鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計常見問題分析

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摘要：隨著建筑產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)體系得到了廣泛應(yīng)用。在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的過程中，經(jīng)常會遇到一些工程細(xì)節(jié)問題需要解決。本文結(jié)合以往工程中的設(shè)計經(jīng)驗，針對工程中的具體問題，分析產(chǎn)生問題的原因，并提出有效的處理措施，以確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計符合建筑結(jié)構(gòu)的實際要求。本文著重于研究鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計；常見問題

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抵抗變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且材料勻質(zhì)性和各向同性好，屬于理想彈性體，最符合一般工程力學(xué)的基本假定。同時，鋼結(jié)構(gòu)建筑施工工期短、工業(yè)化程度高，可進(jìn)行機(jī)械化程度高的專業(yè)化生產(chǎn)，由此可以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，所以在建筑物中得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的建筑材料相比，鋼結(jié)構(gòu)存在諸多優(yōu)勢，但也存在一定的不足，如果不采取預(yù)防措施，很可能引起安全隱患。同時，建筑結(jié)構(gòu)的自身復(fù)雜性和具體工程項目的獨(dú)特性，對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求也越來越高。所以，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)針對具體問題采取有效的措施加以解決。

1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的內(nèi)容

1.1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中要合理選擇基本材料

鋼結(jié)構(gòu)工程中普遍使用的鋼材包括單軋鋼板、連軋鋼板。連軋鋼板是由寬鋼帶進(jìn)行剪切而成，在開平過程中，可根據(jù)用戶的不同需求，經(jīng)過不同的精整作業(yè)線加工而成為鋼板等產(chǎn)品，其方便運(yùn)輸，經(jīng)濟(jì)性能好，長度可以自由決定。所以，連軋鋼板在工程領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。在鋼結(jié)構(gòu)工程中，一些厚度不大、尺寸較小的部件或?qū)ν庥^質(zhì)量要求不高的部件也多使用連軋鋼板作為焊接構(gòu)件的腹板、翼緣板。但是，卷板在整平過程中很難達(dá)到規(guī)定的平整度，內(nèi)應(yīng)力較大，容易出現(xiàn)裂紋，在焊接的時候會產(chǎn)生很大的焊接變形，且很難調(diào)整。因此，考慮到連軋鋼板有著不可靠的機(jī)械性能，在建筑工程中的厚板構(gòu)件、大尺寸焊接構(gòu)件以及對外觀質(zhì)量要求較高的部件，一般均不得使用連軋鋼板，應(yīng)優(yōu)先采用機(jī)械性能更為穩(wěn)定的單軋鋼板。

1.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中所選取的截面要科學(xué)

在鋼柱的截面設(shè)計中，宜優(yōu)先選擇寬翼緣熱軋H型鋼，目的是使鋼柱橫截面的兩個方向強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性都盡量接近，由此可以優(yōu)化截面，提高截面的利用率。箱形柱、十字形鋼柱的橫截面的雙向參數(shù)、性能更為均勻，但是其構(gòu)件的加工和安裝相對較為麻煩，經(jīng)濟(jì)性能也較差，一般僅用在特別重要、受力復(fù)雜的部位。當(dāng)建筑平面柱網(wǎng)雙向柱之間的距離較大的時候，使用中翼緣熱軋或焊接H型鋼效果更好一些，合理設(shè)置鋼柱截面的雙向參數(shù)，可以使得鋼柱截面有較高的利用率，更易于優(yōu)化設(shè)計。在鋼梁的截面設(shè)計中，可以優(yōu)先選取窄翼緣H型鋼，充分利用鋼梁截面，提高鋼梁的抗彎承載能力，鋼材使用量上較為經(jīng)濟(jì)，所需的連接螺栓的排數(shù)也會少一些。從樓層凈高考慮的話，窄翼緣H型鋼可能會對樓層凈高產(chǎn)生一定的影響，若對樓層凈高有一定要求，可以采用中翼緣H型鋼，其效果更好。在螺栓數(shù)量相等的情況下，截面相對較高的梁與截面小的梁相比，其螺栓具有更強(qiáng)的抗彎承載能力。通常情況下，在窄翼緣H型鋼作為框架梁時，框架梁柱節(jié)點(diǎn)使用兩排螺栓就可以使其功能發(fā)揮出來。在中翼緣H型鋼作為框架梁時，框架梁柱節(jié)點(diǎn)可以使用三排螺栓，而框架梁為寬翼緣H型鋼時，可能需要使用三排螺栓甚至更多的排螺栓。隨著螺栓數(shù)量的增加，連接節(jié)點(diǎn)的連接板規(guī)格也要相應(yīng)地增大，板厚有所增加，在加工、制作、安裝施工時會更加煩瑣，成本也會增加。

1.3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中要做好柱間支撐工作

在鋼結(jié)構(gòu)體系中，柱間支撐的設(shè)置是需要格外重視的。如果鋼柱的自身剛度比較小，或柱與柱之間的距離較大、層高也相對較大，層間位移角就很難滿足規(guī)范要求。在設(shè)計中如果采用柱截面加大的方式，鋼結(jié)構(gòu)的位移角值會有所減少，但這樣就會導(dǎo)致成本增加，很不經(jīng)濟(jì)。通常的做法是充分考慮平面功能布置，選取合適的位置設(shè)置適當(dāng)?shù)闹g支撐，從而使規(guī)定的位移角滿足規(guī)范要求，鋼材的使用量雖然有所增加，但是不多。值得注意的是，柱間支撐的設(shè)置會影響結(jié)構(gòu)主體各方向的剛度、特征周期等參數(shù)，這就需要在布置支撐時盡量做到科學(xué)合理。具體的工作中應(yīng)著重考慮以下幾點(diǎn)：①柱與柱之間的支撐數(shù)量要合理，不能太多，這樣會使結(jié)構(gòu)整體剛度過大，導(dǎo)致地震力增大。鋼結(jié)構(gòu)整體使用的鋼量過多，既無法滿足實際需要，也會提高成本。②合理布置支撐，要建立在建筑功能充分發(fā)揮的基礎(chǔ)上，支撐的兩邊要對稱布置，受力均勻。③沿著豎向從底到頂通長布置，保證各個部位受力均勻。④同一單體內(nèi)的支撐最好使用同一柱間的支撐，柱間支撐所在的位置有較大的受力，若傳給基礎(chǔ)就會導(dǎo)致基礎(chǔ)的受力增大，這就需要在支撐的位置設(shè)置基礎(chǔ)梁，增加基礎(chǔ)受力，保證基礎(chǔ)有良好的穩(wěn)定性，對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生支撐作用。

1.4鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的框架梁柱節(jié)點(diǎn)要滿足施工要求

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要重視框架梁柱節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)域影響著整個鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如果柱腹板相對較薄，梁柱連接節(jié)點(diǎn)域會存在抗剪承載力不足的問題。若柱截面采用熱軋型鋼時，最為方便的做法是在柱節(jié)點(diǎn)域補(bǔ)貼補(bǔ)強(qiáng)鋼板。若柱腹板沒有連接到鋼梁，也可以將斜向加勁肋板設(shè)置在節(jié)點(diǎn)域腹板上，從而起到補(bǔ)強(qiáng)的作用，而且施工操作非常方便。若柱截面的組合使用H型鋼，可以使用較厚的鋼板替換節(jié)點(diǎn)域處的腹板，這樣施工更加方便。設(shè)計師在實現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性鉸外移至梁端部時，需要在梁柱節(jié)點(diǎn)予以加強(qiáng)，做到強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。具體方法如下：在鋼梁與鋼柱弱軸連接節(jié)點(diǎn)處，可以采用對梁端部上翼緣板和下翼緣板都加寬的做法；鋼梁與鋼柱強(qiáng)軸連接節(jié)點(diǎn)處，可以采用對梁端部上翼緣板和下翼緣板都加寬的做法，也可以采用對梁端的上翼緣板和下翼緣進(jìn)行加強(qiáng)板加強(qiáng)處理，同樣可以達(dá)到強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的目的，但是此種做法在制作和安裝施工的過程中，操作上要相對煩瑣一些；鋼梁連接到鋼柱強(qiáng)軸時，還可以采用在梁端下翼緣處角部加腋的方法，這個操作比較簡單，安裝也方便，但是，由于梁底會存在豎向下凸角，整體的美觀度會受到影響。建筑專業(yè)可以采取局部裝飾處理手段進(jìn)行處理，使之不影響使用及美觀要求。

2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題的處理措施

2.1鋼結(jié)構(gòu)的鋼梁設(shè)計問題處理措施

建筑的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，宜優(yōu)先設(shè)計成直線梁，直線梁受力簡潔、明晰，更能與計算假定相吻合，而折梁和弧梁在荷載作用下，產(chǎn)生的內(nèi)力更為復(fù)雜，在扭力作用下更容易引起失穩(wěn)破壞，宜盡量避免。在建筑設(shè)計中若有特殊要求，確實需要采用折梁或者弧梁的形式，則應(yīng)在直線梁上布置外伸鋼梁與弧形梁或折梁進(jìn)行側(cè)向連接，外伸鋼梁對弧梁或折梁起到一定的側(cè)向支撐作用，對弧梁或折梁的側(cè)向彎曲予以約束控制，保證弧梁或折梁的穩(wěn)定性，避免其過早失穩(wěn)破壞。

2.2鋼結(jié)構(gòu)的鋼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計問題處理措施

在鋼結(jié)構(gòu)的次梁與主梁連接、二級次梁與一級次梁連接處，通常在設(shè)計中均選用鉸接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，鋼結(jié)構(gòu)部件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場之后，可以按照設(shè)計進(jìn)行快速安裝連接，不但便捷而且經(jīng)濟(jì)。在懸挑梁部位，懸挑段根部與支撐梁連接應(yīng)按照剛接節(jié)點(diǎn)處理，這樣可以將懸挑部分荷載傳遞到支撐橫梁上。如果懸挑梁端部與弧梁或折梁相連，則此連接節(jié)點(diǎn)也應(yīng)設(shè)計成剛接節(jié)點(diǎn)，這樣可以減小弧梁或折梁在節(jié)點(diǎn)處的扭轉(zhuǎn)角度，梁的應(yīng)力也會大大減少，弧梁或折梁自身產(chǎn)生的變形幅度不會太大，從而降低弧梁扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)破壞的風(fēng)險。

2.3鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件剛度偏小問題處理措施

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及剛度過小，其位移比、位移角一般均會偏大，構(gòu)件的翼緣、腹板也極易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致整個構(gòu)件的失穩(wěn)破壞。為避免構(gòu)件失穩(wěn)破壞，首先，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)梁與柱連接設(shè)計時，要盡可能地將構(gòu)件中心對齊，目的是減少偏心荷載對構(gòu)件產(chǎn)生的不利影響；其次，要采取必要措施，嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)體系的位移比和位移角；再次，結(jié)構(gòu)計算時宜考慮P-△效應(yīng)，充分考慮豎向荷載P在水平位移△的情況下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件產(chǎn)生的附加內(nèi)力對整體結(jié)構(gòu)的不利影響。

2.4鋼結(jié)構(gòu)的采用薄壁構(gòu)件設(shè)計問題處理措施

在一些鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)體系中的主要構(gòu)件應(yīng)盡量避免采用薄壁構(gòu)件。在受力較小的部位，薄壁構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性很容易滿足，但其他不利因素也應(yīng)著重考慮，如在鋼結(jié)構(gòu)的安裝過程中，采用焊接技術(shù)會導(dǎo)致容母材被燒傷，從而影響中板鋼構(gòu)件。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用薄壁構(gòu)件，還要做好防腐處理工作，一旦鋼材被銹蝕，薄壁構(gòu)件的強(qiáng)度就會快速下降，整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的安全性能就會大大降低，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命縮短，所以，在嚴(yán)格做好日常維護(hù)工作的同時要充分考慮薄壁構(gòu)件今后的易于更換性。

2.5鋼結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件設(shè)計問題處理措施

鋼結(jié)構(gòu)最大的隱患就是失穩(wěn)問題，為了保證鋼結(jié)構(gòu)有足夠的穩(wěn)定性，就需要根據(jù)實際情況采取必要的構(gòu)造措施，如對于鋼構(gòu)件型鋼截面上的腹板可以使用波紋形腹板代替，使得鋼截面增加，同時抗屈曲性能也得以增強(qiáng)，且可以減少鋼材的使用量。樓板設(shè)計時采用鋼筋桁架樓板，樓板底面更加平整，而且鋼結(jié)構(gòu)的成本也會降低，不再使用支模板，施工現(xiàn)場不需要綁扎鋼筋，場地也不會被占用，施工的工作量也相應(yīng)減少。這樣不僅加快了建筑施工進(jìn)度，而且提高了施工質(zhì)量。

3結(jié)語

通過上面的分析可知，在鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計過程中，設(shè)計師不但要考慮結(jié)構(gòu)整體及相關(guān)構(gòu)件應(yīng)滿足規(guī)范及計算要求，還要考慮施工的可行性、便捷性和經(jīng)濟(jì)性，以及今后使用過程中可能出現(xiàn)的諸多不利因素。

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作者：張武倫 單位：中鐵華鐵工程設(shè)計集團(tuán)有限公司