建筑混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)和方法

李軍林

0 引言

某工業(yè)廠房的主體結(jié)構(gòu)為三層，該廠房的長(zhǎng)度是13m，寬度是42m，總建筑面積是16 300m。在該工業(yè)廠房的建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)，其主要的土質(zhì)組成部分包括帶有卵石的砂粒、粉質(zhì)黏土以及淤泥質(zhì)黏土等，其厚度在35～39m 之間。通過(guò)各方面因素的綜合考慮，在本次工程設(shè)計(jì)中，將該工業(yè)廠房的風(fēng)壓設(shè)計(jì)為0.6KN/m，將其抗震設(shè)防烈度設(shè)計(jì)為7 度。本次工程項(xiàng)目的工期是半年，具體施工中，需要在45d 之內(nèi)完成整體建筑工程施工方案及其施工圖紙的設(shè)計(jì)；在兩個(gè)月之內(nèi)完成地面處理和基礎(chǔ)施工；在75d 之內(nèi)完成整體工程的上部結(jié)構(gòu)施工，并做好竣工交付。由于工期比較緊，所以在對(duì)其鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者一定要確保設(shè)計(jì)工作的準(zhǔn)確性和快速性，盡最大限度避免由于設(shè)計(jì)不當(dāng)而導(dǎo)致的工程變更甚至返工情況，讓整體工程施工質(zhì)量及其進(jìn)度得以良好保障?；诖耍疚木蛯?duì)該工業(yè)廠房建設(shè)項(xiàng)目中的鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。圖1 是本次所研究的某工業(yè)廠房整體效果圖。

圖1 本次所研究的某工業(yè)廠房整體效果圖

1 建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)

就目前的房屋建筑工程來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)是最為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用與分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是鋼結(jié)構(gòu)還是混凝土結(jié)構(gòu)，都會(huì)具備一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與不足。以下是對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)形式的主要特點(diǎn)所進(jìn)行的分析。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

1.1.1 抗震性

因鋼材的塑性及其韌性都非常好，可讓整體建筑結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，使其抗震性能得以顯著提升，從而有效延長(zhǎng)整體建筑工程的使用壽命。

1.1.2 抗裂性

相比較傳統(tǒng)的磚石結(jié)構(gòu)而言，鋼結(jié)構(gòu)所受的溫度影響較小，不容易開(kāi)裂，且能夠?qū)Τ兄貕Φ膲毫M(jìn)行分擔(dān)，從而進(jìn)一步降低墻體開(kāi)裂概率，具有良好的抗裂性能。

1.1.3 耐久性

與傳統(tǒng)的木質(zhì)結(jié)構(gòu)和磚石結(jié)構(gòu)而言，鋼結(jié)構(gòu)具備更好的耐腐蝕能力，且具有良好的保溫隔熱效果，可進(jìn)一步提升整體建筑的耐久性。

1.1.4 施工便捷性

通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)施工應(yīng)用的都是鋼構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)拼裝形式，整體的施工都可通過(guò)機(jī)械化的方式完成，且施工操作十分簡(jiǎn)單便捷，可在確保整體建筑施工質(zhì)量的同時(shí)進(jìn)一步提高施工效率。

但是就實(shí)際的應(yīng)用與分析發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)也存在一定的不足，首先，鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)比較高；其次，鋼結(jié)構(gòu)的防火性能不夠好，對(duì)保溫隔熱材料的要求更加嚴(yán)格。

1.2 混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

就目前的建筑工程來(lái)看，其混凝土結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)特征包括以下幾點(diǎn)：

（1）耐久性和耐火性，相比較其他結(jié)構(gòu)而言，混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的耐久性和耐火性，并不需要經(jīng)常進(jìn)行維修和保養(yǎng)。

（2）具有較好整體性，可有效提升建筑工程的整體荷載，并提升其美觀性。

（3）可塑性，具體應(yīng)用中，混凝土構(gòu)件的形狀可以按照實(shí)際需求進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，且無(wú)論是怎樣的構(gòu)件形狀，都可以通過(guò)混凝土澆筑技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

但是，在混凝土結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)用中，也會(huì)存在一定的弊端，首先，混凝土自身重量比較大，很容易開(kāi)裂，且不具備足夠的抗壓性能，其施工也會(huì)受到季節(jié)和天氣因素的影響，一旦混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了問(wèn)題，其修復(fù)難度將很大。

通過(guò)上述分析可知，在建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)都具備很多的獨(dú)特特征，因此，如果能夠?qū)⑦@兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合應(yīng)用到建筑工程建設(shè)項(xiàng)目中，讓各自的優(yōu)勢(shì)得以有效發(fā)揮，便可達(dá)到良好的取長(zhǎng)補(bǔ)短效果?；诖?，在本次的工業(yè)廠房建設(shè)項(xiàng)目中，便對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了組合應(yīng)用。本文便是對(duì)該建筑工程項(xiàng)目中的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)所進(jìn)行的分析。

2 建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在對(duì)建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者需要對(duì)風(fēng)荷載以及重力荷載等加以充分考慮，這樣才可以有效確保整體工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量，滿足建筑工程后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用需求，為其提供良好的質(zhì)量與安全保障。因此在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者需要對(duì)以下兩個(gè)方面的影響因素做到足夠重視。

2.1 水平風(fēng)荷載對(duì)屋蓋和網(wǎng)架的影響

在通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)組合的形式進(jìn)行建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的支撐類型主要有兩種，一種是上弦支撐，另一種是下弦支撐。在上下支撐形式的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋應(yīng)用中，其高度不應(yīng)超過(guò)柱子高度，因此在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者并不需要對(duì)水平方向的風(fēng)荷載加以考慮。而在下弦支撐形式的屋蓋應(yīng)用中，需要在其周邊進(jìn)行封板設(shè)置，在這樣的情況下，設(shè)計(jì)者就需要對(duì)水平方向的風(fēng)荷載對(duì)于屋蓋所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。一般情況下，工業(yè)廠房中的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋跨度應(yīng)控制在20～50m 之間，其高度應(yīng)控制在3～4m 之間，跨度和高度之比應(yīng)控制在1 :13～1 :16 之間。經(jīng)相關(guān)研究分析可知，建筑物的風(fēng)壓以及風(fēng)振系數(shù)將會(huì)受建筑物自身高度所影響，建筑物自身的高度越大，風(fēng)荷載對(duì)其產(chǎn)生的影響也就越大。

在通過(guò)PKPM 這一軟件對(duì)該建筑工程進(jìn)行模型搭建的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者需要對(duì)網(wǎng)架高度做到充分考慮，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)壓以及柱底彎矩進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，通過(guò)這樣的方式，才可以讓建筑物模型得以精準(zhǔn)構(gòu)建。另外，以因?yàn)槠桨寰W(wǎng)架的布置方法通常會(huì)選擇滿跨形式，而在對(duì)立面是S 型橫向網(wǎng)架進(jìn)行布設(shè)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者需要用四個(gè)半跨活荷載的方式來(lái)進(jìn)行布設(shè)，這樣才可以有效降低水平方向上的風(fēng)荷載對(duì)建筑網(wǎng)架的不利影響，盡最大限度確保整體建筑的風(fēng)載性能。

2.2 屋蓋結(jié)構(gòu)形式對(duì)下部混凝土結(jié)構(gòu)的影響

在對(duì)建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如果其鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的跨度在20m 以內(nèi)，則需要將其設(shè)計(jì)為輕型鋼結(jié)構(gòu)；如果其跨度在20m 及以上，則需要將其設(shè)計(jì)為管桁架或者是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。在對(duì)受力以及成本等各方面因素進(jìn)行綜合考慮的情況下，在下部整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，最好將其設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式，將輕型夾心隔熱板以及鋼框架結(jié)構(gòu)形式的墻體、屋面進(jìn)行合理搭配，樓板鋼筋以及混凝土澆筑振搗等的施工可分別完成。基于此，本次工程便通過(guò)此種形式進(jìn)行了廠房下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)工業(yè)廠房的實(shí)際應(yīng)用需求，在本次工程項(xiàng)目中，將廠房的平面尺寸設(shè)計(jì)為130m×42m，將開(kāi)間尺寸設(shè)計(jì)為20～6.5m，將主梁跨度設(shè)計(jì)為4×10.5m，將次梁間距設(shè)計(jì)為2.1m，將組合蓋板跨度設(shè)計(jì)為2.1m。

3 建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

在明確了主要設(shè)計(jì)形式與設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的影響因素之外，設(shè)計(jì)者就需要根據(jù)實(shí)際的工程概況、結(jié)合實(shí)際的建設(shè)及其應(yīng)用需求，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)組合形式的工業(yè)廠房進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)中，其主要的內(nèi)容包括四個(gè)方面：（1）網(wǎng)架和管桁架設(shè)計(jì)。（2）屋蓋網(wǎng)架支座設(shè)計(jì)。（3）屋面板和組合樓板設(shè)計(jì)。（4）鋼柱和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過(guò)合理的方法來(lái)進(jìn)行這四個(gè)方面的設(shè)計(jì)，便可有效確保鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，從而為本次工業(yè)廠房項(xiàng)目的后續(xù)施工奠定良好基礎(chǔ)，在確保整體工程施工質(zhì)量的同時(shí)盡量提升其施工效率，以此來(lái)確保本次工程的如期完工。以下是對(duì)這四個(gè)方面的設(shè)計(jì)方法所進(jìn)行的分析。

3.1 網(wǎng)架和管桁架設(shè)計(jì)

在對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者需要做好螺栓球的球孔定位工作，盡可能做好其誤差控制，通過(guò)這樣的方式，才可以讓網(wǎng)架安裝中的偏差得到良好控制。通過(guò)管桁架的形式對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者則需要對(duì)相貫線的切割工序加以嚴(yán)格把控，因?yàn)楣荑旒茏陨淼陌踩珒?chǔ)備更大，且比網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的防腐性能更好，所以在中級(jí)腐蝕條件下，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋最好應(yīng)該通過(guò)管桁架的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在腐蝕條件比較弱的情況下，則可以采用網(wǎng)架的形式來(lái)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì)。經(jīng)本次工程施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的分析、結(jié)合該工業(yè)廠房的實(shí)際應(yīng)用判定，該工業(yè)廠房屋蓋所處環(huán)境為弱腐蝕環(huán)境，因此在具體設(shè)計(jì)中，其鋼結(jié)構(gòu)屋蓋選擇的是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

3.2 屋蓋網(wǎng)架支座設(shè)計(jì)

在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋網(wǎng)架進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者需要對(duì)屋蓋吸力方面的影響加以綜合考慮，以此來(lái)對(duì)其支座的受壓情況及其受拉情況作出科學(xué)判斷，同時(shí)確定出其錨固長(zhǎng)度。對(duì)于較大跨度的網(wǎng)架部分，需要將滑動(dòng)支座和橡膠支座分別設(shè)置在網(wǎng)架的四角和中間位置，以此來(lái)達(dá)到良好的網(wǎng)架固定作用。在滑動(dòng)支座的制作過(guò)程中，需要求網(wǎng)架生產(chǎn)制造單位在橡膠板上安裝聚四氟乙烯劃片，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度應(yīng)力的有效釋放。

3.3 屋面板和組合樓板設(shè)計(jì)

在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合形式的工業(yè)廠房屋面板以及組合樓板進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)該從撓度設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)著手。因屋面板具有比較小的厚度，如果撓度設(shè)計(jì)太大，便會(huì)使其積水深度增加，從而增大屋面板受到的荷載，基于此，在屋面板設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者一定要對(duì)其撓度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其與實(shí)際工程相符。對(duì)于夾芯板材料，主要可選擇巖棉板和玻璃面板等，從而讓屋面獲得良好的保溫隔熱效果。根據(jù)防火隔熱方面的實(shí)際需求對(duì)夾芯板厚度加以確定，為避免燃燒中的有毒氣體釋放，具體設(shè)計(jì)中，不可將苯板用作保溫材料。在屋面板搭接設(shè)計(jì)中，考慮到防水環(huán)防滲要求，其主要的搭接方法可按照以下三種進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）穿透式搭接，在屋面板上的雨水滲漏處用螺釘固定；

（2）暗扣式搭接，通過(guò)高強(qiáng)板來(lái)抵御臺(tái)風(fēng)，該搭接方法在屋面坡度較小的情況下適用；

（3）直立鎖邊式搭接，通過(guò)360°鎖邊形式的低強(qiáng)度鋼板來(lái)進(jìn)行防水防滲搭接。具體設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者還需要根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求以及實(shí)際的工程特征對(duì)屋面板進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，使其防水、防滲和抗臺(tái)風(fēng)等作用得到良好保障。在對(duì)組合樓板進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要借助于計(jì)算軟件對(duì)其跨中抗彎強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)這樣的方式，才可以實(shí)現(xiàn)組合樓板的合理設(shè)計(jì)。

3.4 鋼柱和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因本次工程的施工進(jìn)度要求比較嚴(yán)格，所以在具體的設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的良好保障，將部分的混凝土柱用H 型鋼柱焊接的形式來(lái)取代。在對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者一定要對(duì)鋼柱所具有的水平側(cè)剛度加以重點(diǎn)考慮，使其水平側(cè)移量與工程的實(shí)際設(shè)計(jì)要求相符，同時(shí)應(yīng)結(jié)合具體的抗震設(shè)計(jì)來(lái)計(jì)算鋼柱的長(zhǎng)細(xì)比。在對(duì)鋼和混凝土組合形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者需要將其中的剛性板厚度控制在6mm 以上，使其穩(wěn)定性與實(shí)際的工程設(shè)計(jì)相符，同時(shí)應(yīng)將框架梁體的橫截面寬度控制在30cm 以上，這樣才可以讓框架對(duì)于節(jié)點(diǎn)具有更好的限制作用。對(duì)于混凝土強(qiáng)度，需將其控制在C30 以上，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整體建筑結(jié)構(gòu)性能的進(jìn)一步強(qiáng)化。在此過(guò)程中，設(shè)計(jì)者也需要對(duì)混凝土中的骨料加以嚴(yán)格控制，粗骨料的直徑不可超過(guò)鋼外部混凝土厚度的1/3，且不可大于25mm。通過(guò)這樣的方式，才可以為后續(xù)的混凝土施工奠定良好基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)整體建筑工程結(jié)構(gòu)體系的合理優(yōu)化，讓鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)組合形式的建筑工程結(jié)構(gòu)體系發(fā)揮出充分的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代化建筑工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)的主要特征加以科學(xué)把握，然后結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合應(yīng)用。通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)與組合，不僅可使其各自的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，同時(shí)也可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)整體建筑工程結(jié)構(gòu)性能的進(jìn)一步提升。這對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程中的組合應(yīng)用以及建筑工程行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展都將具有非常深遠(yuǎn)的意義。