基于建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點的探討

摘要：鋼結(jié)構(gòu)由于強度高、自重輕、抗震性能好和材料可回收等諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代建筑工程中。而鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程當中應(yīng)用的范圍十分廣泛，究其原因在于其擁有自重輕，高強度和工業(yè)化強度高的特點，所以鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計對建筑物的安全和使用壽命起著至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：建筑;鋼結(jié)構(gòu);設(shè)計

1.建筑鋼結(jié)構(gòu)的特點

建筑鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)點：一是鋼結(jié)構(gòu)可工廠化制作，減少現(xiàn)場施工的工作量，施工周期短;二是由于鋼結(jié)構(gòu)自重輕、結(jié)構(gòu)荷載小，減少了地基處理的工作量和費用;三是鋼結(jié)構(gòu)利于抗震，給投資方帶來較好的經(jīng)濟效益和社會效益;四是鋼結(jié)構(gòu)由于其材料本身的性能好，強度高，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)斷面小，在廠房布置中可以節(jié)省一部分空間，更容易滿足工藝靈活布置的要求。

2.當前我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題

2.1設(shè)計質(zhì)量下降

當前設(shè)計院的設(shè)計任務(wù)相當繁重，所承攬的工藝及綜合專業(yè)部分設(shè)計收費較高，而鋼結(jié)構(gòu)部分卻是難啃的硬骨頭，費工費力收費低，不愿意承接鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)，或者缺乏鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗，故往往將鋼結(jié)構(gòu)部分分包給另一單位。一些無資質(zhì)的單位，拿到工程后，用買來的圖標搞設(shè)計，使設(shè)計質(zhì)量存在重大隱患。

2.2設(shè)計深度不夠

當前，不少設(shè)計單位，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平比較低，承擔工程的設(shè)計者多為剛畢業(yè)不久的學生，缺乏實踐經(jīng)驗，更缺乏鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計知識，盲目照搬規(guī)范，套程序，對關(guān)鍵技術(shù)不進行研究，設(shè)計院只做到了“方案設(shè)計”或初步設(shè)計的深度，將施工圖交給加工廠，加工廠缺乏計算軟件，又將施工圖任務(wù)轉(zhuǎn)包出去，由于這些分包單位缺乏專業(yè)配套知識，對設(shè)計總體要求不明確，往往所做出的圖紙不符合原設(shè)計要求，存在嚴重的質(zhì)量隱患。有的加工廠為了節(jié)約鋼材，降低造價，盲目進行鋼材優(yōu)化，結(jié)果造成工程質(zhì)量事故。

2.3盲目照搬設(shè)計方案

由于國外結(jié)構(gòu)工程師對我國地震和風荷載的特殊情況了解得不深，故設(shè)計方案在抗震設(shè)計方面很不合理，如國家體育場，采用了鋼結(jié)構(gòu)屋蓋和砼看臺完全脫開方案，幾萬噸的巨大鋼桁架所產(chǎn)生的地震荷載由鋼結(jié)構(gòu)柱傳至柱底，而數(shù)千噸的巨大柱底水平力由與看臺基礎(chǔ)脫開的巨型鋼柱腳傳遞，結(jié)果造成用鋼量達到五萬噸，相當同類體育場用鋼量的四倍，這是抗地震設(shè)計極不合理的方案，如將數(shù)萬噸的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震力傳給砼看臺，可以減少大量的鋼材，在保持原建筑風貌不變的情況下，可使龐大笨重的鋼結(jié)構(gòu)減少鋼材用量兩萬多噸。

2.4設(shè)計未充分考慮施工

一些設(shè)計人員出于經(jīng)濟利益，整天埋在辦公室的圖紙堆里，理論脫離實際，不深入現(xiàn)場，不了解施工。嚴重者會給施工帶來極大困難，總的造價大量增加。如×工程設(shè)計要求屋蓋最后合攏的溫度為14度±4度，但本工程合攏時正值盛夏，中午時鋼材表面溫度達到55度，為滿足14度合攏要求，曾提出“深挖井、添冰塊、噴冰水”的區(qū)域降溫的方案。

3.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1正確選用鋼材與焊縫質(zhì)量等級

按照國內(nèi)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范要求，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案中，應(yīng)明確標注鋼材與焊縫質(zhì)量等級。在國內(nèi)現(xiàn)階段的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于焊縫質(zhì)量等級的要求缺乏明確性，部分項目甚至并沒有提及。在抗震要求較高鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計時，鋼板的厚度應(yīng)≥40mm，在承受沿板厚方向的較大拉力時，要保證板厚方向的截面收縮率。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，焊接連接是基本的鋼結(jié)構(gòu)連接方法，焊縫質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到結(jié)構(gòu)的整體安全，所以，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的重要性與受力性能等，合理確定焊縫的質(zhì)量等級。

3.2結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)布置

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程主打“概念設(shè)計”牌，概念設(shè)計在鋼結(jié)構(gòu)的整個過程中都是異常重要的。建筑鋼結(jié)構(gòu)通常分為框架、平面（桁）架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等幾種結(jié)構(gòu)。在對項目進行鋼結(jié)構(gòu)的選型確定時，一定要根據(jù)各項目特點的不同，分析實際情況進行設(shè)計。遇到有較大負重的荷載時要放棄門式鋼架而采用鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形態(tài)。大跨度的建筑要對覆蓋屋頂構(gòu)建進行拉索或索膜結(jié)構(gòu)的建立。對于高層或者超高層鋼結(jié)構(gòu)項目，可對鋼結(jié)構(gòu)框架布置支撐結(jié)構(gòu)，承受水平荷載和抵抗側(cè)移變形能力更佳，經(jīng)濟效益也要比簡單的鋼框架要高的多。另外采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外加巨型SRC柱的組合則能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)和混凝土各自的優(yōu)勢，能更好地控制好項目的投資。

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)使結(jié)構(gòu)受力路線清晰且可以以最接近直線的路線將受力傳給地基支撐。鋼結(jié)構(gòu)在布置上要遵循結(jié)構(gòu)剛度勻稱，力學分布平穩(wěn)，最大限度減少荷載的影響。鋼結(jié)構(gòu)抗力的支撐住間距要適中，且設(shè)置多道防線以背意外發(fā)生，核心撐柱的受力應(yīng)至少占總受力的20%。

3.3結(jié)構(gòu)計算

梁、柱的截面初選時，要考慮構(gòu)造要求，如翼緣寬厚比、腹板高厚比、構(gòu)件長細比等。不宜為了一味追求用鋼指標，而采用把梁、柱截面高度加大、腹板厚度變薄、翼緣寬度變窄、厚度變薄等措施。如這樣做后，將產(chǎn)生負面效應(yīng)。首先，這將使得梁、柱自身的整體穩(wěn)定性不易保證。其次，使得運輸、施工中都難以保證構(gòu)件不發(fā)生翹曲變形。結(jié)構(gòu)分析中一定要注意結(jié)構(gòu)分別在風荷載作用下、地震作用下的層間位移、頂點位移、自振周期。設(shè)計中常常不重視結(jié)構(gòu)的自振周期，有時結(jié)構(gòu)的層間位移、頂點位移都滿足規(guī)范要求，但自振周期卻比較長，這對于建筑物抗震是十分不利的。當建筑物遇到主要為低頻的地震波時，地震波對這種周期長、高柔的建筑影響很大。梁、柱變形應(yīng)該按照規(guī)范嚴格進行控制。當梁跨度很大時，梁變形驗算要同時考慮相對變形和絕對變形。

3.4節(jié)點設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計是整個設(shè)計中的關(guān)鍵。設(shè)計時既要保證節(jié)點具有足夠的強度和延性，又要使節(jié)點構(gòu)造簡潔，便于施工。節(jié)點設(shè)計中連接螺栓數(shù)目的確定，翼緣連接焊縫厚度的確定，相對是比較直觀、容易的。而節(jié)點域抗剪驗算、連接板等計算是常常被忽略，但它們亦是決定節(jié)點安全性的重要因素之一。梁、柱剛性連接設(shè)計應(yīng)注意以下幾點：

1）不能太厚，也不能太薄。太厚了使節(jié)點域不能發(fā)揮其耗能作用，太薄了將使框架的側(cè)向位移太大。

2）建議8度3、4類場地和9度時采用梁一柱骨形連接。該法是在距梁端一定距離處，將翼緣兩側(cè)做月牙狀切削，形成薄弱截面，使強烈地震時梁的塑性鉸自柱面外移，從而避免脆性破壞。

3）當梁腹板與柱采用螺栓連接時，螺栓排數(shù)不少于兩排。

4）當梁上翼緣有樓板加強，且施焊條件較好，震害較少時，可不做特殊處理，而應(yīng)對梁下翼緣的焊接襯板邊緣施焊，也可采用割除襯板，然后清根補焊的方法，以達到消除焊接襯板的缺口效應(yīng)。

鋼結(jié)構(gòu)柱腳有外露板式、埋人式和外包混凝土式。埋人式和外包混凝土式柱腳具有較好的抗震能力，強地震區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用。外露板式柱腳的震害說明：地腳錨栓是抗震的薄弱部件，抗震設(shè)計中，應(yīng)充分考慮地震剪力，增強錨栓的抗震強度。鋼結(jié)構(gòu)連接的破壞多是由焊縫質(zhì)量不好引起的，因此應(yīng)加強對施工質(zhì)量的管理和監(jiān)督。

3.5構(gòu)件設(shè)計

構(gòu)建設(shè)計也要考慮材料的合理性，取材上一般選擇Q235和Q345兩種。一般情況下，結(jié)構(gòu)計算中，如果結(jié)構(gòu)強度起控制作用則選取以Q345材質(zhì)經(jīng)濟效益更明顯，如果結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性或者結(jié)構(gòu)變形為控制作用則以Q235更省投資。

當前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進步，一些軟件可以對整個結(jié)構(gòu)進行截面優(yōu)化，我們僅做的就是對優(yōu)化后的截面稍加調(diào)整并進行程序自動驗算，直至合理，如PKPM中的STS等。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。但要注意，利用結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計一定要注意模型的建立和參數(shù)定義，尤其是柱及梁的平面內(nèi)、外計算長度。

4.結(jié)語

目前，我國的鋼結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)正處在大發(fā)展、大飛躍、大挑戰(zhàn)的階段，而鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是本行業(yè)的重中之重，我們只有不斷的提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計水平、逐步完善相關(guān)法律規(guī)范、深化行業(yè)內(nèi)部改革，才能在世界范圍內(nèi)的相關(guān)領(lǐng)域處于不敗之地。

參考文獻：

[1]謝妍，賈茹.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀及存在的問題[J].民營科技，2011（03）.

[2]邵大衛(wèi).建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計思路及其規(guī)范[J].建設(shè)科技，2013（10）.