的綜合實(shí)力有了明顯的增強(qiáng)，在社會(huì)不斷發(fā)展的過(guò)程中建筑行業(yè)得到了快速的發(fā)展，加之科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的鋼材生產(chǎn)數(shù)量也在與日俱增。在這樣的情況下，鋼結(jié)構(gòu)不僅僅在工業(yè)廠房的建設(shè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也得到了建筑工程師們的青睞，使其廣泛應(yīng)用于房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。但是通過(guò)實(shí)際的情況來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)雖然在房屋結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用，但是在工程建設(shè)中，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用存在著很大的問(wèn)題，要想充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用，這些問(wèn)題亟需得到解決。

一、當(dāng)前建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要問(wèn)題

1.1短肢剪力墻

目前，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中的問(wèn)題較多，一些看來(lái)很小的問(wèn)題甚至?xí)?duì)建筑物形成致使的影響，更會(huì)嚴(yán)重?fù)p害建筑的結(jié)構(gòu)。在眾多問(wèn)題當(dāng)中，短肢剪力墻的設(shè)置不合理就是非常典型的一個(gè)，此設(shè)置存在的不合理在很多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中普遍存在，設(shè)計(jì)人員通常都容易增設(shè)短肢剪力墻，這使得高層建筑的安全性與穩(wěn)定性受到了一定的影響，高層建筑甚至?xí)驗(yàn)槎讨袅Χ档涂拐鹉芰?，使高層建筑建成后長(zhǎng)期處于不安全環(huán)境當(dāng)中，不利于長(zhǎng)期使用。

1.2嵌固端

嵌固端同樣是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，嵌固端的設(shè)計(jì)通常分為下列幾點(diǎn)：第一，設(shè)計(jì)人員選擇嵌固端位置存在很多問(wèn)題，特別是不少高層建筑的嵌固端都被設(shè)置在了人防頂板或者地下室，存在一定的安全問(wèn)題，效果也難以實(shí)現(xiàn)。第二，嵌固端的上下層存在不合理的剛度比例設(shè)計(jì)。相對(duì)于合理的嵌固端設(shè)計(jì)來(lái)看，其上下層剛度比例是非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)，就這個(gè)指標(biāo)而言，目前有很多高層建筑的嵌固端設(shè)計(jì)都存在計(jì)算失誤問(wèn)題。第三，另一個(gè)突出問(wèn)題是嵌固端設(shè)計(jì)與抗震縫隙的處理上有著一定的沖突與矛盾，缺乏平穩(wěn)性，導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)缺乏穩(wěn)定性。

1.3超高

當(dāng)前，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍存在的問(wèn)題就是所設(shè)計(jì)的建筑物超高。超高問(wèn)題，指的是高層建筑單位未嚴(yán)格按照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與制度規(guī)定將高層建筑的高度過(guò)度增加。雖然建筑物的高度增加會(huì)使經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)全面提升，但是超高問(wèn)題確嚴(yán)重的影響著高層建筑的結(jié)構(gòu)。特別對(duì)高層建筑的穩(wěn)定性以及抗震能力都會(huì)帶來(lái)不良的影響，若遭遇到強(qiáng)風(fēng)或者地震等自然災(zāi)害會(huì)使高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂、倒塌等情況，將會(huì)給住戶的人身安全與財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涵蓋的內(nèi)容很多，須注意的重點(diǎn)性能也是全方面的，高層建筑存在的問(wèn)題通常表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的牢固性、抗震性、相應(yīng)的應(yīng)力處理等方面，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中的設(shè)計(jì)位置計(jì)算的準(zhǔn)確性對(duì)于建筑的整體結(jié)構(gòu)也有著嚴(yán)重的影響，影響計(jì)算的準(zhǔn)確性的因素是多方面的，像計(jì)算公式選擇是否恰當(dāng)、資料是否健全、過(guò)程是否存在失誤等都會(huì)使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)一定的問(wèn)題，并對(duì)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果造成嚴(yán)重的影響。

二、建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

2.1結(jié)構(gòu)布置與選型

對(duì)于設(shè)有吊車的建筑，宜選用等截面焊接H型鋼柱。確定鋼柱與軸線定位關(guān)系時(shí)，應(yīng)以最大限度減少鋼牛腿外伸尺寸為原則。當(dāng)鋼柱截面較大或吊車噸位較大時(shí)，應(yīng)注意收縮牛腿以上柱截高度，以免影響吊車正常運(yùn)行。當(dāng)建筑設(shè)有雙層吊車時(shí)，上下層吊車頂面高差應(yīng)滿足空載的上吊車主鉤與下層吊車頂面間最小安全距離。

1）柱距的確定，輕鋼建筑一般取6-9m，有專門的研究表明：取7.5m最為經(jīng)濟(jì)。重鋼建筑可取6-15m，值得注意的是，隨著柱距增大，吊車梁截面尺寸及其單位用鋼量會(huì)迅速增加。計(jì)算表明，當(dāng)柱距<7.5m時(shí)，主剛架與吊車梁用鋼量比約1：1；當(dāng)柱距>12m時(shí)，這個(gè)比例接近1：2。因此，工藝允許情況下，應(yīng)適當(dāng)選擇比較經(jīng)濟(jì)的柱距。柱距對(duì)屋次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有直接影響，當(dāng)柱距>9m時(shí)，屋面檁條的截面尺寸已超出常規(guī)范圍，極不經(jīng)濟(jì)。如在兩棍剛架之間設(shè)置支撐于鋼托架上的屋次梁以減少檁條跨度，可明顯降低屋面次結(jié)構(gòu)的用鋼量。

2）柱間支撐構(gòu)件選型，支撐形式可選用十字或人字撐，桿件軸線與水平支面夾角應(yīng)控制在35～55之間。對(duì)輕鋼建筑，與屋面梁可靠連接的鋼板內(nèi)天溝及屋脊雙擦可以作為剛性桿使用。支撐截面宜優(yōu)先選用雙拼角鋼和圓鋼管，不宜選槽鋼。如下表所示：

以弱軸為控制方向2L90x56雙拼角鋼比[18輕型槽鋼節(jié)省鋼材21%。當(dāng)采用圓鋼做支撐時(shí)，宜使用花籃螺栓施加拉力，以確保圓鋼處于張緊狀態(tài)。避免同一結(jié)構(gòu)單元出現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)形式。這是新抗震規(guī)范明確要求的。過(guò)去常見(jiàn)的一些做法已被禁止。例如：以磚墻為外維護(hù)墻的輕鋼建筑中，靠近山墻的軸線上不布置剛架，將端跨屋面檁條直接支撐在山墻上。正確的做法是：山墻僅作為自承重的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)置山墻剛架支撐檁條。

3）合理布置屋面梁拼接位置。屋面梁拼接點(diǎn)可選擇在屋脊、梁柱連接節(jié)點(diǎn)、梁直線段與楔形段交接處及翼緣寬厚改變處?？紤]到運(yùn)輸方便，一段梁長(zhǎng)不要超過(guò)14m。另外，法蘭拼接板外伸可能與屋面檁條布置沖突，因此宜事先考慮二者相互避讓。

2.2構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)及柱腳設(shè)計(jì)

1）門規(guī)CECS102—202給出三種梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式：垂直面、水平和斜面拼接?？蓞⒄障卤泶_定其適用性。當(dāng)采用斜面拼接時(shí)，應(yīng)注意梁柱外翼緣與拼接板間形成的銳角會(huì)縮小第一排高強(qiáng)螺栓安裝空間，要根據(jù)放樣調(diào)整孔位。

2）嚴(yán)格限制在梁柱翼緣上直接開(kāi)孔栓接小構(gòu)件，（如雨蓬梁與邊柱連接）以避免構(gòu)件截面削弱。改變連接方式是解決問(wèn)題的有效途徑。雨蓬梁可以通過(guò)焊接在柱上的短牛腿與柱連接。

3）錨栓埋人混凝土基礎(chǔ)的最小長(zhǎng)度應(yīng)按照建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GSB50007的規(guī)定計(jì)算。不要把這個(gè)埋人長(zhǎng)度與混凝土規(guī)范中錨固長(zhǎng)度混淆，它們是兩個(gè)概念。當(dāng)錨栓設(shè)有端錨板時(shí)，錨板外輪廓可能超出鋼柱底板范圍。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要提醒土建設(shè)計(jì)注意：混凝土基礎(chǔ)短柱截面尺寸不僅要大于鋼柱柱腳尺寸B1還要大于相應(yīng)的錨板外圍尺寸B2為便于鋼柱就位及精確校正，底板四角錨栓可設(shè)調(diào)整螺母并相應(yīng)延長(zhǎng)絲扣長(zhǎng)度。灌漿層應(yīng)使用專用灌漿料，不應(yīng)以細(xì)石混凝土或高標(biāo)號(hào)砂漿代替：

4）抗剪鍵可采用角鋼、槽鋼、工字鋼等型鋼，其設(shè)置方向應(yīng)使強(qiáng)軸垂直于剪力方向?？辜翩I長(zhǎng)度取100-150mm以確保伸人混凝土柱頂抗剪槽內(nèi)。不得利用灌漿層抗剪。

2.3屋面檁條優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)際工程中，不合理的檁條構(gòu)造設(shè)計(jì)常導(dǎo)致檁條整體扭曲失。例如：檁條與W90型屋面板的連接一般采用自攻釘連接于波峰位置，這種構(gòu)造雖減少了屋面漏水的機(jī)會(huì)，但不能保證屋面板起到阻止檁條失穩(wěn)的作用。采用帶防水墊片的專用自攻釘將屋面板波谷與檁條直接連接，才能可靠地防止檁條失穩(wěn)。為了釋放溫度應(yīng)力，某些咬合式和暗扣式屋面板采用滑片和支架與檁條連接，這種構(gòu)造因屋面板與檁條間有相對(duì)滑動(dòng)，也不能保證屋面板起到阻止檁條失穩(wěn)的作用，應(yīng)引起注意。擦間拉條的設(shè)置同樣需要考慮與檁條穩(wěn)定計(jì)算相協(xié)調(diào)。其設(shè)置位置不能一成不變地取在距檁條上翼緣1/3腹板高處。當(dāng)屋面板能控制住檁條上翼緣失穩(wěn)時(shí)，拉條位置應(yīng)取檁條下翼緣附近。極端情況下（屋面板不能控制住檁條上翼緣失穩(wěn)，且檁條下翼緣在負(fù)風(fēng)壓下也可能失穩(wěn)），宜設(shè)上下雙層拉條。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，我國(guó)城市化進(jìn)程逐步開(kāi)始并不斷深入，社會(huì)對(duì)于房屋建筑的需求也逐漸凸顯，建筑鋼結(jié)構(gòu)也因其自重輕、強(qiáng)度高、性能強(qiáng)、工業(yè)化程度較高且使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。在具體工程實(shí)踐中，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍存在許多未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的方面，影響著建筑的安全穩(wěn)定。需要我們從建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，分析存在的問(wèn)題，并找出相應(yīng)的優(yōu)化策略，以促進(jìn)建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)步發(fā)展。

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