淺談鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計

李穎 石代 關(guān)丹

摘 要：本文論述了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的一些問題，并對其存在的問題做出了相應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)構(gòu)造

一、鋼結(jié)構(gòu)概述

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)廠房在我國建筑行業(yè)中也隨之迅速的發(fā)展，在鋼筋混凝土建筑之后，鋼結(jié)構(gòu)廠房是最具革命性的建筑新發(fā)展和新應(yīng)用之一。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾方面：1.鋼結(jié)構(gòu)的強度大相同跨度的廠房鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)更輕，從而減輕結(jié)構(gòu)的自重。2.鋼結(jié)構(gòu)開間和跨度可以做的更大，內(nèi)部分割更靈活。3.因為鋼結(jié)構(gòu)的自重輕（部分樓面采用鋼格柵、屋面墻面可以采用夾芯彩鋼板），地震作用力比混凝土結(jié)構(gòu)要小，從而也減小了基礎(chǔ)設(shè)計的內(nèi)力，降低基礎(chǔ)造價。4.鋼結(jié)構(gòu)材料的延性好，地震作用下能吸收更多的地震能量，地震來臨的時候有相對較多的時間逃生。5.鋼結(jié)構(gòu)施工速度快，對于一些資金緊張（比如建設(shè)需要大量的銀行貸款，或者急需早日投產(chǎn)的項目）的企業(yè)來說，這些往往是決定性的因素。

二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.收集資料。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的前期資料準(zhǔn)備工作首先就是要收集環(huán)境資料，包括：使用年限內(nèi)的基本風(fēng)速、風(fēng)壓和雪壓；當(dāng)?shù)氐耐寥李悇e；大氣中是否含腐蝕性成分；當(dāng)?shù)氐卣鸹玖叶燃敖ㄖ锟拐鹪O(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計基本地震加速度值等等。其次，必須收集規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，目前我國現(xiàn)時實行的主要設(shè)計規(guī)范是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。再次，要了解結(jié)構(gòu)設(shè)計的習(xí)慣做法，例如：坡口焊與刨平頂緊的使用，插入式柱腳和錨栓式柱腳的使用，建筑墻體采用開敞還是封閉等。

2.確定結(jié)構(gòu)體系、柱網(wǎng)。鋼結(jié)構(gòu)體系主要由橫向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和縱向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成。橫向系統(tǒng)的具體情況根據(jù)工藝要求、廠房剛度要求、結(jié)構(gòu)受力情況、材料選用情況等確定?？v向系統(tǒng)一般由柱及其支撐、托架、吊車梁及制動梁或桁架、墻梁等組成。

柱網(wǎng)的確定一般依據(jù)工藝要求、經(jīng)濟柱距及跨度、建筑美觀等方面。造價主要包括基礎(chǔ)費用，鋼材用量、制作安裝難度及進度等。跨度的確定一般根據(jù)工藝的要求。廠房的劃分由起重量Q確定，當(dāng)Q≤20t為輕型廠房；當(dāng)30t≤Q≤75t為中型廠房；當(dāng)100t≤Q≤250t為重型廠房；當(dāng)Q>250t為特重型廠房。根據(jù)多年設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)，經(jīng)濟柱距為：重型廠房地基差時宜采用24m，中型廠房地基差時采用18m、15m，輕型廠房采用12m；地基較好時廠房一般宜采用12m、18m柱距。經(jīng)濟柱距的確定還應(yīng)考慮吊車軌面標(biāo)高等因素。

3.設(shè)計荷載及荷載效應(yīng)的計算。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮的荷載包括：風(fēng)載，地震荷載，活荷載，吊車荷載。按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮荷載組合。荷載的標(biāo)準(zhǔn)值、荷載分項系數(shù)、荷載組合值系數(shù)、動力荷載的動力系數(shù)等應(yīng)采用現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009中的規(guī)定。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0應(yīng)采用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068中的規(guī)定。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017中的規(guī)定，說明如何計算吊車荷載：作用于每個輪壓處的水平力標(biāo)準(zhǔn)值：Hk=αPkmax；Pkmax：吊車最大輪壓標(biāo)準(zhǔn)值；α：系數(shù)，一般軟鉤吊車α=0.1，抓斗或磁盤吊車α=0.15，硬鉤吊車α=0.2。

4.結(jié)構(gòu)構(gòu)造。鋼結(jié)構(gòu)的主材是根據(jù)不同鋼型號的物理性能確定的，如：屈服強度和抗拉強度。高強螺栓是根據(jù)屈服強度、抗拉強度、承剪切能力、抗滑移能力和扭矩值來確定的。

三、鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中應(yīng)注意的問題

1.鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕及防腐。造成鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的原因很多。首先是環(huán)境因素，鋼結(jié)構(gòu)長期暴露在相對濕度比較大的環(huán)境中，就會產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，而且環(huán)境中的酸、鹽等化學(xué)物質(zhì)也會使鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕加速；其次是由于設(shè)計的不合理，例如：鋼架和墻體之間應(yīng)該保留足夠的空間，便于維護；還有施工時控制不良，主要是由于涂料質(zhì)量控制及施工過程涂膜厚度的檢查不嚴(yán)格造成腐蝕問題出現(xiàn)。

鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕生銹降低鋼結(jié)構(gòu)的強度和承載能力，減少鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命，一旦由于腐蝕造成鋼結(jié)構(gòu)變形、斷裂、垮塌就會造成難以挽回的損失，并且鋼結(jié)構(gòu)腐蝕影響建筑物的美觀。因此，當(dāng)務(wù)之急是做好防腐工作。選擇防腐涂料要考慮涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于維修等。防腐蝕年限小于5年為短期防腐蝕、5年至15年為中等防腐蝕、大于15年為長效防腐蝕。室外鋼結(jié)構(gòu)宜采用環(huán)氧富鋅底漆兩度、環(huán)氧云鐵中間漆兩度、聚氨酯面漆兩度，總漆膜厚度不小于150μm的長效防腐涂料。室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)宜采用鐵紅醇酸底漆一度、云鐵醇酸防銹漆一度、醇酸面漆兩度，總漆膜厚度160μm。

2.鋼材及連接材料的選擇。鋼結(jié)構(gòu)既承受靜力荷載又承受動力荷載，必須根據(jù)其所受的荷載情況選用適當(dāng)?shù)匿摬?，直接承受動力荷載的鋼材應(yīng)具有較高的質(zhì)量，需要驗算疲勞的鋼材對綜合性能要求更高。承重結(jié)構(gòu)的鋼材根據(jù)規(guī)范宜采用Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼。承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)保證在抗拉強度、伸長率、屈服強度含量等方面必須符合規(guī)定，。對受拉和受彎的鋼材應(yīng)選用較高質(zhì)量的，防止鋼材產(chǎn)生斷裂。焊接結(jié)構(gòu)鋼材的質(zhì)量要求應(yīng)高于同樣情況的非焊接結(jié)構(gòu)鋼材，應(yīng)保證含碳、硫、磷的量符合規(guī)定。鋼中硫含量過高會造成鋼材的熱脆現(xiàn)象，而磷含量過高會造成鋼材的冷脆現(xiàn)象，對經(jīng)常處于或可能處于較低溫度下工作的鋼結(jié)構(gòu)，尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用化學(xué)成分和力學(xué)性能質(zhì)量較好的鋼材。鋼材質(zhì)量等級：Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼可分有A、B、C、D、E五級。下表描述了焊接結(jié)構(gòu)和非焊接結(jié)構(gòu)在不同的工作溫度下所使用的不同的鋼材質(zhì)量等級。

如表1所示。

3.鋼材焊接裂縫。焊縫裂紋出現(xiàn)的原因：（1）廠家的焊接質(zhì)量較差，同時運輸過程中的振動使原始的裂縫加大甚至開裂。為了保證安全，質(zhì)檢人員應(yīng)該重視這些焊縫、加強對焊縫的檢驗力度，保持大板梁等長度較大鋼結(jié)構(gòu)在吊裝運輸過程中受力均勻、不發(fā)生大的變形，以避免裂縫的出現(xiàn)。（2）焊接時焊劑焊條潮濕、焊接坡口沒有清理，在氣體保護焊時，有油污、氣體保護不當(dāng)進入空氣，導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生，可能引起裂縫。因此在焊接前，要將焊接部位徹底清理干凈，在鋼結(jié)構(gòu)制作過程中要按照焊接相關(guān)規(guī)程對鋼材進行保管存放，對于存在氣孔的部位要引起高度的注意，防止焊接裂縫產(chǎn)生。

四、結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計在一個良好的工程中至關(guān)重要。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中不能只考慮材料的優(yōu)點，更要重視材料的缺點。鋼結(jié)構(gòu)在工程中有很多優(yōu)點，并且已經(jīng)在我國的建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但是它的缺點也是不可忽視的，所以在設(shè)計過程中要全面考慮各方面的因素，才不會在日后的使用中出現(xiàn)問題。