鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計常見問題分析

葛紅斌

摘要：鋼結(jié)構(gòu)工程在我國起步較晚，在設(shè)計方面的理論和設(shè)計經(jīng)驗不足，本論文從銅結(jié)構(gòu)設(shè)計理論、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐等幾個方面分析了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的一些問題.并對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、鋼結(jié)構(gòu)選型、樓板設(shè)計、節(jié)點構(gòu)造、支撐設(shè)計方面提出設(shè)計建議。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；抗震設(shè)計；抗火設(shè)計；鋼節(jié)點設(shè)計

前言

鋼結(jié)構(gòu)建筑已有一百多年的發(fā)展歷史，具有性能好、自重輕、工廠化程度高、施工速度快、勞動強(qiáng)度小等優(yōu)點，因此鋼結(jié)構(gòu)工程以其獨特的優(yōu)越憂，在建筑業(yè)被越來越廣泛的重視和應(yīng)用。但過去我國因為經(jīng)濟(jì)不夠發(fā)達(dá)和鋼材產(chǎn)能不足等原因，重點發(fā)展了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)特別是民用鋼結(jié)構(gòu)工程較少應(yīng)用，所以一般建筑設(shè)計院普遍存在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的理論和設(shè)計經(jīng)驗不足的問題。近年來隨著國力不斷增強(qiáng)和鋼材產(chǎn)量進(jìn)入世界前列，超高層、大跨度建筑和復(fù)雜造型建筑不斷涌現(xiàn)，民用鋼結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，因此鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計方面的相對落后，成為我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)面臨的新問題。針對設(shè)計行業(yè)面臨的這些新問題，本論文對鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計方面的一些問題進(jìn)行了以下幾個方面的分析探討。

1鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計問題

近年來，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(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。主要原因是由于以下幾方面造成：

（1）由于空間網(wǎng)架（網(wǎng)殼）結(jié)構(gòu)、空間桁架等新型鋼結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，設(shè)計者沒有足夠的時間去了解掌握這些新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計，生搬硬套過去的工程實例造成設(shè)計失誤；

（2）不重視鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，鋼結(jié)構(gòu)支撐布置不合理或局部缺失，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；不注意鋼構(gòu)件的整體穩(wěn)定性或局部穩(wěn)定性設(shè)計，造成構(gòu)件失穩(wěn)；

（3）過分依賴設(shè)計軟件，未對電算結(jié)果正確性進(jìn)行判斷和校核，造成設(shè)計失誤。

因此穩(wěn)定性成為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個突出的問題，如果處理不好此類問題，將會造成不可估計的損失。所以根據(jù)穩(wěn)定性問題在實際的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的特點，以及未來更好的保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中構(gòu)件不會喪失穩(wěn)定性，設(shè)計過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守以下三條基本原則：

（1）保證整體結(jié)構(gòu)和細(xì)部構(gòu)件的穩(wěn)定計算，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，必須從整個體系和組成部分的穩(wěn)定性要求出發(fā)，進(jìn)行全面考慮；重視鋼結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計，合理布置水平豎向支撐、空間各向不遺漏，柔性支撐強(qiáng)度夠、剛性支撐不失穩(wěn)；

（3）必須保證結(jié)構(gòu)計算簡圖和實際計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。

2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論問題

2.1內(nèi)力計算與承載力驗算

我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計步驟主要是：依據(jù)彈性方法計算鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)力；依據(jù)彈塑性方法驗算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限承載力。由于鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)時，就會進(jìn)入彈塑性變形階段，會造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，按現(xiàn)在的方法設(shè)計，不能保證構(gòu)件承載力可靠度的一致性，存在結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法與結(jié)構(gòu)承載力驗算方法不匹配的問題。

2.2抗震設(shè)計

（1）設(shè)計反應(yīng)譜問題：一個比較突出的問題是多數(shù)地區(qū)布設(shè)的儀器不是寬頻帶地震儀，而是短周期地震儀，地震記錄儀構(gòu)造使得很多周期大于3秒的強(qiáng)震被削弱，由此計算的反應(yīng)譜不真實，所以抗震規(guī)范的多阻尼比反應(yīng)譜在大于3s的長周期段可能并不適用。

（2）彈塑性地震反應(yīng)計算問題：目前我國沒有實用的高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)計算程序，對高層鋼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震中真實狀況的彈塑性地震反應(yīng)分析相當(dāng)薄弱。國外大型商用分析軟件（如ANSYS等）采用精細(xì)分析方法大多用于理論分析、局部分析，難以用于高層鋼結(jié)構(gòu)實際工程，國內(nèi)僅有同濟(jì)大學(xué)（MTS軟件）等少數(shù)采用簡化模型分析，可靠性需進(jìn)一步驗證。

（3）鋼一砼結(jié)構(gòu)設(shè)計問題：目前新建高層較多采用鋼一砼結(jié)構(gòu)，我國是一個多地震國家，但包括國際上關(guān)于鋼一砼結(jié)構(gòu)的抗震研究卻很少，鋼一砼結(jié)構(gòu)到底抗震性能如何，有待進(jìn)一步驗證。

2.3限值問題

（1）鋼結(jié)構(gòu)高寬比限值問題。現(xiàn)在我國的規(guī)范對地震多發(fā)區(qū)高層鋼結(jié)構(gòu)的高寬比為：鋼一砼結(jié)構(gòu)為5，純鋼結(jié)構(gòu)為6?？刂聘邔挶鹊哪康氖强刂平Y(jié)構(gòu)的剛度和側(cè)移，它僅反應(yīng)建筑物高度和寬度的比值，沒有反應(yīng)結(jié)構(gòu)本身的平面布置和豎向布置對結(jié)構(gòu)剛度、側(cè)移和抗傾覆穩(wěn)定性的影響。僅從結(jié)構(gòu)安全角度講，高寬比限值不是必須滿足的，它只是一個宏觀控制指標(biāo)，應(yīng)該可以適當(dāng)放寬。事實上如上海金茂大廈88層120米，其高寬比為7 6；深圳地王大廈81層320米，其高寬比為8.8，均超過規(guī)范規(guī)定的“限值”。

（2）鋼結(jié)構(gòu)層間變形限制問題。我國現(xiàn)行規(guī)范中對高層鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的層間變形限值為層高的1/400；抗震小震的層間變形限值為層高的1/250-1/300。很多鋼結(jié)構(gòu)實際計算層間很難滿足規(guī)范的要求。國外高層鋼結(jié)構(gòu)建筑一般對層間位移角（剪切變形角）加以限制，主要是考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞，它不包括建筑物整體彎曲產(chǎn)生的水平位移，數(shù)值較寬松。

2.4抗火設(shè)計

目前規(guī)范基于試驗的抗火設(shè)計方法存在以下缺陷：實驗中的標(biāo)準(zhǔn)溫度升曲線與火災(zāi)情況不同；構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的受力也很難通過實驗?zāi)M，實際構(gòu)件受力各不同，實驗難以概全；未能考慮溫度應(yīng)力及變形影響，未能考慮高溫下結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的影響；未能考慮各構(gòu)件相互作用的影響，即結(jié)構(gòu)某一構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)并不意味著整體結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)。應(yīng)加快基于構(gòu)件計算的抗火設(shè)計方法的研究，這種方法以高溫下構(gòu)件的承載力狀態(tài)為耐火極限進(jìn)行判斷，考慮溫度內(nèi)力的影響。理論研究以有限元法為主，基本上能考慮任意荷載形式和端部約束狀態(tài)的影響。

3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計建議

3.1鋼結(jié)構(gòu)選型方面

應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)不同的特點考慮結(jié)構(gòu)選型。高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常采用鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)，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。在工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或移動荷載，就應(yīng)放棄門式剛架而采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。雪壓較大的地區(qū)，屋面曲線應(yīng)有利于積雪的滑落。降雨量大的地區(qū)可以與雪壓較大的地區(qū)一樣考慮。當(dāng)建筑條件允許時，在框架中布置支撐有更好的經(jīng)濟(jì)性；屋面覆蓋跨度較大的鋼結(jié)構(gòu)工程，應(yīng)選擇懸索或索膜等受拉為主的結(jié)構(gòu)體系。

3.2鋼結(jié)構(gòu)體系方面

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，在地震等級高時延性高的地震力小，延性差的地震力大，從抗高等級地震的性能來說，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，選用時應(yīng)慎重。

3.3鋼結(jié)構(gòu)樓板設(shè)計

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)澆樓板以及疊合板加現(xiàn)澆層樓板應(yīng)用較多，這幾種樓板的整體性都很好。震級較高的震區(qū)或重要鋼結(jié)構(gòu)，在柱的設(shè)計方面，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。

3.4鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點和支撐構(gòu)造方面

（1）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的內(nèi)容是連接節(jié)點的設(shè)計，應(yīng)該在結(jié)構(gòu)分析前對節(jié)點的形式進(jìn)行充分思考和確定，按傳力特性不同，節(jié)點分剛接，鉸接和半剛接，必須避免最終設(shè)計的節(jié)點與結(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)點設(shè)計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）鋼框架一般采用柱貫通型，較少采用粱貫通型?？拐鹪O(shè)計時，鋼框架和鋼支撐框架的梁柱連接應(yīng)為剛接。工程中常用的方法有兩種：①粱與柱直接連接；②在柱上焊接懸臂短粱，梁與懸臂短粱拼接。梁的拼接位置，應(yīng)在內(nèi)力較小的截面處，且在梁端塑性較區(qū)段以外。翼緣采用全熔透坡口焊縫連接，腹板可采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接，或翼緣和腹板均采用高強(qiáng)度螺栓連接。梁拼接的極限受彎承載力應(yīng)不小于梁的全塑性受彎承載力的1.2倍。梁拼接的極限受剪承載力應(yīng)不小于粱腹板的屈服受剪承載力。

（4）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。

（5）用外加勁肋和內(nèi)隔板進(jìn)行粱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）為防止管壁開裂，支撐與鋼管混凝土連接，不應(yīng)將節(jié)點板焊在鋼管管壁上。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

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)被越來越廣泛的重視和應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)工程在我國將得到前所未有的發(fā)展，要認(rèn)真分析鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計方面的問題，加強(qiáng)理論和實驗研究，總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，將相關(guān)成果納入國家規(guī)范或規(guī)程，從而確保我國高層鋼結(jié)構(gòu)工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。