建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性與策略探討

文/鐘崢、汪琦俊、陸夏曄、張賈申 中國聯(lián)合工程有限公司 浙江杭州 310052

目前，我國的建筑行業(yè)已經(jīng)開始廣泛使用鋼結(jié)構(gòu)作為主要結(jié)構(gòu)進行施工，然而很多施工中忽視了對建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，導(dǎo)致了鋼材獨特的延展性和剛性無法得到有效保證。我們需要通過鋼結(jié)構(gòu)進行科學(xué)的設(shè)計來保證鋼結(jié)構(gòu)其本身的延展性和剛性，讓其能夠在建筑物中發(fā)揮獨特的塑性變形能力。設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)工程的實際情況，對建筑鋼結(jié)構(gòu)進行有效分類和科學(xué)設(shè)計，從而保證建筑工程施工的質(zhì)量。

1、建筑物鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性

我國目前鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方式主要為門式鋼架、網(wǎng)架等，在石棉瓦與輕型屋面和三角形屋架中也有著廣泛的應(yīng)用。從這些應(yīng)用中我們可以看出鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢已經(jīng)得到了我國建筑行業(yè)的普遍認可，在未來，科技人員和設(shè)計人員將會不斷發(fā)掘鋼結(jié)構(gòu)在建筑應(yīng)用的更多形式，鋼結(jié)構(gòu)將會有更加廣闊的發(fā)展前景，并為建筑行業(yè)的不斷發(fā)展起到推進作用。

2、建筑物鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類

2.1 剛性結(jié)構(gòu)

剛性結(jié)構(gòu)即是指從建筑物的結(jié)構(gòu)出發(fā)，將建筑物的整體性和連續(xù)性在連接結(jié)構(gòu)處構(gòu)造出來，使之能夠符合建筑構(gòu)造的力學(xué)特征的結(jié)構(gòu)設(shè)計。一般情況下腹板采用雙角鋼連接，上下翼緣通過連接板或者螺栓與構(gòu)件相連，當(dāng)在翼緣鋪蓋鋼格柵時，需要對翼緣采取現(xiàn)場坡口焊接處理。對于載荷較小的梁柱，在剛性連接時可采用端板連接，輕型的門式鋼架中的剛性結(jié)構(gòu)通常采用這種連接方式，讓翼緣與腹板與端板連接，然后通過螺栓將端板與柱連接。端板連接的方式重要注意端板自身的材料性能，必須有足夠的剛度來抵抗梁產(chǎn)生的彎矩，端板的厚度足夠時則視為剛性連接，端板的厚度不足時則視為半剛性連接。同時注意焊縫的處理方式，根據(jù)外載荷的大小和梁翼緣板的厚度來選擇角焊縫或者全熔透坡口焊[1]。

2.2 鉸接結(jié)構(gòu)

鉸接結(jié)構(gòu)通常采用雙角鋼、端板、單剪板與雙剪板作為連接件，在鋼結(jié)構(gòu)中一般作為連接主梁和次梁的連接結(jié)構(gòu)使用，也可以應(yīng)用在斜梁的結(jié)構(gòu)拼接之中。將雙角鋼分別焊接在次梁腹板的兩側(cè)，同時將雙角鋼與主梁通過螺栓連接，從而完成主梁與次梁之間的連接。焊縫應(yīng)該采用三面圍焊設(shè)計，能夠全面提升構(gòu)件的承載能力。在應(yīng)對外荷載較小情況是，端板只需達到一定剛度，能同時承受剪力和軸力即可。單剪板連接對于輕型次梁而言十分簡單方便，一般采用三面圍焊與主梁相連，用螺栓與次梁相連，此時螺栓將承受較大的偏心荷載影響。在螺栓不足以于外荷載過大的剪力相抵抗時，應(yīng)該對鉸接結(jié)構(gòu)采用雙剪板的設(shè)計形式。單雙剪板連接方式更主要應(yīng)用與主梁無法對螺栓進行緊固的工程之中[2]。

3、建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略

3.1 梁與柱之間結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

梁與柱之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點主要在于其承受力的要求和抗震性能的設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)的柱在設(shè)計上一般都是貫通型的，要充分考慮承受力的設(shè)計，所以要求框架在于梁柱連接時采用剛性連接的設(shè)計，翼緣應(yīng)該能對整體帶來較高的受彎承受力，這種承受力的設(shè)計應(yīng)該高于梁整體塑形受彎力的1.5倍，腹板應(yīng)該有一定的受剪承受力，腹板的受剪承受力應(yīng)該高于梁兩端對其施加的力的1.4倍；連接結(jié)構(gòu)在設(shè)計時要充分考慮到抗震性能，加強柱與梁翼緣連接處的加勁肋設(shè)計，以及對腹板角處采用扇形切角設(shè)計，用全熔透的焊縫技術(shù)來減少焊接縫的出現(xiàn)，抗震設(shè)計時應(yīng)該考慮到梁的全截面塑性模量，一旦其高于翼緣的百分之79時，腹板與柱的連接系數(shù)要大于其連接系數(shù)，并采用兩端排列的方式進行連接。

3.2 次梁與主梁連接結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

次梁與主梁連接點設(shè)計時有兩種設(shè)計方案：一是將結(jié)構(gòu)設(shè)計為鉸接結(jié)構(gòu)；二是設(shè)計為剛接結(jié)構(gòu)。鉸接結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡單，制作方便，安裝簡易等優(yōu)勢，所以一般在實際工程中采取鉸接的設(shè)計。剛結(jié)可以將次梁成為連續(xù)梁，可以起到減少材料損耗，次梁撓度的作用。次梁與主梁連接時應(yīng)該采取鉸接連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計，按照次梁的剪力設(shè)計，同時考慮到連接偏心力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加彎矩，可以不用考慮主梁的扭矩?？拐鹪O(shè)計時，要從構(gòu)件橫梁的側(cè)向屈服力出發(fā)設(shè)計，在橫梁的翼緣結(jié)構(gòu)塑生區(qū)設(shè)置側(cè)向支撐構(gòu)件。由于梁的翼緣是與樓板連接在一起的，所以主梁也會受到樓板以及翼緣的建立，要在下方填充支隔物，讓支隔可以起到同時支撐兩根橫梁的作用。

3.3 柱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.3.1 埋入式柱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

埋入式的柱腳即是指將鋼結(jié)構(gòu)的柱按照相應(yīng)要求固定在鋼筋混凝土中，然后進行混凝土澆灌處理，從而形成剛性固定的基礎(chǔ)。設(shè)計時我們假定柱的軸心壓力由埋入基礎(chǔ)下的柱腳底板產(chǎn)生并直接傳遞給混凝土基礎(chǔ)和基礎(chǔ)梁；彎矩由翼緣上的螺栓直接傳遞給鋼筋混凝土基礎(chǔ)或由柱翼緣傳遞給混凝土；柱底部的水平剪力由埋入混凝土的鋼柱的翼緣與基礎(chǔ)梁的承壓力來傳遞；不考慮其埋入柱腳與土壤和混凝土的摩擦力和粘結(jié)力。通過這些力的分析作為設(shè)計的主體指導(dǎo)思想，來進行柱腳結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

3.3.2 外包式柱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

外包式柱腳是由鋼筋混凝土將柱腳抱起來的柱腳設(shè)計。其中要充分考慮鋼筋混凝土的包腳高度，截面尺寸和箍筋配置，他們對于柱腳內(nèi)力的傳遞和恢復(fù)特性起到了重要的作用。在設(shè)計時，一般對期內(nèi)力的傳遞做以下假定：軸力壓力由鋼柱柱腳地板直接傳遞給鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；彎矩由翼緣抗剪螺栓先傳遞到鋼筋混凝土外部，再由外部結(jié)構(gòu)傳遞到基礎(chǔ)與梁中；水平剪力在傳遞過程中，由底板和混凝土之間的摩擦先抵消一部分，再由包腳的混凝土和箍筋配置共同承擔(dān)。

結(jié)語：

鋼結(jié)構(gòu)目前在建筑行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的認可與應(yīng)用，它與其他結(jié)構(gòu)相比，擁有著高剛性、高穩(wěn)定性以及高性價比等獨特優(yōu)勢。本文從建筑物鋼結(jié)構(gòu)的總體概要出發(fā)，建筑物鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類和鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點進行了深入的論述，詳盡的說明了鋼結(jié)構(gòu)剛性結(jié)構(gòu)和鉸結(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性和適用情況，同時對梁與柱、次梁與主梁、柱腳三種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行了設(shè)計要點上的明晰，希望能夠讓鋼結(jié)構(gòu)能夠更好的為建筑施工服務(wù)，推進建筑行業(yè)的發(fā)展歷程。