鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意問題的分析

趙桂祥

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，促進(jìn)了建筑業(yè)的發(fā)展，鋼網(wǎng)架、多層鋼框架、立體鋼析架等逐漸成為常用的結(jié)構(gòu)形式。本文先簡要分析了鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，再對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾個(gè)常見問題進(jìn)行7分析。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)點(diǎn)；抗震

前言

隨著我國建筑的不斷發(fā)展，采用傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足建筑結(jié)構(gòu)的多元化需求，鋼結(jié)構(gòu)作為一種特殊的建筑結(jié)構(gòu)之一，不僅能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的種種弊端，還具有結(jié)構(gòu)構(gòu)件較輕、施工周期較短、布置靈活方便等優(yōu)勢，因此，在建筑工程中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。

1鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)分析

鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)，首先是鋼結(jié)構(gòu)可工廠化制作，減少現(xiàn)場施工的工作量，施工周期短；其次是由于鋼結(jié)構(gòu)自重輕、結(jié)構(gòu)荷載小，減少了地基處理的工作量量和費(fèi)用；鋼結(jié)構(gòu)利于抗震，給投資方帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；鋼結(jié)構(gòu)由于其材料本身的性能好，強(qiáng)調(diào)度，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)斷面較小，在廠房布置中可以節(jié)省一空間，更容易滿足工藝靈活布置的要求。

2鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析

2.1功能優(yōu)越

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)成為形象構(gòu)成的重要因素，結(jié)構(gòu)的形體、構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)從很大程度上導(dǎo)致并制約著建筑的形象。建筑與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與功能只有做到一體化，才能使建筑更富有功能化以便隨后的各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行下去，創(chuàng)造出技術(shù)與藝術(shù)融為一體的鋼結(jié)構(gòu)建筑。如中國建筑設(shè)計(jì)研究院場館方案外觀即為建筑的結(jié)構(gòu)，形象完美純凈，功能與結(jié)構(gòu)達(dá)到了完美的統(tǒng)一；還有日本株式會(huì)社建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)的折疊式方案，屋頂由懸臂的鋼架結(jié)構(gòu)支承，可在30分鐘內(nèi)完成開閉的動(dòng)作，確保全年比賽及活動(dòng)不受天氣影響。

2.2生態(tài)環(huán)保

發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于資源，能源都非常短缺的我國意義尤為重大，因?yàn)橹袊鞘澜缟献畲蟮拇u砌體建筑與混凝土建筑大國。鋼材是一種高強(qiáng)度高效能的材料，具有很高的再循環(huán)價(jià)值，邊角料也有價(jià)值，不需要制模施工。目前國際上引人矚目的新型住宅產(chǎn)品已引人我國，其環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。該類型住宅采用全封閉式保溫隔熱防潮系統(tǒng)，溫度變化小，熱損失低。不論冬夏，都具有舒適當(dāng)居住環(huán)境。室外0攝氏度時(shí)，室內(nèi)仍可以保持17攝氏度以上；在室外溫度達(dá)到30攝氏度的情況下，室內(nèi)溫度僅為21攝氏度左右。

3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題分析

我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)步驟主要是：依據(jù)彈性方法計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)力；依據(jù)彈塑性方法驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限承載力。

3.1選擇合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)件

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了體系穩(wěn)定外還需要考慮單個(gè)鋼構(gòu)件的變形限制值和自身穩(wěn)定。鋼結(jié)構(gòu)因其材料強(qiáng)度高，塑性和韌性好，構(gòu)件截面一般肢寬壁薄，屬于長細(xì)構(gòu)件，在設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸往往不是由材料的計(jì)算強(qiáng)度控制，而是由變形、穩(wěn)定、或疲勞應(yīng)力來控制。這一認(rèn)識(shí)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要建立。在地震區(qū)、沿海風(fēng)作用大的地區(qū)、大跨度索一網(wǎng)、長懸臂結(jié)構(gòu)、高大剛架和拱架、及有較大起重量吊車的鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)時(shí)尤其要注意構(gòu)件的穩(wěn)定問題。

鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jí)高時(shí)延性高的地震力小，延性差的地震力大，從抗高等級(jí)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(jié)構(gòu)，抗震性方面目前研究還不夠，選用時(shí)應(yīng)慎重。

3.2建立完善的結(jié)構(gòu)受力體系

結(jié)構(gòu)方案確定之后，建立完善的結(jié)構(gòu)受力體系是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要工作。這在鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中尤為重要。鋼結(jié)構(gòu)多為桿系結(jié)構(gòu)，因鋼材強(qiáng)度高，構(gòu)件截面尺寸較小、剛度較差，且可工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場組裝，構(gòu)件間相互約束作用也較小，因此要求支撐布置完善，節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造可靠，才能保證整個(gè)結(jié)構(gòu)受力體系的穩(wěn)定。

我國鋼鐵工業(yè)與建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用都有迅速的發(fā)展，我國的年鋼產(chǎn)量已居世界首位。但在我們?cè)O(shè)計(jì)人員中間不清楚如何合理選用鋼材的問題還是很普遍的，不少人對(duì)鋼號(hào)的差別及質(zhì)量等級(jí)的含義、脫氧方法及鋼材厚度不同的影響、結(jié)構(gòu)選材。因此，盡量按規(guī)范推薦的鋼號(hào)及材質(zhì)選用鋼材，并在設(shè)計(jì)說明中明確注明所用鋼材的鋼號(hào)、質(zhì)量等級(jí)、脫氧方法及附加性能要求。

3.3加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)突出問題，在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，都會(huì)遇到穩(wěn)定問題。鋼結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定問題也是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中函待解決的主要問題，一旦出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對(duì)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失，甚至?xí)斐扇藛T的傷亡，這方面的教訓(xùn)也很多。所以我們?cè)阡摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一定要把好這一關(guān)。目前，鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的失穩(wěn)事故大多是由于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性能不夠清楚，對(duì)如何保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定缺少明確的認(rèn)識(shí)，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)不應(yīng)有的薄弱部位。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該明確鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一些基本概念，才能更好地處理鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題。

3.4鋼結(jié)構(gòu)樓板設(shè)計(jì)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(qiáng)度、承載力和整體性都十分重要。作為鋼結(jié)構(gòu)工程要求，樓板還應(yīng)考慮隔音要求目前鋼結(jié)構(gòu)工程上，壓型鋼板組合樓板，現(xiàn)澆樓板等應(yīng)用較多；震級(jí)較高的震區(qū)或重要鋼結(jié)構(gòu)，在柱的設(shè)計(jì)方面，因考慮在柱子的周邊宜設(shè)置鋼箍筋，以免高水平力破壞樓板。

3.5鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方面

（1）設(shè)計(jì)反應(yīng)譜問題：地震記錄儀構(gòu)造使得很多大于3秒的強(qiáng)震被削弱，因此計(jì)算的反應(yīng)譜不真實(shí)，而建設(shè)部人為調(diào)整的譜曲線來保證鋼結(jié)構(gòu)安全性的抗震設(shè)計(jì)，可靠性需進(jìn)一步驗(yàn)證；（2）彈塑性地震反應(yīng)計(jì)算問題：目前我國沒有高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)計(jì)算程序，缺乏空間彈塑性地震反應(yīng)分析軟件；（3）鋼一砼結(jié)構(gòu)搞垮設(shè)計(jì)問題：我國是一個(gè)多地震國家，國際上沒有這方面的研究，需要解決抗震設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法。

3.6鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和支撐構(gòu)造方面

（1）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容是連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，應(yīng)該在結(jié)構(gòu)分析前對(duì)節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行充分思考和確定。必須避免最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致的情況。此外，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序。（2）焊接：焊縫的尺寸及形式應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)范。選用的焊條應(yīng)與金屬材質(zhì)相適應(yīng)。焊接設(shè)計(jì)不得任意加大焊縫。焊縫與被連接構(gòu)件重心應(yīng)盡量接近。（3）粱腹板：栓孔處腹板的凈截面抗剪性能應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算。承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓。（4）柱應(yīng)通過小懸臂與梁拼接，粱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(shè)計(jì)時(shí)，腹板要考慮彎矩。（5）用外加勁肋和內(nèi)隔板進(jìn)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(yīng)相互匹配。（6）高層鋼結(jié)構(gòu)工程的框架一支撐體系，框架梁柱應(yīng)剛性連接。（7）為防止管壁開裂，支撐與鋼管混凝土連接，不應(yīng)將節(jié)點(diǎn)板焊在鋼管管壁上。（8）為滿足鋼結(jié)構(gòu)工程的抗震要求，不應(yīng)在鋼管支撐內(nèi)灌注混凝土。

4結(jié)語

我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展前景光明，目前應(yīng)大力加強(qiáng)和提高各級(jí)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，盡可能多地關(guān)注鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的新動(dòng)向，學(xué)習(xí)新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，了解和掌握現(xiàn)有的施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，提高設(shè)計(jì)工作水平和效率，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。