建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題及措施探討

摘要：鋼結(jié)構(gòu)自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)建筑還符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑對提高城市建設(shè)水平有很大作用，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要充分考慮材料的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮各方面的因素加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定以及平面外穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，克服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，避免出現(xiàn)失穩(wěn)事故，加快鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);問題

1.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1鋼結(jié)構(gòu)的制造比較簡便，施工時(shí)間比較短

鋼結(jié)構(gòu)需要的材料比較單純并且屬于成材，加工十分簡便，并且利用機(jī)械進(jìn)行操作，因此，通常在專業(yè)的金屬結(jié)構(gòu)廠將鋼結(jié)構(gòu)制作為構(gòu)件，具有較高的精確度。在工地上拼裝構(gòu)件，可以使用安裝便捷的普通螺栓和強(qiáng)度較高的螺栓，有時(shí)候還能夠在地面上進(jìn)行拼裝及焊接成比較大的單元之后進(jìn)行吊裝，以便能夠盡量縮短施工時(shí)間。除此之外，已經(jīng)建好的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和改建也比較容易，采用螺栓對結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接時(shí)可以根據(jù)需求實(shí)施拆遷。

1.2鋼結(jié)構(gòu)材料具有較高的強(qiáng)度

塑性與韌性要比其他鋼材建筑材料好，例如與木材、磚石作比較，其強(qiáng)度要高出很多。因此，在大跨度和大荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中頻繁使用。鋼材的特點(diǎn)還有良好的塑性與韌性。良好的塑性，在一定的條件下結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)槌d而產(chǎn)生斷裂;良好的韌性，結(jié)構(gòu)能夠很好的適應(yīng)動(dòng)力荷載。鋼結(jié)構(gòu)具有的延伸性與吸能力還令其抗震性能十分優(yōu)越。另一方面，鋼材具有極高的強(qiáng)度，制作的構(gòu)件截面極小且薄，受到壓力時(shí)能夠符合穩(wěn)定的要求，有時(shí)無法充分發(fā)揮強(qiáng)度。

1.3均勻的材質(zhì)

鋼材內(nèi)部組織十分接近向同性和勻質(zhì)，同時(shí)在一定的應(yīng)力幅度范圍內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力狀況比較符合工程力學(xué)計(jì)算的結(jié)果。在冶煉與軋制過程中鋼材的質(zhì)量能夠獲得十分嚴(yán)格的控制，材質(zhì)在極小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

2.鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題

2.1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案缺乏深度

承接單位和設(shè)計(jì)單位的分包，在很大程度上降低了設(shè)計(jì)的深度，甚至有些設(shè)計(jì)方案不能滿足原設(shè)計(jì)的要求，例如柱腳設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤。埋入式、外包式、外露式是柱腳設(shè)計(jì)的主要類型，外露式主要在民宅中應(yīng)用，底板的彈性和塑性變形決定了柱腳的剛度，所以底板出現(xiàn)變形就會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)的變形，設(shè)計(jì)人員如果不充分考慮這些問題，不進(jìn)行內(nèi)力分析，預(yù)留位移角限度值，一旦出現(xiàn)地震災(zāi)害時(shí)，就很容易破壞柱腳節(jié)點(diǎn)，損壞建筑物。

2.2設(shè)計(jì)人員缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)相對繁重，而且相關(guān)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)費(fèi)用較高，在一定程度上增加了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，所以很多設(shè)計(jì)人員都不愿意接這類工作。此外，有些設(shè)計(jì)單位缺乏鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，往往將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分包，一旦分包單位設(shè)計(jì)資質(zhì)欠缺，就會(huì)給鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來安全隱患。另外，當(dāng)前的設(shè)計(jì)市場沒有相關(guān)法律的約束，也沒有相應(yīng)的監(jiān)督，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，如工程事故的發(fā)生。

2.3盲目模仿外國設(shè)計(jì)方案

我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案首要考慮的問題是經(jīng)濟(jì)效益，而外國的設(shè)計(jì)方案由于具備強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力的支持，往往不看重經(jīng)濟(jì)效益，因此我國的設(shè)計(jì)人員照搬外國的設(shè)計(jì)方案是不符合實(shí)際情況的。有些設(shè)計(jì)人員盲目追求設(shè)計(jì)的新穎而沒有考慮成本問題，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案不合理。

3.提高建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的措施

3.1結(jié)構(gòu)選型

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是”概念設(shè)計(jì)”，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部構(gòu)造措施。在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、力學(xué)行為清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。同時(shí)，它也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)考慮不同結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)。在工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或大范圍移動(dòng)荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架?；狙捍蟮牡貐^(qū)，屋面曲線應(yīng)有利于積雪滑落（切線50度外不需考慮雪載），建筑允許時(shí)，在框架中布置支撐會(huì)比簡單的節(jié)點(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)體系。高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應(yīng)單純?yōu)榱私?jīng)濟(jì)去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。

3.2結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)布置是設(shè)計(jì)中比較難的部分，它既要考慮結(jié)構(gòu)整體剛度大小問題，又要考慮結(jié)構(gòu)整體剛度均勻問題。具體地說，也就是柱子主方向的朝向，支撐、剪力墻設(shè)置的位置等。假如不對結(jié)構(gòu)布置做仔細(xì)的分析工作，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗力有效性、傳力途徑合理性將得不到充分地發(fā)揮，從而使經(jīng)濟(jì)性不佳。建議初算后，調(diào)整結(jié)構(gòu)柱子主方向及支撐、剪力墻位置時(shí)，可以盡量參考結(jié)構(gòu)整體變形圖和幾個(gè)主振型圖的情況。實(shí)際設(shè)計(jì)工作中結(jié)構(gòu)布置與建筑使用功能往往是有沖突的。針對有沖突的地方，結(jié)構(gòu)布置作出相應(yīng)的調(diào)整，努力做到在滿足建筑使用功能的前提下，讓結(jié)構(gòu)布置趨于最合理。

3.3結(jié)構(gòu)計(jì)算

梁、柱的截面初選時(shí)，要考慮構(gòu)造要求，如翼緣寬厚比、腹板高厚比、構(gòu)件長細(xì)比等。不宜為了一味追求用鋼指標(biāo)，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(fù)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（尤其平面外的穩(wěn)定）。其次，使得運(yùn)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(fēng)荷載作用下、地震作用下的層間位移、頂點(diǎn)位移、自振周期。設(shè)計(jì)中常常不重視結(jié)構(gòu)的自振周期，有時(shí)結(jié)構(gòu)的層間位移、頂點(diǎn)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(dāng)建筑物遇到主要為低頻的地震波時(shí)，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(yán)格進(jìn)行控制。當(dāng)梁跨度很大時(shí)，梁變形驗(yàn)算要同時(shí)考慮相對變形和絕對變形。

3.4節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最重要最關(guān)鍵的是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，在一些工程中，節(jié)點(diǎn)非常復(fù)雜，甚至圖紙都無法表達(dá)清楚，為此，就必須要結(jié)合有限元計(jì)算對節(jié)點(diǎn)做法進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核。如對于連接板的設(shè)計(jì)，其厚度的控制，主要以在梁腹板的厚度的基礎(chǔ)上，再加上4mm，最后通過驗(yàn)算，分析截面的抗剪力。

另外，由于構(gòu)造間隙及制造誤差會(huì)導(dǎo)致連接后連接板有微小轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致次梁頂標(biāo)高比設(shè)計(jì)標(biāo)高下降一定數(shù)值，致使主次梁頂標(biāo)高不在一個(gè)平面上，為了避免這一情況的出現(xiàn)，還需要在節(jié)點(diǎn)螺栓尚需承受時(shí)，采用雙排螺栓所產(chǎn)生的一對力偶引起的彎矩，最終控制旋轉(zhuǎn)中心和制造精度，以此來作出合理的判斷。

此外，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，還要要考慮到螺栓的安裝、現(xiàn)場焊接等，優(yōu)化施工吊裝的順序以及施工空間。

3.5圖紙編制

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對于圖紙的編制，一定要采用合理的鋼結(jié)構(gòu)制作技術(shù)，結(jié)合工程需求，以施工圖為參照標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行圖紙深化，并且要做好細(xì)部設(shè)計(jì)工作，其中，對于細(xì)部設(shè)計(jì)中，主要要控制好桁架的整體穩(wěn)定性，具體的控制方法就是在桁架單元滑移前增設(shè)前后支撐，通過增加支承點(diǎn)的方式來確定計(jì)算簡圖，但是圖紙一定要附有詳細(xì)的材料表、施工詳圖以及設(shè)計(jì)圖，從而全面提升高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。另外，還要利用PKPM設(shè)計(jì)軟化，規(guī)范設(shè)計(jì)流程，確定鋼結(jié)構(gòu)的跨度、柱距、建模，并且要以根據(jù)荷載規(guī)范加載、計(jì)算，最終繪制出施工圖。

4.結(jié)語

目前，我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)住宅正在高速發(fā)展，可是從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)到安裝制作等各個(gè)環(huán)節(jié)我們與外國建筑水平存在著比較大的距離。作為設(shè)計(jì)人員應(yīng)對高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深一步的研究，提高我國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃友江，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)分析[J].黑龍江科技信息，2009

[2]陳淑燕，提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的有效策略[J].城市建設(shè)與商業(yè)刊點(diǎn)，2009