鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計注意事項分析

張文杰

（甘肅第四建設(shè)集團有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730060）

1 引言

近年來，隨著建筑工程項目的日漸增多，建筑工程安全管理問題頻出，全國各地工程質(zhì)量安全問題相繼出現(xiàn)也給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計敲響了警鐘。為提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全和穩(wěn)定性，建筑行業(yè)也經(jīng)歷了多次技術(shù)革新，從原來的磚墻結(jié)構(gòu)到普遍適用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，再到現(xiàn)在日益盛行的鋼結(jié)構(gòu)，建筑體的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式在不斷改進。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是近年來逐漸發(fā)展起來的新技術(shù)，幫助建筑施工行業(yè)向節(jié)約化、輕量化轉(zhuǎn)變。目前，大量高新建筑主結(jié)構(gòu)體已經(jīng)青睞于向鋼結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)變，其中最為典型的代表莫過于北京鳥巢奧林匹克體育場館，采用純鋼結(jié)構(gòu)的搭接形式，設(shè)計新穎、結(jié)構(gòu)獨特，不僅美觀，具有很強的藝術(shù)性，而且簡約，節(jié)約了大量的混凝土建材，對周邊環(huán)境也十分友好，成為建筑行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)桿。然后，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計看似簡單，實際上需要經(jīng)過構(gòu)思、分析、計算等多方面的深化設(shè)計，以確保鋼結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中，設(shè)計人員必須掌握鋼結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計原則，重點考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型、鋼結(jié)構(gòu)的連接形式、鋼結(jié)構(gòu)搭接時的力學(xué)計算和有限元分析等關(guān)鍵點問題，避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)強度不夠等質(zhì)量缺陷。鑒于此，文章針對鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中的注意事項和重點問題進行分析，并提出了解決和處理問題的策略思路，以確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量安全。

2 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中的問題分析

2.1 設(shè)計人員專業(yè)能力較低，技術(shù)管理相對較弱

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計需要重點關(guān)注設(shè)計方面的問題，首當(dāng)其沖的是設(shè)計人員自身的專業(yè)能力和技術(shù)管理問題。一方面，鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計需要設(shè)計人員具有很強的專業(yè)素養(yǎng)，同時還應(yīng)具備極高的綜合能力，但目前，我國建筑行業(yè)從業(yè)人員，結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)人員專業(yè)能力相對不高，針對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計問題不僅缺乏相應(yīng)的設(shè)計經(jīng)驗，而且在整個鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計周期的管理中也存在管理漏洞，此外，大部分的鋼結(jié)構(gòu)從業(yè)人員僅僅懂得結(jié)構(gòu)設(shè)計，對鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算和有限元分析并不專業(yè)，而鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析計算是確保鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果缺少了理論計算和分析依據(jù)，很容易導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙存在一定的錯誤和不合理之處，從而影響鋼結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定；另一方面，鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計缺乏技術(shù)管理，這體現(xiàn)了設(shè)計部門對鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計不夠重視，在對設(shè)計圖紙的校對、審核、批準(zhǔn)等一系列設(shè)計流程中，存在技術(shù)管理不足或部分流程缺失的情況，鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計圖紙需要經(jīng)過技術(shù)討論、方案確定、驗算校核、細化設(shè)計、設(shè)計審核、審批等一系列過程，任何一個環(huán)節(jié)的缺失都會影響鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙的質(zhì)量，而技術(shù)管理上的不夠重視，也無形中助長了圖紙設(shè)計缺陷問題的發(fā)生。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏依據(jù)，理論計算和分析不足

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中需要遵循一定的設(shè)計原則、理論計算和建模分析等，只有經(jīng)過理論計算和分析合格以后，才能進一步提升結(jié)構(gòu)設(shè)計安全系數(shù)，確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全。但是實際設(shè)計中，一些設(shè)計人員照搬照抄其他類似項目的圖紙，忽視了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計上的原則性問題，缺少正確的理論計算和建模分析，從而導(dǎo)致設(shè)計圖紙存在錯誤或不合理之處。首先，我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員經(jīng)常依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗而輕視設(shè)計規(guī)范，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計偏離了相關(guān)設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，雖然依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗并不會帶來多大的問題，但是其中隱藏的安全風(fēng)險也不容忽視；其次，設(shè)計人員缺乏理論計算和利用有限元分析軟件建模分析的能力，導(dǎo)致對深化設(shè)計形式缺乏理論計算和建模分析的校核，理論力學(xué)、材料力學(xué)計算是鋼結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的重點理論基礎(chǔ)，缺少理論基礎(chǔ)的支撐，設(shè)計圖紙的正確性無法保證，而有限元分析計算可以模擬振動、沖擊等更多特殊條件下的受力情況，對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計分析更加嚴(yán)謹(jǐn)深入，缺少有限元建模分析，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全系數(shù)不明確，同樣不能保證設(shè)計圖紙的安全性。此外，在進行理論計算和建模分析時，一定要選擇正確的計算公式，輸入正確的邊界條件，否則將會得出錯誤的計算結(jié)果，根據(jù)錯誤的計算結(jié)果作為設(shè)計依據(jù)，必然存在很大的安全風(fēng)險，因此，計算過程必須認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)，計算結(jié)果必須準(zhǔn)確、可靠。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)的型材選型問題，截面參數(shù)估算偏差

鋼結(jié)構(gòu)由大量的型鋼組成，因此，對鋼結(jié)構(gòu)的型材選型和截面估算上也是鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中的重點內(nèi)容，目前存在的主要問題在于鋼結(jié)構(gòu)型材選型不準(zhǔn)確、截面參數(shù)估算偏差過大等。一方面，鋼結(jié)構(gòu)型材選型上，市面上有槽鋼、H型鋼等不同的鋼材類型，設(shè)計人員在進行鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計時，如果沒有依據(jù)建筑項目實際結(jié)構(gòu)需求和計算結(jié)果選擇合適的鋼材類型，不僅會影響鋼結(jié)構(gòu)的連接點的設(shè)計，而且也會影響鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，而且對鋼材選型不嚴(yán)謹(jǐn)，也會導(dǎo)致鋼材的浪費，因為槽鋼、H型鋼間的力學(xué)性能不同、結(jié)構(gòu)差異也大、造價成本也有差別，因此，如果鋼材選型上沒有充分考慮到位，既會影響鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全，同時也會影響工程造價的成本；另一方面，鋼材結(jié)構(gòu)布置和連接點形式的設(shè)計與鋼材截面形式息息相關(guān)，因此，在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中如果缺乏對鋼材截面參數(shù)的正確估算，也會影響鋼結(jié)構(gòu)支撐和連接的安全和穩(wěn)固性，鋼結(jié)構(gòu)截面的估算與不同型鋼的截面尺寸有關(guān)，截面估算還包含了對構(gòu)件梁柱和支撐面的選型、截面高度、板材厚度以及支座載荷情況等，如果這些關(guān)鍵點參數(shù)不明確或選型存在嚴(yán)重誤差，對鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全影響很大，建筑結(jié)構(gòu)也將存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險。

3 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)點分析

3.1 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計選型

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中，針對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計選型問題極為關(guān)鍵，不僅影響到后續(xù)設(shè)計的配合性和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的穩(wěn)定性，同時也影響到建筑企業(yè)的經(jīng)濟效益。首先，針對鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性考慮上，由于建筑體中用到大量的鋼結(jié)構(gòu)，其中工程造價成本影響很大，而設(shè)計中所需的鋼材類型、截面尺寸、布置形式等影響到鋼材的價格以及用材的數(shù)量，這些都是影響建筑企業(yè)工程造價成本的關(guān)鍵，因此，建筑企業(yè)在前期鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計階段，必須綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計選型問題，在滿足鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和質(zhì)量安全前提下，應(yīng)選擇造價經(jīng)濟的鋼材類型，同時，要正確計算用鋼量，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、改進結(jié)構(gòu)形式，從而盡可能地降低用鋼量，節(jié)約造價成本；其次，鋼結(jié)構(gòu)的布置設(shè)計上，應(yīng)考慮跨度形式、懸掛載荷、經(jīng)濟性等多方面因素，在布置設(shè)計上多下功夫，是控制鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的必要條件，也是節(jié)約工程造價成本的關(guān)鍵。為此，鋼結(jié)構(gòu)布置設(shè)計的力學(xué)模型要清晰，建模準(zhǔn)確，邊界條件應(yīng)考慮全面，特別是針對抗震、抗剪、抗彎等極限工況載荷的力學(xué)模型驗算，一定要準(zhǔn)確計算，滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全系數(shù)要求，此外，鋼結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計和布置，應(yīng)考慮主梁、次梁等一系列鋼結(jié)構(gòu)的布置位置，特別是針對框架結(jié)構(gòu)的樓層平面控制上，應(yīng)控制好樓層凈高，同時也要考慮頂層邊柱等鋼結(jié)構(gòu)的受力條件，避免出現(xiàn)承載能力不足的情況而埋下安全隱患。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)的截面估算

鋼結(jié)構(gòu)的截面形式和估算面積影響到整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固，因此，鋼結(jié)構(gòu)截面估算也是鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中必須關(guān)注的關(guān)鍵點之一。鋼結(jié)構(gòu)截面的大小不僅影響到用鋼量的大小，同時也影響到鋼結(jié)構(gòu)的連接形式和力學(xué)安全性能，為此，必須正確估算鋼結(jié)構(gòu)截面積，正確選擇合適的型鋼類型。首先，鋼結(jié)構(gòu)中不同的型鋼類型其截面形式不一樣，如槽鋼、軋鋼、H型鋼等，深化設(shè)計時應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)承受載荷能力及支座連接要求合理選擇鋼結(jié)構(gòu)的截面類型，從而確定選取鋼材的類型，其中，需要注意的一些關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)計算準(zhǔn)確，如鋼結(jié)構(gòu)所需截面的高度、寬度以及翼緣厚度等，保證鋼結(jié)構(gòu)截面的承載能力；其次，計算鋼結(jié)構(gòu)截面時，針對梁柱形式的鋼結(jié)構(gòu)截面可以采用長細比的估算形式，柱截面選型上，有一定的設(shè)計要求，通常會根據(jù)截面軸心受壓、雙向受彎矩或單向受彎等不同的受力條件，選擇鋼管、H型鋼等相應(yīng)的截面類型，從而根據(jù)計算的用鋼量，估算所需的截面大??；再次，在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中，針對鋼結(jié)構(gòu)截面選型的要求上并沒有固定的形式，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)實際受力情況，具體問題具體分析，合理選取承載性能好、經(jīng)濟性高的鋼材類型，在確保鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的前提下，也要重視造價成本的節(jié)約。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)由大量的型鋼連接而成，因此，鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計也是影響鋼結(jié)構(gòu)連接質(zhì)量安全的一大重要技術(shù)因素。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計形式上，可根據(jù)不同種類的鋼結(jié)構(gòu)形式選取，設(shè)計中應(yīng)考慮連接強度、連接可操作性等多方面因素，確保節(jié)點連接安全可靠。首先，焊接是鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接中最為常見的一種形式，針對焊接設(shè)計要求，應(yīng)合理選取焊接形式，一定要在圖紙中按焊接規(guī)范要求標(biāo)注好焊接符號，保證焊接質(zhì)量，同時，應(yīng)在技術(shù)要求中明確焊縫質(zhì)量，考慮焊縫的重心位置盡量與構(gòu)件重心接近，并要求做好焊縫的無損檢測，保證焊縫質(zhì)量，提高焊接可靠性；其次，針對鋼結(jié)構(gòu)連接板之間的節(jié)點設(shè)計，需準(zhǔn)確計算選取連接板的厚度，根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求，連接板厚度比梁覆板厚度至少大于4 mm以上，可在確定梁覆板厚度尺寸以后，確定連接板的厚度，同時，根據(jù)確定的厚度，運用有限元分析軟件，驗算連接板凈截面的抗剪性能是否合格達標(biāo)，如不達標(biāo)，可增大凈截面積或者適當(dāng)提高連接板厚度等，保證連接板的力學(xué)性能；再次，如在鋼結(jié)構(gòu)中采用螺栓連接形式，應(yīng)確定連接螺栓數(shù)量，并驗算連接螺栓孔凈截面的抗剪能力，同時，選擇高強度的連接螺栓，并驗算連接螺栓的承壓和抗剪能力，保證連接螺栓的可靠性。

4 提升鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計質(zhì)量的策略分析

4.1 提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的專業(yè)能力和綜合素質(zhì)

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計十分考驗設(shè)計人員的專業(yè)能力和綜合素質(zhì)，為此，設(shè)計單位必須加強設(shè)計人員技術(shù)能力的提升，并通過強化技術(shù)管理，提高設(shè)計人員的綜合素質(zhì)，保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙質(zhì)量。為此，首先，必須嚴(yán)格選拔鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，根據(jù)學(xué)歷條件、專業(yè)水平、從業(yè)經(jīng)驗、業(yè)績要求等選拔優(yōu)秀的設(shè)計人員，提升設(shè)計團隊的專業(yè)水平；其次，加強設(shè)計人員的日?？己撕图夹g(shù)培訓(xùn)，技術(shù)水平考慮依據(jù)設(shè)計任務(wù)量、設(shè)計錯誤率、圖紙返工率等作為考核條件，采取優(yōu)勝劣汰或績效評級的方式，同時，定期進行設(shè)計經(jīng)驗交流或技術(shù)培訓(xùn)，提高設(shè)計人員的專業(yè)水平；再次。設(shè)計部門必須重視鋼結(jié)構(gòu)圖紙設(shè)計的技術(shù)管理工作，嚴(yán)格要求設(shè)計質(zhì)量，認(rèn)真做好設(shè)計校對、審核、審批等不同流程的任務(wù)要求，特別是針對圖紙審核，一定要認(rèn)真、負(fù)責(zé)，發(fā)現(xiàn)錯誤立即要求更改，提高圖紙設(shè)計質(zhì)量。

4.2 合理運用分析軟件及計算理論驗算力學(xué)性能

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中，為保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計合理和力學(xué)結(jié)構(gòu)的安全可靠性，通常需要利用有限元分析軟件以及普遍適用的力學(xué)計算模型進行理論驗算，達到一定安全系數(shù)的前提下再考慮設(shè)計形式的適用及合理性。首先，鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析軟件中，常用的如ANSYS有限元分析軟件，必須要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員熟練掌握有限元分析軟件的操作，根據(jù)設(shè)計圖紙正確建立力學(xué)模型，根據(jù)實際工況條件正確輸入邊界條件，提高有限元分析的準(zhǔn)確性；其次，合理選用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中普遍適用的力學(xué)計算公式、理論結(jié)果等，如材料力學(xué)、梁——柱理論、預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論等，保證鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計遵循正確的理論基礎(chǔ)，并通過這些科學(xué)、完善、合理的理論體系驗算，進一步驗證圖紙設(shè)計的可靠性，從而提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量安全。

4.3 綜合考慮不同因素對鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的影響

在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮不同的因素可能對鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和質(zhì)量安全帶來的影響，盡量減少不同因素帶來的安全風(fēng)險。為此，首先，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案確定上，要認(rèn)真做好前期的研究工作，分析工程條件和不同的影響因素，合理設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)形式，對設(shè)計方案進行反復(fù)分析、驗算、校核，并不斷優(yōu)化改進設(shè)計方案，以確定設(shè)計方案的可靠性；其次，在針對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算時，應(yīng)充分考慮鋼結(jié)構(gòu)受力的極端條件，如遇地震、臺風(fēng)等極端天氣下鋼結(jié)構(gòu)的承載能力，嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)抗震等級進行安全驗算，充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的承壓能力和不均勻負(fù)載條件的承受能力，通過必要的加固措施或優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)形式，提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震、抗剪、抗壓等力學(xué)能力，以達到安全穩(wěn)固的設(shè)計條件。

5 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是近年來逐漸發(fā)展起來的新技術(shù)，幫助建筑施工行業(yè)向節(jié)約化、輕量化轉(zhuǎn)變。為此，在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中，設(shè)計人員必須掌握鋼結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計原則，重點考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型、鋼結(jié)構(gòu)的連接形式、鋼結(jié)構(gòu)搭接時的力學(xué)計算和有限元分析等關(guān)鍵點問題，避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)強度不夠等質(zhì)量缺陷。