淺談鋼結構的設計應用

寇立亞 馮亞男 姚 山

當前，我國鋼材的年產居世界首位，鋼結構應用發展很快。鋼產量的增長為發展我國建筑鋼結構建設事業創造了極好的時機。目前，與發達國家相比我國在許多方面還存在著明顯的差距。21世紀是鋼結構快速發展時期，長期以來由混凝土結構、砌體結構一統天下的格局勢必被打破，鋼結構的設計應用也會越來越多。因此，對于工程設計人員而言，研究鋼結構的設計思路和原理，對于完善專業知識結構、提高工程設計水平有十分重要的意義。

1 鋼結構的適用條件

判斷結構是否適合用鋼結構，主要是鋼結構和鋼筋混凝土結構之間的選擇。國內與國外相比，如日本等發達國家，鋼結構建筑要占整個建筑的50%以上，而我國只占5%還不到;對于鋼結構與混凝土結構的造價問題，應有一個全面、綜合的認識，不能籠統地認為鋼結構造價比混凝土貴，從而排斥于比較方案之外。事實上，結構造價只占工程造價的30%左右。而結構造價又分上部結構和基礎造價，上部結構造價僅占基礎造價的50%～70%。而鋼結構只是指工程的上部結構，在工程總投資中僅占10%還不到，對于高層和大跨度結構，鋼結構與采用混凝土結構間的差價所占工程總投資的比例將更小，一般不到工程總投資的4%。如果再考慮到采用鋼結構因其自重輕、建筑有效使用面積大、施工速度快及抗震性能好等諸多優點，鋼結構特別適用于重型工業廠房的承重骨架和吊車梁、大跨度建筑的屋蓋結構、大跨度橋梁、多層和高層建筑的骨架、塔桅結構、容器和大直徑管道等殼體結構、移動式結構、輕型結構以及在地震區抗震要求較高的工程結構。

2 鋼結構的設計思路

2.1 結構體系的選擇

鋼結構體系的選擇歸根結底就是對鋼結構抗震體系的選擇[3]。它包括對建筑抗震設防類別、抗震設防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結構材料和施工等因素綜合分析，與建筑、水、暖、電等專業的充分協商，必要時還應進行多方案比較。一般來說，鋼結構體系應受力明確，傳力簡捷;在滿足功能使用的前提下，力求平面和豎向規則;應避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力，應具備必要的抗震能力，良好的變形能力和消能能力;對可能出現薄弱層的部位，應采取措施提高抗震能力。在具體鋼結構工程中，結構工程師應合理控制尺寸，避免局部失穩或整個構件失穩;要特別注意鋼結構部分和鋼筋混凝土的連接處，比如基礎部分、鋼屋架支撐處是較薄弱的部位。

2.2 計算模型的建立

計算模型應該是鋼結構實際受力情況正確與合理的簡化，結構計算是在計算模型的基礎上進行的，計算模型選用不當不僅僅會得出錯誤的數值解，而且會導致結構安全事故，因此選擇恰當的計算模型是保證結構安全的重要條件。比如在節點設計中，按傳力特性不同，分剛接、鉸接和半剛接。實際結構的節點不可能是純粹的剛接或鉸接點，這就需要結構工程師進行正確的判斷，選擇哪種更能真實的反映節點的受力情況的模型，使計算模型的誤差控制在允許范圍之內。此外，對于諸如節點這類受力復雜的構件，單從計算分析的角度并不能完全保證其可靠性，因此還應通過相應的構造措施對節點予以加強。

2.3 建筑材料的使用

要善于利用鋼結構的抗拉性能。按受力的不同，現行的鋼結構設計規范對鋼結構主要從受彎、受拉、受壓和拉彎、壓彎五個方面計算[1]。從規范中不難看出，受壓、受彎或壓彎構件需同時進行強度和穩定性計算，對于大多數此類構件，當它發生失穩破壞時，其強度遠未達到設計值。而受拉或拉彎構件只需考慮強度計算，構件的力學性能可以得到充分發揮，應力水平很高，因此材料的利用率最高。

3 常見的鋼結構形式及力學原理[3]

3.1 剛架

剛架是梁、柱單元構件的組合體，其形式種類繁多，應用較多的是單層的單跨、雙跨或多跨的雙坡門式剛架。門式剛架、鋼屋架、桁架、拱結構都同屬平面結構體系。不過，鋼屋架、桁架、拱是與柱子鉸接的，而門式剛架的橫梁是與柱子剛性連接的。由于剛性連接的緣故，橫梁彎矩比鉸接情況下的彎矩要小。但從本質上講，剛架仍然是普通的受彎構件，它的材料利用率較低。原因有以下兩個方面:1)靠近中和軸的材料應力水平低，屬于單向應力狀態;2)梁的彎矩沿梁長一般是變化的，這樣對等截面剛架靠近梁端的區段來說，即使是拉、壓邊緣其應力水平也比較低。

3.2 桁架

桁架是由桿件組成的格構體系，其節點一般假定為鉸接點，通常有平行弦桁架、三角形桁架和弧形桁架三種形式。把梁的中間受力不大的部分適當挖空就形成桁架，既經濟，又降低自重。故桁架的上弦相應于鋼梁的受壓翼緣，下弦相應于受拉翼緣。平行弦桁架中腹桿的受力(拉、壓)與梁中主拉、壓應力方向一致，三角形桁架和弧形桁架的外形設計為與彎矩圖相似的形狀，從而使桁架的弦桿受力均勻。由于桁架中大量存在壓桿，壓桿的強度往往由其穩定性決定，而不是由桿件截面材料強度決定。因此，在平面桁架的設計過程中，應設法降低壓桿的長細比。

3.3 網架

網架是一種新興的屋蓋結構，屬于由復雜的桿件系統組成的超靜定次數極高的空間結構，按外形的不同，可分為平面網架和曲面網架兩類，相對曲面網架來說，平面網架是無推力的空間結構，可以節省抵抗推力的材料。在降低桁架壓桿的長細比過程中，單純增大截面是下策，特別是上弦桿，應努力增加其平面外的剛度(有時上弦采用雙桿形成的復合壓桿)，提供平面外約束(增加支撐)。如果把這些平面外的支撐再連接成桁架，這樣就使平面桁架變為平面交叉桁架，最后發展為空間網架。網架的材料利用率高、應力水平高，因此在大跨度、大空間結構中廣泛使用。

3.4 懸索結構

由于網架結構中仍然存在壓桿，壓桿(特別是鋼壓桿)的應力水平不可能太高，這樣高強材料就不能使用。因此，在努力減少或消除結構中的壓桿的過程中，我們找到了懸索結構。懸索結構中所有的“桿件”均為拉桿，這樣就使懸索結構中桿件的應力水平極高，材料利用率極大，高強材料得以充分利用，最能發揮鋼結構的材料特點。因而在超大跨度的結構中，懸索結構(或包括懸索結構的組合結構)是首選的結構類型。

4 鋼結構的選型[4]

目前，鋼結構在大跨度結構中應用較多。剛架適用于荷載小、跨度為9 m～18 m的建筑;桁架適用于跨度為18 m～36 m的建筑;網架的適用跨度一般可達到30 m～60 m，在一定條件下，其跨度也可達60 m以上;而懸索能夠做到其他結構不能跨越的跨度，其適用跨度可達到100 m～150 m，甚至300 m以上。但這些只是鋼結構選型的基本知識，一個好的結構形式的選擇，不僅要考慮建筑上的作用功能、結構上的安全合理、施工上的可能條件，也要考慮經濟價值和造型美觀。工程設計人員應從力學概念入手，充分理解每類結構形式的優缺點、適用范圍以及它在結構布置上的原則和構造尺寸，參考成功的工程設計實例，在結構選型中綜合應用。比如:在輕鋼工業廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用平面網架;基本雪壓大的地區、降雨量大的地區以及積灰荷載大的地區，屋面曲線應有利于卸荷，曲面網殼是理想的結構形式;而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，在選擇構件懸索結構體系的同時，可以考慮對懸索施加預應力，以保證屋蓋的剛度和穩定等。

5 結語

工程設計人員在能夠正確判斷要使用鋼結構的前提下，應具有一個良好的設計思路，強調概念設計在鋼結構設計中的應用;在深入理解剛架、桁架、網架及懸索這幾種常見鋼結構形式力學原理的基礎上，科學進行結構選型，做到每一項設計都精益求精。

[1] GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[2] 董石麟.我國大跨度空間鋼結構的發展與展望[J].中國建設信息，2002(20):56-57.

[3] 林同炎.結構概念和體系[M].第2版.北京:中國建筑工業出版社，1999.

[4] 陳眼云.建筑結構選型[M].廣州:華南理工大學出版社，1995:12.

[5] 陳 銘，何麗麗，鞏偉平.淺談鋼結構穩定性設計[J].山西建筑，2008，34(5):118-119.