鋼結(jié)構(gòu)建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題分析

薛賀雷

(甘肅省建材科研設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730020)

從西漢時期的鐵索橋到20世紀(jì)初的京張鐵路橋，鋼鐵材料在我國建筑中的發(fā)展使用是十分漫長的。20世紀(jì)中后期世界上逐漸興起的大跨度結(jié)構(gòu)建筑、高層建筑、超高層建筑使得鋼結(jié)構(gòu)的使用進(jìn)入飛速發(fā)展時期，人們逐漸認(rèn)識到鋼材的性能適應(yīng)現(xiàn)代建筑的發(fā)展要求，這種環(huán)保型材料開始應(yīng)用于現(xiàn)代高層、超高層建筑中。

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)

對于房屋建筑而言，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項前置工作，其主要功能體現(xiàn)于房屋建筑的結(jié)構(gòu)規(guī)劃，通過合理的規(guī)劃，能夠確保房屋建筑的安全性、功能性、實用性、舒適性等等，以此來滿足人們對房屋的需求。此外，基于建筑的建設(shè)目的不同，該建筑還可能需要包含部分特殊材料與技術(shù)，如此就進(jìn)一步加大了房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜程度。為了確保房屋建筑的質(zhì)量，通常房屋建筑在正式建設(shè)之前，需要預(yù)先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在確認(rèn)設(shè)計方案之后才能進(jìn)行施工。從理論上來說合理的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效提高建筑的質(zhì)量，并實現(xiàn)建設(shè)的目的。但有的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在設(shè)計方案、實施設(shè)計方案兩個方面，均存在一定的不足，極大地影響了房屋建筑的質(zhì)量。

2 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

現(xiàn)階段我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市化進(jìn)程持續(xù)增快，建筑工程的結(jié)構(gòu)形式也在不斷優(yōu)化，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中得到了廣泛使用。鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：(1)強(qiáng)度和柔韌性較高；(2)成本比較低，有著較高的性價比；(3)鋼結(jié)構(gòu)材料環(huán)保，不會影響建筑環(huán)境，不僅能節(jié)省資源，而且能再次循環(huán)使用；(4)有較強(qiáng)的抗震性能，穩(wěn)定性較好；(5)自重較輕，可以減少下部結(jié)構(gòu)承受的荷載，提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)體系

3.1 框架-支撐結(jié)構(gòu)

對于高層建筑，最主要的是承擔(dān)水平荷載，包括風(fēng)荷載和地震荷載?？蚣?支撐結(jié)構(gòu)在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用廣泛，在地震荷載作用時結(jié)構(gòu)有支撐和框架兩道防線，讓支撐結(jié)構(gòu)先消耗部分地震能量再破壞框架結(jié)構(gòu)，使得建筑破壞有一定的延性，人們有一定的時間得以逃生。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以根據(jù)建筑物建設(shè)地點、建筑高度、建筑使用功能采用合理的支撐形式以及支撐數(shù)量。當(dāng)建筑物的框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)比較大且不規(guī)則時，可采用偏心支撐以提高延性。對于上部是鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑可以采用帶邊框剪力墻結(jié)構(gòu)和由鋼支撐組合而成的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)共同抵抗水平荷載。

3.2 鋼-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)

鋼-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)由于自重輕、施工速度快、造價低等優(yōu)點被大量采用。當(dāng)要求建筑平面比較規(guī)則，外框筒的空間作用要求高時可以采用柱網(wǎng)較密的外部鋼結(jié)構(gòu)框架，樓層與內(nèi)外筒連接較好，使得內(nèi)外筒共同抵抗水平荷載。對于地震作用比較頻繁的區(qū)域，可以使得外部框架和內(nèi)部核心筒通過跨度不大的梁連接，并布置數(shù)量較多的鋼結(jié)構(gòu)框架柱，這樣構(gòu)成的平面框架剪力墻結(jié)構(gòu)通過合理的節(jié)點連接能較好地抵抗地震荷載。對于外部框架的柱網(wǎng)很大，內(nèi)部核心筒與外框只通過少量鋼梁鉸接的連接形式因其不能保證框架與筒體協(xié)同作用，因此不宜在地震區(qū)域采用。

3.3 鋼構(gòu)件組裝

搭建臺架、模架等，嚴(yán)格參照相應(yīng)的建筑圖紙、施工過程的工藝和標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)使用材料型號特點，優(yōu)化鋼構(gòu)件的安裝方案，最終確保搭建鋼構(gòu)件的平臺結(jié)構(gòu)平整牢固，有利于后續(xù)使用；整體過程實施之前落實好焊接工藝及焊接順序，焊接過程控制變形量，采取措施矯正相應(yīng)的變形，最終裝配成構(gòu)件。這部分的焊接還應(yīng)計算好焊接縫隙的加工余量，做好加工面的零部件整體尺寸的計算，遇到隱蔽部位裝配焊接問題，應(yīng)提前做好技術(shù)交底，技術(shù)分析滿足要求后，才能進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接；同時做好各類構(gòu)件的質(zhì)量檢驗工作，確保檢查合格后，按工藝進(jìn)行下一環(huán)節(jié)安裝；如果有材料需拼接時，提前拼接、焊接，達(dá)到要求后再進(jìn)行組裝。

4 當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)存在的不足

穩(wěn)定是建筑物的基本要求，也是社會公眾關(guān)注的要素。根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題成為導(dǎo)致當(dāng)前建筑項目鋼結(jié)構(gòu)安全問題的主因。鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會受到自身穩(wěn)定性的影響，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對其的研究非常有必要，在這個基礎(chǔ)上需要采取有效的措施進(jìn)行設(shè)防。

(1)鋼結(jié)構(gòu)自身的原因。鋼結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定會受到支撐系統(tǒng)的影響，例如鋼結(jié)構(gòu)鋼柱之間存在一定的支撐力，其會受到風(fēng)力、地震等方面的影響，從而直接影響到鋼結(jié)構(gòu)屋架上的負(fù)載力。而對于鋼結(jié)構(gòu)橫向構(gòu)造主要是確保其框架和排架剛度必須要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼結(jié)構(gòu)水平傳遞的負(fù)荷，如果鋼結(jié)構(gòu)自身不能達(dá)到平衡狀態(tài)，就會直接影響到整體的穩(wěn)定性。

(2)鋼結(jié)構(gòu)由桿件、板件組成，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件桿件的長細(xì)比及桿件的高厚比會直接影響到鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

除了鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題也需要重點關(guān)注。鋼材在抗腐蝕方面略顯不足，當(dāng)鋼材處于濕度較大以及具有腐蝕性環(huán)境時，鋼結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，并加速蔓延。建筑結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，構(gòu)件的承載能力便會被大大削弱，嚴(yán)重時甚至?xí){到整個建筑物的安全和穩(wěn)定，造成安全事故。

5 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略

5.1 鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計的時候需要合理考慮荷載、鋼結(jié)構(gòu)承受力以及節(jié)點性質(zhì)，需要在這個基礎(chǔ)上不斷調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)附加桿件的承受力。另外，還需要同時擴(kuò)大鋼結(jié)構(gòu)整體受力的極限值，充分考慮空間鋼結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的性質(zhì)，做好加固設(shè)計，使其能夠進(jìn)一步增加整體的剛度，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化驗算。如果有需要增加剛度，目前主要是增加支撐點和結(jié)構(gòu)剛度，或者進(jìn)一步調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率等，從而能夠改善鋼結(jié)構(gòu)整體的剛度和承載能力，進(jìn)一步提高整體的穩(wěn)定性。在排架結(jié)構(gòu)中重點加強(qiáng)某一列柱的剛度，確保鋼結(jié)構(gòu)整體的水平抗力達(dá)到要求，降低整體的負(fù)荷，增加整體的結(jié)構(gòu)剛度。

5.2 構(gòu)件設(shè)計及節(jié)點設(shè)計

為實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，必須針對構(gòu)件截面優(yōu)化及驗算，以縮減鋼結(jié)構(gòu)成本，對比較復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)，需要做好各構(gòu)件截面的驗算工作，特別是做好節(jié)點模塊的設(shè)計工作，這是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的關(guān)鍵點。在這個過程中，需要進(jìn)行等強(qiáng)設(shè)計及實際受力狀況的分析。在設(shè)計過程中，其主要的板塊包括焊接、梁腹板及翼緣等。節(jié)點施工過程中，需要做好現(xiàn)場焊接的施工及檢查工作，做好螺栓的安裝緊固工作，實現(xiàn)各項安裝程序的協(xié)調(diào)，嚴(yán)格按照設(shè)計圖展開施工。

5.3 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕問題的探討

鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要重點關(guān)注的。在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員要根據(jù)具體情況采用適宜的防腐蝕措施，增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕能力。為了有效解決鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題，可以在鋼結(jié)構(gòu)上涂抹具有防腐蝕能力的材料，給鋼結(jié)構(gòu)添加防腐蝕的防護(hù)層，增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕能力。保護(hù)涂層具有良好的附著力，有利于解決鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題。如今解決鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕主要方式是涂裝防銹漆，根據(jù)建筑工程的具體情況和施工要求進(jìn)行，同時需要充分考慮防腐設(shè)計的保養(yǎng)以及維護(hù)方法，從而能夠?qū)ν垦b進(jìn)行選擇半永久性和永久性。

5.4 防火設(shè)計要點

對于建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計而言，必然要選擇耐火性和防火等級較高材料。在當(dāng)前的建筑工程中，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計要嚴(yán)格根據(jù)施工項目的防火等級、防護(hù)種類的要求以及防火的具體情況作出針對性的防火設(shè)計和材料選擇。尤其對防火材料的選擇，要求選擇較涂層厚并且粘結(jié)強(qiáng)度較大的材料，進(jìn)而確保鋼結(jié)構(gòu)的整體防火指數(shù)和防火功能。而在鋼結(jié)構(gòu)的防火材料選擇中，如果厚型的材料仍然不能達(dá)到防火標(biāo)準(zhǔn)，此時可以選擇薄型的耐火材料，尤其要做好吊頂設(shè)計中的壓板材料的防火處理和防銹處理。防火標(biāo)準(zhǔn)和防護(hù)等級是確定鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方案的兩大依據(jù)，能夠確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中對防火水平的提高。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要以穩(wěn)定的對稱布置為好，減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，以上下貫通方式保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的剛度連貫性和穩(wěn)定性。L型或T型的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證鋼結(jié)構(gòu)有效發(fā)揮作用的兩種形式，鋼結(jié)構(gòu)最好位置是處于結(jié)構(gòu)外圍，這樣能更好地增強(qiáng)建筑構(gòu)造的抗扭曲和變形效果。

6 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)建筑施工時，施工人員要熟練掌握鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，施工管理人員要加強(qiáng)施工過程的質(zhì)量管理，從而保證鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工質(zhì)量。在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要熟悉鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范條文，將安全性和穩(wěn)定性放在設(shè)計的首位，萬萬不能為了追求經(jīng)濟(jì)效益的最大化而降低對質(zhì)量和安全的要求。鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)點也具有缺點，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要充分考慮防止鋼結(jié)構(gòu)的屈曲，確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。