高層建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計(jì)中的質(zhì)量控制

雷圣義

湖北華頂建筑工程有限公司技術(shù)部（431700）

越來越多的標(biāo)志性鋼結(jié)構(gòu)建筑，已經(jīng)足夠證明我國的鋼結(jié)構(gòu)建筑無論從設(shè)計(jì)施工，還是從設(shè)計(jì)到鋼結(jié)構(gòu)件的工業(yè)生產(chǎn)加工，專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)在實(shí)踐中得到不斷提高。如上海金茂大廈、深圳賽格大廈，上海盧浦大橋，跨長江輸電鐵塔，鳥巢國家體育中心，首鋼鋼結(jié)構(gòu)廠房建筑等等許多彩鋼結(jié)構(gòu)體系的重要工程，標(biāo)志著建筑鋼結(jié)構(gòu)正向高層重型和空間大跨度鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展。

1 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1 優(yōu)點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件較小，質(zhì)量較輕，便于運(yùn)輸和安裝，便于裝拆、擴(kuò)建。適用于跨度大、高度高，承載重的結(jié)構(gòu)。鋼材的材質(zhì)均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，可靠度高；鋼材的強(qiáng)度高，塑性和韌性好，抗沖擊和抗振動(dòng)能力強(qiáng)；鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高，工廠制造，工地安裝，加工精度高，制造周期短，生產(chǎn)效率高，建造速度快；鋼結(jié)構(gòu)抗震性能好；用于施工的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以是行工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝，可以大大縮短施工周期；空間大：由于鋼材的抗壓、抗側(cè)彎強(qiáng)度均為混凝土的1.5倍，因此在相同強(qiáng)度的條件下可以縮小截面從而增大了有效空間；可循環(huán)利用:鋼結(jié)構(gòu)建筑物的施工材料可以實(shí)現(xiàn)鋼材再生利用，同其它結(jié)構(gòu)建筑物相比減少了大量的建筑垃圾[1-2]。

1.2 缺點(diǎn):耐腐蝕和耐火性差

鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，其耐火性能遠(yuǎn)差于混凝土結(jié)構(gòu)，在溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)基本喪失了其全部的剛度和強(qiáng)度。因此在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)抗火被視為重要一環(huán)；由于鋼材表面的鐵原子與空氣中的氧化合生成氧化鐵銹，銹蝕能夠引起應(yīng)力集中，危害鋼結(jié)構(gòu)的使用安全，使鋼結(jié)構(gòu)提前破壞，因此對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的防腐才能確保其使用年限。

2 原材料鋼材供應(yīng)的質(zhì)量控制

進(jìn)場的鋼材應(yīng)檢查質(zhì)量合格證明文件、中文標(biāo)志及檢驗(yàn)報(bào)告,對(duì)下列情況之一的鋼材應(yīng)進(jìn)行抽樣復(fù)驗(yàn):1）國外進(jìn)口材料。2）鋼材。3）建筑結(jié)構(gòu)等級(jí)為一級(jí)大跨度中主要受力構(gòu)件所采用的鋼材。4）設(shè)計(jì)有復(fù)驗(yàn)要求的鋼材。5）對(duì)質(zhì)量有疑義的鋼材。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的質(zhì)量控制

3.1 鋼構(gòu)件的焊接

必須從焊接準(zhǔn)備，施工過程和成品檢驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)做好質(zhì)量控制工作。目前鋼結(jié)構(gòu)加工生產(chǎn)單位絕大部分采用自動(dòng)弧焊機(jī)，僅在個(gè)別部位采用手工焊接，重點(diǎn)檢查焊接問題較多的手工焊縫，如:焊瘤、夾渣、氣孔、咬邊、焊縫厚度不足等現(xiàn)象，質(zhì)量控制要點(diǎn)包括檢查焊接原材料出廠質(zhì)量證明書、檢查上崗證(焊工)、督促進(jìn)行必要的焊接工藝試驗(yàn)、施焊過程中加強(qiáng)巡視檢查、嚴(yán)格檢查焊縫的外觀質(zhì)量和督促進(jìn)行焊縫的探傷檢驗(yàn)。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火設(shè)計(jì)質(zhì)量控制

鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)烈焰下,構(gòu)件溫度迅速升高，而鋼材的屈服強(qiáng)度和彈性模量卻急劇下降，結(jié)構(gòu)變形迅速增大，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。因此需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中的梁、柱、支撐等承重構(gòu)件和組合樓蓋體系的壓型鋼板作防火處理。常見的處理方式有防火板包裹，防火噴涂，復(fù)合防火等。目前應(yīng)用最多、最方便的是噴涂防火涂料。目前防火涂料成本高達(dá)鋼結(jié)構(gòu)工程成本的20%，是鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)中亟待解決的主要問題。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)建筑的防腐設(shè)計(jì)質(zhì)量控制

鋼材如果長時(shí)間暴露在室外受到風(fēng)雨等自然力的侵蝕，必然會(huì)生銹老化，其自身承載力會(huì)下降，建筑的美觀也會(huì)受影響。因此防腐問題也是需要解決的常見問題，目前的做法主要是采用新型防腐和構(gòu)造材料。但是目前的防腐技術(shù)最多能保證20年左右，對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年的建筑而言，后期第二次防腐處理是相當(dāng)困難的，尤其是一些前期隱蔽工程。所以鋼結(jié)構(gòu)防腐需要一次徹底的技術(shù)革新。

4 鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定性質(zhì)量控制

穩(wěn)定性質(zhì)量控制是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)突出問題[3]，在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，都會(huì)遇到穩(wěn)定問題。鋼結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定問題也是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中亟待解決的主要問題，一旦出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故,不但對(duì)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失,甚至?xí)斐扇藛T的傷亡,這方面的教訓(xùn)也很多。所以我們?cè)阡摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一定要把好這一關(guān)。目前，鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的失穩(wěn)事故大多是由于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性能不夠清楚，對(duì)如何保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定缺少明確的認(rèn)識(shí)，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)不應(yīng)有的薄弱部位。因此,在設(shè)計(jì)中應(yīng)該明確鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一些基本概念，才能更好地處理鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)中檁條的設(shè)計(jì)

檁條通常是風(fēng)荷載作用下對(duì)工況起控制作用，設(shè)計(jì)時(shí)常忽略驗(yàn)算風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定，導(dǎo)致大風(fēng)時(shí)很容易失穩(wěn)破壞。為了保證風(fēng)吸力作用下的整體穩(wěn)定，通常在檁條之間設(shè)置拉條。計(jì)算中已考慮拉條的作用而施工圖中忽略了布置拉條或拉條布置不當(dāng)都將導(dǎo)致檁條失穩(wěn)破壞。正確的拉條布置位置是根據(jù)計(jì)算結(jié)果在檁條上下翼緣附近，在上下穩(wěn)定均需要拉條約束時(shí)，也可設(shè)一根拉條從一檁條的下翼緣處連接于相鄰檁條的上翼緣處。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中有些設(shè)計(jì)者對(duì)屋面或墻架最上端檁條的側(cè)向支撐，如拉條、斜拉條、撐桿能正確設(shè)置，但對(duì)中間墻面或屋面，如門窗洞口、屋面風(fēng)機(jī)開孔處、屋面天窗(采光窗)等處，經(jīng)常只設(shè)拉條，而漏設(shè)斜拉條和撐桿等,根本無法將拉條上的拉力傳至承重結(jié)構(gòu)上。其根本原因是對(duì)拉條、斜拉條、撐桿的傳力作用及途徑不清楚，同時(shí)也是對(duì)規(guī)范條文只知其然，不知其所以然，從而給圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來安全隱患。

4.2 隅撐的設(shè)計(jì)

設(shè)置隅撐是保證梁柱構(gòu)件整體穩(wěn)定的主要措施，隅撐間距是梁柱計(jì)算時(shí)確定的，大小規(guī)格也需通過計(jì)算確定。若因特殊原因不能設(shè)置隅撐，應(yīng)采取可靠措施保證梁柱翼緣不會(huì)因失穩(wěn)而屈曲，否則存在安全隱患。所以在輕鋼結(jié)構(gòu)和多高層框架結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵部位均要設(shè)計(jì)隅撐。

4.3 鋼構(gòu)件的抗扭設(shè)計(jì)

對(duì)于一般鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件(除箱形截面外)，其抗扭的能力是較弱的，截面面積完全相同的工字形截面和箱形截面梁，其扭轉(zhuǎn)常數(shù)之比為1∶500，最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力之比近于30∶1。且受扭構(gòu)件的受力狀態(tài)復(fù)雜，除因彎矩產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力、剪應(yīng)力外，還要承受因扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，處于這種復(fù)雜受力狀況的構(gòu)件支座處理也很困難。因此在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，通常是從結(jié)構(gòu)布置上盡量避免使構(gòu)件受扭，或采取各種有效的措施阻止其受扭。若無法避免時(shí)宜采用閉合式的箱形截面梁。

4.4 柱腳的錨栓設(shè)計(jì)

規(guī)范規(guī)定,鋼結(jié)構(gòu)柱腳錨栓按承受拉力計(jì)算，水平力由柱腳底板與混凝土的摩擦或設(shè)置底板抗剪鍵來承受，錨栓不得承受水平力。目前設(shè)計(jì)師一般按設(shè)計(jì)軟件的信息設(shè)計(jì)抗剪件，基本能保證規(guī)范要求，但是對(duì)于抗剪件的設(shè)計(jì)和計(jì)算卻缺乏相應(yīng)的規(guī)定。另外，對(duì)有些承受拉力柱腳的錨栓設(shè)計(jì)目前也沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)定。

5 結(jié)語

“鋼結(jié)構(gòu)是環(huán)保住宅，鋼結(jié)構(gòu)符合可持續(xù)發(fā)展概念”——21世紀(jì)鋼結(jié)構(gòu)將占領(lǐng)廣闊的建筑市場。在我國目前大力推廣住宅產(chǎn)業(yè)化的時(shí)代背景下，鋼結(jié)構(gòu)體第必將成為住宅體系的主流。展望未來，隨著經(jīng)濟(jì)等建筑物的需求十分旺盛。這將為鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供更多機(jī)會(huì)，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)來興旺的新局面就在眼前。現(xiàn)在我國鋼結(jié)構(gòu)已進(jìn)入一個(gè)新階段，有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)已出臺(tái)，國內(nèi)鋼產(chǎn)量充足，為鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展提供了較好的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)[4-5]。應(yīng)及時(shí)把握其發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合我國國情，積極借鑒并吸納國外成熟技術(shù)，注意各專業(yè)間的相互配合，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相信我國鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展前景是美好的。

[1] 陳昌民,劉志平.工程質(zhì)量監(jiān)控與通病防治全書[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,1998:639～650.

[2] 戎建開.鋼筋焊接質(zhì)量通病及防治[J].山西建筑,2004,30(3):36～37.

[3] 申立林.鋼結(jié)構(gòu)工程施工監(jiān)理要點(diǎn)探討[J].山西建筑,2007,33(31):215～216.

[4] 中國建筑監(jiān)理協(xié)會(huì).建設(shè)工程監(jiān)理規(guī)范[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[5] 冶金工業(yè)部建筑研究總院.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[M].北京:中國計(jì)劃出版社,2001.