對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思考

畢冉升

摘要：隨著建筑產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)成為我國城市建設(shè)的主流。本文深入分析和探討了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和步驟及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)原則；注意問題

1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

近年來，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)失穩(wěn)事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，主要原因在于以下兩方面：（1）由于空間網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等新型鋼結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，造成相關(guān)設(shè)計(jì)者沒有足夠的時(shí)間去了解掌握這些新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的整體穩(wěn)定性概念理解不夠清晰，成為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)。因此，穩(wěn)定性成為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)突出的問題，如果處理不好此類問題，將會(huì)造成不可估量的損失。根據(jù)穩(wěn)定性問題在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)，以及在未來更好地保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的構(gòu)件不會(huì)喪失穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守以下三條基本原則：（1）保證整體結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算，二者必須相互配合、相互統(tǒng)一；（2）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)，必須從整個(gè)體系和組成部分的穩(wěn)定性要求出發(fā)，進(jìn)行全面考慮；（3）必須保證結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和實(shí)際計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖一致，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。

2鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析

（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)研究院場館方案的外觀即為建筑結(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30min內(nèi)完成開閉動(dòng)作，確保全年比賽及活動(dòng)不受天氣影響。

（2）生態(tài)環(huán)保。發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)對于資源、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、高效能材料，具有很高的再循環(huán)價(jià)值，即使邊角料也有價(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)品已引入我國，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，不論冬夏都有著舒適的居住環(huán)境。室外在O℃時(shí)，室內(nèi)仍可保持在17℃以上，而在室外溫度達(dá)到30℃的情況下，室內(nèi)溫度僅為21℃左右。

3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和步驟

3.1鋼結(jié)構(gòu)的形式與布置

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。通常情況下，每一形式都有其自己的特點(diǎn)，在選型的時(shí)候要結(jié)合具體情況充分考慮它們的特點(diǎn)，面對具體問題要具體分析。例如對于那些屋面覆蓋跨度較大的建筑，可選擇以構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)；在建筑輕鋼工業(yè)廠房時(shí)，需要有較大的懸掛荷載或移動(dòng)荷載，此時(shí)我們需要選擇與之相適應(yīng)的網(wǎng)架，放棄門式鋼架。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的布置必須根據(jù)相關(guān)體系特征、荷載分布情況及其性質(zhì)進(jìn)行綜合考慮。

3.2截面的選擇

對構(gòu)件截面進(jìn)行初步估算，主要就是對梁面和支撐斷面形狀與尺寸的假定。鋼粱的截面高度通常根據(jù)荷載和支座的具體情況來定，一般是1/20～1/50之間的跨度選擇。對于翼緣的寬度，為了回避鋼粱整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算，可根據(jù)梁間側(cè)向支柱的間距按照1/b限值加以確定。柱截面需要根據(jù)長細(xì)比進(jìn)行預(yù)估，通常來說x的選擇值在100左右。

3.3結(jié)構(gòu)分析

目前在鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，通常結(jié)構(gòu)分析為線性彈性分析，條件允許時(shí)考慮P-△，P-8。新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能，這為更精確地分析結(jié)構(gòu)提供了有利條件。除此之外，并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)需要建模運(yùn)行程序并作詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

對于簡單結(jié)構(gòu)，可通過手算進(jìn)行分析，而對于典型結(jié)構(gòu)，可查力學(xué)手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形。結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)充分考慮建筑物的穩(wěn)定性、安全性，例如考慮多層建筑鋼結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)純框架側(cè)移不滿足時(shí)，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個(gè)方向布置一定數(shù)量的支撐。沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個(gè)支撐芯筒。豎向支撐桁架起剪力墻的作用，能獲得比純框架結(jié)構(gòu)大得多的抗側(cè)力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。

3.4構(gòu)件設(shè)計(jì)

關(guān)于構(gòu)件設(shè)計(jì)首先應(yīng)該考慮的是對材料進(jìn)行合理選擇。目前比較常用的鋼結(jié)構(gòu)材料是Q235和Q345。從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，則可選擇不同強(qiáng)度鋼材的截面組合；從便于工程管理的角度考慮，主結(jié)構(gòu)通常采用單一鋼種。近年來，由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些結(jié)構(gòu)軟件可以對整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化，因此我們只需對優(yōu)化后的截面進(jìn)行調(diào)整直至合理，同時(shí)注意模型的建立以及一些計(jì)算長度的參數(shù)定義即可。

3.5節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

連接節(jié)點(diǎn)的常用方法包括等強(qiáng)設(shè)計(jì)與實(shí)際受力設(shè)計(jì)兩種，基于安全性考慮，可以采用等強(qiáng)設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)出焊縫、螺栓連接等。作為設(shè)計(jì)構(gòu)建中的核心，結(jié)構(gòu)焊接主要有直角焊接、斜角焊接兩種。通常而言，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括焊接、栓接、連接板以及梁腹板，除此之外，還要考慮現(xiàn)場定位、臨時(shí)固定施工過程中的便利性。應(yīng)該嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范，合理選擇焊接焊縫的尺寸及形式。焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)相適應(yīng)。E43對應(yīng)Q235、E50對應(yīng)0345，0235與Q345連接時(shí)，應(yīng)該選擇低強(qiáng)度的E43而不是E50。根據(jù)傳力特點(diǎn)的不同，節(jié)點(diǎn)可分為剛接、鉸接和半剛接，在選用節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須正確判斷節(jié)點(diǎn)的連接形式，做到整個(gè)設(shè)計(jì)的安全與合理。

3.6圖紙的編制

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)出圖由設(shè)計(jì)圖和施工詳圖兩個(gè)階段組成：（1）設(shè)計(jì)圖：是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù)。在設(shè)計(jì)圖中，對于設(shè)計(jì)依據(jù)、荷載資料、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面選用以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等均應(yīng)表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現(xiàn)設(shè)計(jì)的意圖，主要材料應(yīng)列表表示。（2）施工詳圖：通常也稱為加工圖或放樣圖等。深度須能滿足車間直接制造加工，不完全相同的構(gòu)件單元須單獨(dú)繪制表達(dá)，并應(yīng)附有詳盡的材料表。

4鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中注意的問題

（1）整體分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要盡量選擇與實(shí)際工作狀況相符的整體分析模型，對計(jì)算模型不得隨意簡化，比如不得隨便把空間問題簡化為平面問題。除此之外，為了獲得理想的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中可以采取優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念，并將次構(gòu)件的作用盡可能考慮進(jìn)來，同時(shí)滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與經(jīng)濟(jì)性，降低工程成本。

（2）嚴(yán)格控制整體剛度。一般來說，穩(wěn)定條件、強(qiáng)度條件等并非決定鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計(jì)的主要因素，而結(jié)構(gòu)的整體剛度條件才是首要考慮的因素，尤其對于一些薄壁構(gòu)件形成的大跨度結(jié)構(gòu)來說更是如此。因此，設(shè)計(jì)過程中要注意對結(jié)構(gòu)的整體分析，保證設(shè)計(jì)效果。

（3）保證計(jì)算模型的精確性與結(jié)構(gòu)的可靠性。鋼結(jié)構(gòu)材料屬于相對比較理想的彈塑性體，其組織體現(xiàn)出一定的均勻性，接近各向同性，與現(xiàn)階段很多計(jì)算方法、基本概念的要求完全相符。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接模型比較符合實(shí)際情況，計(jì)算過程中的不確定性相對較小，因此計(jì)算模型的精確性、結(jié)構(gòu)的可靠性等必須有所保證。

（4）節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相對十分復(fù)雜。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接與構(gòu)造比較復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)過程中要注意并充分考慮這一點(diǎn)。設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)要綜合考慮受力情況、建筑要求、構(gòu)件截面形式、連接方法等各方面因素，再確定出合理、適用的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。

5結(jié)語

隨著世界先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想的涌入，進(jìn)一步促進(jìn)了我國鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。盡管從某種程度上來說，與發(fā)達(dá)國家相比我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平與其存在著較大的差距，但是隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及相關(guān)研究工作者的不懈努力，我們有理由相信，在不久的將來中國鋼結(jié)構(gòu)水平將邁向一個(gè)新的臺(tái)階，達(dá)到高質(zhì)量、高水平、高水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。