基于建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探討

摘要：鋼結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好和材料可回收等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代建筑工程中。而鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程當(dāng)中應(yīng)用的范圍十分廣泛，究其原因在于其擁有自重輕，高強(qiáng)度和工業(yè)化強(qiáng)度高的特點(diǎn)，所以鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)建筑物的安全和使用壽命起著至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：建筑;鋼結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

1.建筑鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

建筑鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是鋼結(jié)構(gòu)可工廠化制作，減少現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量，施工周期短;二是由于鋼結(jié)構(gòu)自重輕、結(jié)構(gòu)荷載小，減少了地基處理的工作量和費(fèi)用;三是鋼結(jié)構(gòu)利于抗震，給投資方帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益;四是鋼結(jié)構(gòu)由于其材料本身的性能好，強(qiáng)度高，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)斷面小，在廠房布置中可以節(jié)省一部分空間，更容易滿足工藝靈活布置的要求。

2.當(dāng)前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

2.1設(shè)計(jì)質(zhì)量下降

當(dāng)前設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)任務(wù)相當(dāng)繁重，所承攬的工藝及綜合專業(yè)部分設(shè)計(jì)收費(fèi)較高，而鋼結(jié)構(gòu)部分卻是難啃的硬骨頭，費(fèi)工費(fèi)力收費(fèi)低，不愿意承接鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)，或者缺乏鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，故往往將鋼結(jié)構(gòu)部分分包給另一單位。一些無(wú)資質(zhì)的單位，拿到工程后，用買來(lái)的圖標(biāo)搞設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)質(zhì)量存在重大隱患。

2.2設(shè)計(jì)深度不夠

當(dāng)前，不少設(shè)計(jì)單位，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平比較低，承擔(dān)工程的設(shè)計(jì)者多為剛畢業(yè)不久的學(xué)生，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，更缺乏鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)知識(shí)，盲目照搬規(guī)范，套程序，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)不進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)院只做到了“方案設(shè)計(jì)”或初步設(shè)計(jì)的深度，將施工圖交給加工廠，加工廠缺乏計(jì)算軟件，又將施工圖任務(wù)轉(zhuǎn)包出去，由于這些分包單位缺乏專業(yè)配套知識(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)總體要求不明確，往往所做出的圖紙不符合原設(shè)計(jì)要求，存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。有的加工廠為了節(jié)約鋼材，降低造價(jià)，盲目進(jìn)行鋼材優(yōu)化，結(jié)果造成工程質(zhì)量事故。

2.3盲目照搬設(shè)計(jì)方案

由于國(guó)外結(jié)構(gòu)工程師對(duì)我國(guó)地震和風(fēng)荷載的特殊情況了解得不深，故設(shè)計(jì)方案在抗震設(shè)計(jì)方面很不合理，如國(guó)家體育場(chǎng)，采用了鋼結(jié)構(gòu)屋蓋和砼看臺(tái)完全脫開方案，幾萬(wàn)噸的巨大鋼桁架所產(chǎn)生的地震荷載由鋼結(jié)構(gòu)柱傳至柱底，而數(shù)千噸的巨大柱底水平力由與看臺(tái)基礎(chǔ)脫開的巨型鋼柱腳傳遞，結(jié)果造成用鋼量達(dá)到五萬(wàn)噸，相當(dāng)同類體育場(chǎng)用鋼量的四倍，這是抗地震設(shè)計(jì)極不合理的方案，如將數(shù)萬(wàn)噸的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震力傳給砼看臺(tái)，可以減少大量的鋼材，在保持原建筑風(fēng)貌不變的情況下，可使龐大笨重的鋼結(jié)構(gòu)減少鋼材用量?jī)扇f(wàn)多噸。

2.4設(shè)計(jì)未充分考慮施工

一些設(shè)計(jì)人員出于經(jīng)濟(jì)利益，整天埋在辦公室的圖紙堆里，理論脫離實(shí)際，不深入現(xiàn)場(chǎng)，不了解施工。嚴(yán)重者會(huì)給施工帶來(lái)極大困難，總的造價(jià)大量增加。如×工程設(shè)計(jì)要求屋蓋最后合攏的溫度為14度±4度，但本工程合攏時(shí)正值盛夏，中午時(shí)鋼材表面溫度達(dá)到55度，為滿足14度合攏要求，曾提出“深挖井、添冰塊、噴冰水”的區(qū)域降溫的方案。

3.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1正確選用鋼材與焊縫質(zhì)量等級(jí)

按照國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范要求，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)明確標(biāo)注鋼材與焊縫質(zhì)量等級(jí)。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于焊縫質(zhì)量等級(jí)的要求缺乏明確性，部分項(xiàng)目甚至并沒(méi)有提及。在抗震要求較高鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)時(shí)，鋼板的厚度應(yīng)≥40mm，在承受沿板厚方向的較大拉力時(shí)，要保證板厚方向的截面收縮率。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，焊接連接是基本的鋼結(jié)構(gòu)連接方法，焊縫質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到結(jié)構(gòu)的整體安全，所以，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的重要性與受力性能等，合理確定焊縫的質(zhì)量等級(jí)。

3.2結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)布置

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程主打“概念設(shè)計(jì)”牌，概念設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)的整個(gè)過(guò)程中都是異常重要的。建筑鋼結(jié)構(gòu)通常分為框架、平面（桁）架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等幾種結(jié)構(gòu)。在對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的選型確定時(shí)，一定要根據(jù)各項(xiàng)目特點(diǎn)的不同，分析實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。遇到有較大負(fù)重的荷載時(shí)要放棄門式鋼架而采用鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形態(tài)。大跨度的建筑要對(duì)覆蓋屋頂構(gòu)建進(jìn)行拉索或索膜結(jié)構(gòu)的建立。對(duì)于高層或者超高層鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架布置支撐結(jié)構(gòu)，承受水平荷載和抵抗側(cè)移變形能力更佳，經(jīng)濟(jì)效益也要比簡(jiǎn)單的鋼框架要高的多。另外采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外加巨型SRC柱的組合則能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)和混凝土各自的優(yōu)勢(shì)，能更好地控制好項(xiàng)目的投資。

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)使結(jié)構(gòu)受力路線清晰且可以以最接近直線的路線將受力傳給地基支撐。鋼結(jié)構(gòu)在布置上要遵循結(jié)構(gòu)剛度勻稱，力學(xué)分布平穩(wěn)，最大限度減少荷載的影響。鋼結(jié)構(gòu)抗力的支撐住間距要適中，且設(shè)置多道防線以背意外發(fā)生，核心撐柱的受力應(yīng)至少占總受力的20%。

3.3結(jié)構(gòu)計(jì)算

梁、柱的截面初選時(shí)，要考慮構(gòu)造要求，如翼緣寬厚比、腹板高厚比、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比等。不宜為了一味追求用鋼指標(biāo)，而采用把梁、柱截面高度加大、腹板厚度變薄、翼緣寬度變窄、厚度變薄等措施。如這樣做后，將產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。首先，這將使得梁、柱自身的整體穩(wěn)定性不易保證。其次，使得運(yùn)輸、施工中都難以保證構(gòu)件不發(fā)生翹曲變形。結(jié)構(gòu)分析中一定要注意結(jié)構(gòu)分別在風(fēng)荷載作用下、地震作用下的層間位移、頂點(diǎn)位移、自振周期。設(shè)計(jì)中常常不重視結(jié)構(gòu)的自振周期，有時(shí)結(jié)構(gòu)的層間位移、頂點(diǎn)位移都滿足規(guī)范要求，但自振周期卻比較長(zhǎng)，這對(duì)于建筑物抗震是十分不利的。當(dāng)建筑物遇到主要為低頻的地震波時(shí)，地震波對(duì)這種周期長(zhǎng)、高柔的建筑影響很大。梁、柱變形應(yīng)該按照規(guī)范嚴(yán)格進(jìn)行控制。當(dāng)梁跨度很大時(shí)，梁變形驗(yàn)算要同時(shí)考慮相對(duì)變形和絕對(duì)變形。

3.4節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)時(shí)既要保證節(jié)點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度和延性，又要使節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)潔，便于施工。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中連接螺栓數(shù)目的確定，翼緣連接焊縫厚度的確定，相對(duì)是比較直觀、容易的。而節(jié)點(diǎn)域抗剪驗(yàn)算、連接板等計(jì)算是常常被忽略，但它們亦是決定節(jié)點(diǎn)安全性的重要因素之一。梁、柱剛性連接設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）不能太厚，也不能太薄。太厚了使節(jié)點(diǎn)域不能發(fā)揮其耗能作用，太薄了將使框架的側(cè)向位移太大。

2）建議8度3、4類場(chǎng)地和9度時(shí)采用梁一柱骨形連接。該法是在距梁端一定距離處，將翼緣兩側(cè)做月牙狀切削，形成薄弱截面，使強(qiáng)烈地震時(shí)梁的塑性鉸自柱面外移，從而避免脆性破壞。

3）當(dāng)梁腹板與柱采用螺栓連接時(shí)，螺栓排數(shù)不少于兩排。

4）當(dāng)梁上翼緣有樓板加強(qiáng)，且施焊條件較好，震害較少時(shí)，可不做特殊處理，而應(yīng)對(duì)梁下翼緣的焊接襯板邊緣施焊，也可采用割除襯板，然后清根補(bǔ)焊的方法，以達(dá)到消除焊接襯板的缺口效應(yīng)。

鋼結(jié)構(gòu)柱腳有外露板式、埋人式和外包混凝土式。埋人式和外包混凝土式柱腳具有較好的抗震能力，強(qiáng)地震區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用。外露板式柱腳的震害說(shuō)明：地腳錨栓是抗震的薄弱部件，抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮地震剪力，增強(qiáng)錨栓的抗震強(qiáng)度。鋼結(jié)構(gòu)連接的破壞多是由焊縫質(zhì)量不好引起的，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)施工質(zhì)量的管理和監(jiān)督。

3.5構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)建設(shè)計(jì)也要考慮材料的合理性，取材上一般選擇Q235和Q345兩種。一般情況下，結(jié)構(gòu)計(jì)算中，如果結(jié)構(gòu)強(qiáng)度起控制作用則選取以Q345材質(zhì)經(jīng)濟(jì)效益更明顯，如果結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性或者結(jié)構(gòu)變形為控制作用則以Q235更省投資。

當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些軟件可以對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行截面優(yōu)化，我們僅做的就是對(duì)優(yōu)化后的截面稍加調(diào)整并進(jìn)行程序自動(dòng)驗(yàn)算，直至合理，如PKPM中的STS等。這是常說(shuō)的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。但要注意，利用結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)一定要注意模型的建立和參數(shù)定義，尤其是柱及梁的平面內(nèi)、外計(jì)算長(zhǎng)度。

4.結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)正處在大發(fā)展、大飛躍、大挑戰(zhàn)的階段，而鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本行業(yè)的重中之重，我們只有不斷的提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平、逐步完善相關(guān)法律規(guī)范、深化行業(yè)內(nèi)部改革，才能在世界范圍內(nèi)的相關(guān)領(lǐng)域處于不敗之地。

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