鋼結構設計中常見問題探討

【摘要】本文主要從鋼材材質的選用，焊縫連接，螺栓連接等方面分析研究了鋼結構設計的常見問題，闡明了建筑鋼結構的防護措施及抗震設計方法，本文是個人的一些見解，對鋼結構設計人員可以提供一定的參考價值。

【關鍵詞】鋼結構；焊縫；高強度螺栓；抗震設計

前言

近年來，隨著經濟的發展， 鋼結構在土木工程中的應用日趨廣泛，技術越來越成熟，國家相應出臺了不少規則、手冊、圖集來規范設計、施工行業。但畢竟結構體系千變萬化，設計、施工人員在應用過程中還是會產生諸多的問題。這就要求設計人員必須掌握與此相關的各種知識。文中論述的幾個問題幾乎是任何一項鋼結構設計都要遇到的基本問題。從表面上看這些問題非常簡單， 然而不少設計人員在處理這些問題時卻把握不準。究其原因在于這些問題看起來簡單， 其內涵卻非常豐富， 涉及到很多非結構專業的問題。因此希望以下的論述能對鋼結構設計人員有所裨益。

一、選用鋼材材質問題分析

在鋼結構設計文件中， 應當注明鋼結構所采用材料的質量等級(包括相適應的焊接材料) 。鋼結構房屋所使用的鋼材針對不同的應用應當具有抗拉強度， 屈服強度， 伸長率， 冷彎試驗和硫含量的合格保證。如對于焊接鋼結構應具有含硫量的合格保證；對于地震區，要求鋼材的強屈比不小于 1. 2 % ， 應有明顯的屈服臺階， 且伸長率應大于 20 % ， 并應有良好的可焊性和合格的沖擊韌性， 以上要求主要是保證結構具有必要的安全儲備和足夠的塑性變形能力， 都應寫入設計文件中。一般來說， 使用 Q235B及以上的碳素結構鋼及 Q345B及以上等級的低合金高強度結構鋼，過高的選用 C 級或 Z 向等級， 造成經濟上的浪費同樣不可取。

二、焊縫問題分析

在現代鋼結構中， 焊接連接已成為鋼結構連接的最基本方法， 焊縫質量的好壞直接影響到結構安全， 所以應當根據結構或構件的重要性和受力性能及焊縫的受力情況， 確定焊縫的質量等級。一般來說， 板材的對接焊縫、承受動力荷載構件的較重要的焊縫、需做疲勞驗算的焊縫以及與鋼材等強的受拉、受彎對接焊縫(如框架梁、柱及其連接節點的對接焊縫、 工字形截面與其端板的對接焊縫) 其焊縫質量等級不得低于二級。其他部位的焊縫，一般均可采用角焊縫， 但由于角焊縫應力集中現象嚴重， 內部探傷也很困難， 其焊縫質量等級一般只能為三級， 對于某些重要的角焊縫可允許要求其外觀缺陷符合二級的要求。如不恰當的提高焊縫的質量等級將提高工程造價且難以做到。

三、螺栓問題連接

對鋼結構中高強度螺栓的認識， 不少人的固有觀念就是摩擦型和承壓型高強度螺栓兩種形式， 因而必然涉及到摩擦面的處理和張拉力的控制問題。這種概念在有較大剪力的連接中是合理的， 但不是所有節點均須進行處理。在實際工程中，當節點承受較小剪力時，設計人員一般只需將輕鋼剛架梁柱節點的螺栓按受彎節點的受拉螺栓采用摩擦面和張拉力控制的要求進行設計。另外，有的設計人員往往將剪力較小的受彎節點的受拉螺栓按性能指標很高的摩擦型螺栓進行設計， 這也造成了施工檢測中的難度和浪費。一些設計人員在設計說明中往往寫道: 高強度螺栓采用承壓型高強度螺栓 10. 9 s ， 這是一種不正確的說法。承壓型高強度螺栓(或摩擦型高強度螺栓) 是一個錯誤的術語， 它將螺栓的連接方式( 連接的力學模式)和螺栓的種類( 外形和性能) 這兩個風馬牛不相及的概念混為一談， 使施工人員拿到圖紙后， 無法采購承壓型高強度螺栓。對于設計人員來說， 只要給出高強度螺栓的性能等級和連接材料摩擦面的抗滑移系數即可， 不必規定采用何種螺栓。

四、鋼柱柱腳錨栓連接問題分析

為調整鋼柱底標高，通常在柱底板下與基礎頂面預留約50毫米的調整空間，然后用微膨脹細石混凝土搗實，《門式剛架技術規程》CECS102中也有相應的做法，但在某些結構中，柱腳采用的錨栓規格較大(如：M60，M72)，其螺母厚度已達40～50毫米，再加上墊板的厚度，已超過50毫米的調整空間，因此當柱腳錨栓直徑較大時(直徑超過42毫米)，柱腳底板下的二次澆灌層高度應保證有70～100毫米的范圍。在柱頂標高、鋼柱垂直度調整到位后，應及時將底板下的空間灌實。對于錨栓的錨固長度，對于不同的錨栓直徑，有不同的要求。在施工圖中，錨栓詳圖只是簡單地說明套用圖集或手冊，基礎設計時若考慮不周全或基礎的高度受到限制，很有可能導致基礎的厚度不足，錨栓不能就位。特別是有些工程，上部鋼結構由專業鋼結構公司設計，基礎由另外一家設計院設計，若兩者沒有溝通好，很容易出現這種情況。另外，對于外包鋼筋混凝土的柱腳，當外包混凝土柱內的縱筋間距較小且縱筋離鋼柱外表面較近時，應特別注意混凝土柱內的縱筋和箍筋是否會影響錨栓螺母的固定，為便于固定螺母，混凝土柱內縱筋間距一般應大于150毫米以上，鋼柱外表面與砼外表的距離也需大于300毫米以上，箍筋應在鋼柱校正好之后綁扎。對于有抗剪鍵的柱腳，抗剪鍵一般焊于柱底板下，在基礎柱上預留方孔或圓孔，但當有基礎梁與基礎短柱在同一標高，且位于柱中心布置，這時就很容易發生基礎梁內的縱筋與杭剪鍵預留孔沖突，這時，最好將基礎梁頂標高降低或將基礎梁偏移抗剪鍵位置。

五、杯口基礎連接問題分析

鋼柱采用杯口基礎連接時，柱腳做法比較簡單，但安裝比較麻煩。當柱腳承擔的變矩較大而軸向力較小時(如排架結構中的鋼柱腳)，若采用錨栓連接，錨栓規格會比較大，且柱腳也需采用靴梁的形式，那么柱腳做法將會是十分麻煩。這種情況，最好還是采用杯口基礎，免去埋設錨栓而帶來的麻煩。當采用杯口基礎時，杯底有一個找平和調整標高的細石混凝土層，當柱底板下的混凝土采用二次澆灌時，底板下的混凝土很難振搗實，嚴重的可能導致底板下是空的，因此在底板上必須每邊留設灌漿孔和溢漿孔，或不設底板直接靠鋼柱與砼間的摩擦來承擔豎向力。杯口基礎另外一個缺點是杯口內易進水或土，在基礎施工時，必須做好覆蓋措施。否則，清理杯口內的土和水會是很麻煩的事情，特別是工地范圍內的地面基礎采用換土方式時，杯口的保護顯得尤為重要。在鋼柱安裝前，對杯口內壁進行鑿毛，以保證在鋼柱就位后二次澆灌的混凝土能結合牢靠，杯口基礎和錨栓連接的方法各有各的優點，在設計過程中，應結合受力情況，選擇一種符合工程需要和方便施工的做法。

六、建筑鋼結構的防護問題分析

1、防腐。過去均為紅丹兩道打底， 調和漆兩道罩面， 現在還有這樣的寫法或者寫鋼材表面須認真除銹， 均是不符合規范的要求的。規范明確規定: 要注明除銹等級和涂料及涂層厚度， 一般為Sa2. 5，推廣使用噴射除銹的方法。因為其不僅除銹徹底， 而且能在鋼材表面形成微小的凸凹面， 有利于涂料與鋼材的粘結， 大大提高防腐年限， 當構件有殘余應力時， 噴射還可以消除部分殘余應力。對于埋入地下的部分應采用混凝土包裹， 受侵蝕作用的柱腳不宜埋入地下。

2、防火。鋼結構構件的防火保護層厚度應根據建筑物的耐火等級和構件的不同的耐火極限進行設計， 受高溫作用的結構， 應根據不同情況采取相應的隔熱防護措施。

七、鋼結構房屋的抗震設計分析

鋼結構房屋抗震設計時，應根據設防烈度， 結構類型和房屋高度采用不同的地震作用效應調整系數， 并采取不同的抗震構造措施。抗震構造措施主要是根據設防烈度和房屋高度， 控制框架柱和支撐的長細比、梁柱及支撐桿件板件的寬厚比、梁柱連接節點的構造要求等，包括設置加勁肋， 設置側向支撐及連接焊縫的質量要求和高強度螺栓連接的構造要求。型鋼構件用于抗震結構時， 要注意板件寬厚比， 可能超過規范限值。一般的型鋼材件是按非抗震要求來制造的， 如果用于抗震結構， 有時會不滿足構造要求， 尤其是 Q345鋼材。

八、結語

鋼結構的設計、材料采購、加工、安裝各個環節息息相關，設計人員對每一環節都應有比較清楚的了解，這對于項目的開展會有很大好處。通過分析、總結，不斷提高自身的工作水平，使鋼結構設計人員能更好地為加工、安裝提供服務。