鋼結(jié)構(gòu)設計在建筑結(jié)構(gòu)設計中的應用研究

謝志成

（唐鋼國際工程技術(shù)有限公司，河北唐山 063000）

1 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

1.1 生態(tài)環(huán)保且可重復利用

在全球不可再生能源日漸緊缺的大背景下，各行各業(yè)都在尋求生態(tài)環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的能源或者材料來實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。建筑行業(yè)中所使用的鋼結(jié)構(gòu)材料可以多次反復使用，具有強度大、效能高的優(yōu)勢，而且鋼結(jié)構(gòu)邊角材料的利用價值較高，綜合廢料較少，因此，鋼結(jié)構(gòu)滿足建筑工程高效可持續(xù)發(fā)展的需求[1]。

1.2 性能良好

鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)周期與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比要短很多，而且鋼結(jié)構(gòu)可在工廠預制后在施工現(xiàn)場安裝，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需要現(xiàn)場澆筑養(yǎng)護相比，大幅加快了工程進度。鋼結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量要小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量，可以適當降低建筑地基處理標準，減少建筑地基處理費用[2]。此外，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強，具有較強的抗震能力，因鋼結(jié)構(gòu)通常情況下為一個統(tǒng)一整體，所以鋼結(jié)構(gòu)因上部荷載作用發(fā)生斷面的情況幾乎不存在，可以有效保障建筑物或構(gòu)造物的整體質(zhì)量。

1.3 投資成本低且施工安裝便捷

鋼結(jié)構(gòu)材料在建筑施工過程中大部分都可以高效利用，剩下的結(jié)構(gòu)耗材較少，相比之，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耗材較多。無論何種型號的鋼結(jié)構(gòu)都具有安裝快捷簡便的優(yōu)點，建筑規(guī)模相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)施工周期大約相當于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工周期的一半。此外，鋼結(jié)構(gòu)施工對外部環(huán)境的要求相對較低，不會因施工外部環(huán)境變化而影響鋼結(jié)構(gòu)的施工進度。鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體造價相對較低，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 鋼結(jié)構(gòu)設計水平的提升策略

2.1 鋼結(jié)構(gòu)預估截面設計

只有盡量準確估算鋼結(jié)構(gòu)支撐體系斷面大小和鋼結(jié)構(gòu)梁柱斷面大小之后，才可以對鋼結(jié)構(gòu)預估截面進行設計。鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁體通常設計為槽鋼或H 型鋼，在對建筑梁所受荷載進行分析計算后可以確定其截面大小，翼緣高度主要是依據(jù)梁體側(cè)向支撐點間距來確定的。鋼結(jié)構(gòu)梁截面尺寸大小和翼緣高度確定以后，便可以依據(jù)相關(guān)設計標準預估鋼結(jié)構(gòu)板件厚度。鋼結(jié)構(gòu)柱截面大小是通過截面受力大小、結(jié)構(gòu)梁體類型來綜合確定的[3]。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)防腐設計

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件不采取任何防護措施且長期處在潮濕空氣環(huán)境中會受到嚴重腐蝕，鋼結(jié)構(gòu)一旦被腐蝕后其有效受力截面會變小且會出現(xiàn)一定的銹坑，導致鋼結(jié)構(gòu)耐用性大幅度降低?；诖?，在鋼結(jié)構(gòu)設計過程中要給予鋼結(jié)構(gòu)防腐問題一定的關(guān)注度。鋼結(jié)構(gòu)防腐設計的常規(guī)做法是在鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹具有高強度附著能力的防腐材料，將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與空氣中的水分和氧氣隔絕，繼而達到防腐的效果。防腐材料的設計涂抹厚度根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)所處位置的不同而有所差異，處于室內(nèi)區(qū)域非裸漏的鋼結(jié)構(gòu)防腐層設計厚度通常為100 μm，處于室內(nèi)區(qū)域裸漏區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)防腐層設計厚度通常在150～200 μm，鋼結(jié)構(gòu)建筑的地面和地面以下部分鋼柱柱腳采用C20 混凝土包裹并在混凝土表面涂抹防腐涂料，反腐涂料厚度設計在50 μm以內(nèi)。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)抗震性能設計

我國位于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，這也要求我國建筑結(jié)構(gòu)在設計時必須要考慮抗震性能。鋼結(jié)構(gòu)設計要確保鋼結(jié)構(gòu)均勻受力。鋼柱和建筑屋架的連接順序要正確。此外，準確的鋼結(jié)構(gòu)支撐形式同樣可以有效提升鋼結(jié)構(gòu)建筑物的抗震性能。與此同時，鋼結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)鋼柱之間的高寬比應進行設計優(yōu)化，確保鋼結(jié)構(gòu)處于良好的抗震狀態(tài)。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)的隔音效果設計

噪聲問題給建筑使用者的生產(chǎn)和生活帶來了諸多困擾，近年來，關(guān)于消除建筑噪聲的研究不少，但是卻幾乎沒有真正消除噪聲帶給建筑使用者的困擾。不同使用功能的建筑物對隔音效果的需求不同[4]。比如，大型商超對隔音效果并沒有太高要求，而民用住宅或者學校建筑對隔音效果要求較高，而音樂廳、禮堂等建筑物需要讓觀眾聽清楚聲音。基于此，鋼結(jié)構(gòu)設計人員要根據(jù)建筑具體使用功能和建筑物對隔音效果的要求來進行針對性的噪聲消除設計。

2.5 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點結(jié)構(gòu)設計

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點銜接設計是鋼結(jié)構(gòu)設計的重頭戲。鋼結(jié)構(gòu)設計人員需對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的特征和節(jié)點形式進行深入分析和計算，再通過設計流程將不同節(jié)點進行系統(tǒng)性分類，確保鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點銜接過程中準確無誤。鋼結(jié)構(gòu)受力情況不同其節(jié)點性質(zhì)也不同，依據(jù)受力情況不同鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點可分為剛性節(jié)點、半剛性節(jié)點以及鉸節(jié)點。其中，剛性節(jié)點和鉸節(jié)點的承載能力較強且工藝成熟，在鋼結(jié)構(gòu)設計中被經(jīng)常用到。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計應注意以下問題：第一點，要根據(jù)施工基本順序來分層設計鋼結(jié)構(gòu)焊接形式和鋼結(jié)構(gòu)焊接尺寸。鋼結(jié)構(gòu)焊接輔料（焊條）等應選擇與其鑲嵌的金屬材料相匹配的，鋼結(jié)構(gòu)焊縫大小的設計是不能隨意改變的，焊縫與焊縫所連接構(gòu)件的重心應該始終保持一致。第二點，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的傳統(tǒng)形式為鉚接，但是鉚接形式連接的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗剪性能比較差，而且鉚接的鋼結(jié)構(gòu)位置合理性欠缺。所以，在鋼結(jié)構(gòu)設計過程中要選擇先進的栓接模式來替代傳統(tǒng)的鉚接模式。栓接模式下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗剪能力大幅度提高，而且栓接施工操作更為便捷，在設計過程中還應根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)建筑項目的具體情況來選擇栓接強度等級。合理的栓接強度可以有效分擔鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壓力和摩擦力。

3 鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設計中的應用

3.1 工程概況

某建筑地下室底板為鋼骨混凝土柱，基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土摩擦方樁，一層樓面為鋼骨混凝土樓板。該建筑地下十字形勁性鋼柱類型有多種，其中質(zhì)量最大的鋼柱為33 t，鋼柱最長為19.6 m，最重的一根鋼梁型號為XG3H，其質(zhì)量33 t。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)設計

3.2.1 鋼板對接設計

鋼板對接是鋼板長度方向的對接，鋼板對接形式通常設計做法是采用自動埋弧焊對接。鋼板焊接坡口使用鋼結(jié)構(gòu)萬能坡口切割機銑削制作，制作完成后對坡口尺寸進行檢查。正式焊接前，需要對鋼板坡口和鋼板坡口邊緣120 mm 處進行全面外觀檢查，外觀檢查后采用超聲波檢查鋼板坡口處是否有裂紋夾灰等缺陷，如果存在缺陷應立即處理。鋼板坡口對接需在特殊對接平臺上處理，確保對口錯邊誤差控制在2 mm 以內(nèi)。鋼板定位電焊工藝采用二氧化碳氣體保護焊，具體焊接設計參數(shù)詳見表1。

表1 鋼板焊接設計參數(shù)表

鋼板定位焊接結(jié)束后，采用自動埋弧焊對鋼板正面進行焊接，當正面1/3 鋼板厚度焊接完成后將鋼板180°翻轉(zhuǎn)，鋼板反面用正式焊接前用碳弧氣刨清根對反面鋼板表面進行處理，并采用砂輪機打磨滲碳層，當鋼板露出金屬光澤后對其進行探傷檢測，確定無裂紋后進行反面焊接作業(yè)，反面焊接結(jié)束后再將鋼板翻轉(zhuǎn)180°進行正面沒有焊接的部分，直到進入蓋面焊。

3.2.2 鋼板下料切割設計

鋼板切割處兩側(cè)的受熱應均勻且邊緣質(zhì)量完好是切割板材的基本要求，此要求的目的是防止切割板材產(chǎn)生側(cè)向彎曲。為了達到此目的，板材切割器械采用數(shù)控多頭等離子火焰切割機。根據(jù)縱向焊縫的收縮量經(jīng)驗值確定鋼結(jié)構(gòu)腹板下料預留50 mm 保護長度。此外，鋼結(jié)構(gòu)設計過程中要考慮避免鋼結(jié)構(gòu)裝配后的二次切割，便于提升設計和施工質(zhì)量。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝設計

鋼結(jié)構(gòu)鋼柱四周澆筑厚度為30 cm 的混凝土，混凝土澆筑的同時做好預埋件埋設工作，設計時要特意強調(diào)預埋件標高和混凝土澆筑標高。設計時要考慮到施工安裝時勁性鋼柱的偏移問題，在設計過程中要給出控制勁性鋼柱偏移的做法。設計過程中要綜合考慮鋼柱樁樁孔深度、項目地質(zhì)情況、鋼結(jié)構(gòu)勁性鋼柱的質(zhì)量以及鋼柱樁孔安全因素，設計出鋼柱整體吊裝方案，鋼柱就位以后再澆筑混凝土。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝設計

鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量影響著工程整體質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)設計過程中要考慮到鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接的時間不能過長，因為現(xiàn)場焊接要配合鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝和現(xiàn)場混凝土澆筑，所以鋼結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)需要在短時間內(nèi)完成，便于現(xiàn)場開展鋼管柱混凝土澆筑及鋼管柱上層結(jié)構(gòu)的安裝和校正作業(yè)。鋼結(jié)構(gòu)設計過程中要給出嚴格的焊接作業(yè)程序和作業(yè)順序，盡最大可能減少垂直于鋼板面方向的約束。低合金鋼構(gòu)板施焊前應進行預熱，預熱溫度根據(jù)試驗確定。焊接預熱應選擇焊道兩側(cè)100 mm 范圍處均勻加熱，而預熱溫度的測量位置與焊道位置的距離應控制在50 mm 左右。如果施工所處的外部環(huán)境溫度已經(jīng)降到0 ℃以下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊接溫度應該根據(jù)試驗重新確定。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)防腐處理設計

鋼結(jié)構(gòu)防腐設計采用噴砂加電動鋼刷除銹工藝，將鋼板之前形成的繡皮徹底清洗，再噴涂環(huán)氧富鋅防銹底漆。為了保證噴涂效果，做兩遍噴涂，環(huán)氧富鋅防銹底漆的干膜厚度設計值為70 μm，在此基礎(chǔ)上再噴涂環(huán)氧云鐵灰厚漿底漆兩遍，干膜厚度設計值為100 μm，噴漆漆漿和固化劑質(zhì)量比為100∶15。

3.6 鋼結(jié)構(gòu)防火處理設計

之所以要對鋼結(jié)構(gòu)進行防火處理設計，是因為鋼板的耐溫性相對較差。當鋼板外界溫度持續(xù)升高，鋼板諸多性能發(fā)生改變，溫度達到450 ℃左右時，鋼結(jié)構(gòu)材料的屈服點、彈性模量數(shù)值以及抗拉強度等數(shù)值急劇下降，整個鋼結(jié)構(gòu)幾乎喪失承載能力?；诖耍诼懵╀摻Y(jié)構(gòu)部位要進行防火涂料噴涂，確保防護涂料的保護時間要大于鋼梁和鋼柱的耐火時間。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和造價低的優(yōu)勢，使得鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設計中得到了廣泛應用。鋼結(jié)構(gòu)體系自身質(zhì)量較輕，施工便捷且便于安裝，較快的施工周期和較低的工程造價，再加上良好的抗震性能，使得鋼結(jié)構(gòu)應用范圍越來越廣泛。另外鋼結(jié)構(gòu)建筑污染性小，投資回報見效快，也符合我國現(xiàn)階段發(fā)展的基本需求，所以鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平也從側(cè)面反映了國家的綜合經(jīng)濟實例。鋼結(jié)構(gòu)設計單位應該結(jié)合建筑使用功能和建筑使用定位進行系統(tǒng)性綜合設計定位，只有嚴把設計關(guān)才能得到科學合理的設計方案，才能保證鋼結(jié)構(gòu)設計質(zhì)量，才能實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)建筑效益最大化。