建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計及其注意事項

阿俊花

寧夏南林建設(shè)集團(tuán)有限公司

建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計及其注意事項

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近年來，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用越來越廣泛，并且取得了非常不錯的應(yīng)用效果。不過在實(shí)際的應(yīng)用過程中，也有因為鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計工作做得不到位，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)建筑出來穩(wěn)定性不足的問題，這嚴(yán)重影響到了使用者的生命財產(chǎn)安全。為了確保建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)具有更高的質(zhì)量，需要在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的時候，嚴(yán)格地按照相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，并做好相應(yīng)的設(shè)計要點(diǎn)工作，從而為使用者提供更加安全、可靠的鋼結(jié)構(gòu)建筑。基于此，文章主要對建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計及其注意事項進(jìn)行了研究和分析，以期對相關(guān)人士能夠有所幫助。

建筑工程；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計；注意事項

當(dāng)前，我國鋼材的年產(chǎn)居世界首位，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展很快。鋼產(chǎn)量的增長為發(fā)展我國建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)創(chuàng)造了極好的時機(jī)。目前，與發(fā)達(dá)國家相比我國在許多方面還存在著明顯的差距。21世紀(jì)是鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展時期，長期以來由混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的格局勢必被打破，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用也會越來越多。因此，對于工程設(shè)計人員而言，研究鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路和原理，對于完善專業(yè)知識結(jié)構(gòu)、提高工程設(shè)計水平有十分重要的意義。

1、鋼結(jié)構(gòu)的適用條件

判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)，主要是鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的選擇。國內(nèi)與國外相比，如日本等發(fā)達(dá)國家，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的造價問題，應(yīng)有一個全面、綜合的認(rèn)識，不能籠統(tǒng)地認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)造價比混凝土貴，從而排斥于比較方案之外。事實(shí)上，結(jié)構(gòu)造價只占工程造價的30%左右。而結(jié)構(gòu)造價又分上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價，上部結(jié)構(gòu)造價僅占基礎(chǔ)造價的50%～70%。而鋼結(jié)構(gòu)只是指工程的上部結(jié)構(gòu)，在工程總投資中僅占10%還不到，對于高層和大跨度結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)與采用混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)特別適用于重型工業(yè)廠房的承重骨架和吊車梁、大跨度建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁、多層和高層建筑的骨架、塔桅結(jié)構(gòu)、容器和大直徑管道等殼體結(jié)構(gòu)、移動式結(jié)構(gòu)、輕型結(jié)構(gòu)以及在地震區(qū)抗震要求較高的工程結(jié)構(gòu)。

2、鋼結(jié)構(gòu)自身優(yōu)點(diǎn)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的塑性及韌性較好

鋼結(jié)構(gòu)在一般的情況下，不會出現(xiàn)因為超載而導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象，鋼材自身能夠把峰值應(yīng)力進(jìn)行重新分配，并沒有且能夠使應(yīng)力變化幅度逐漸趨于平緩。這一切都源自于鋼材自身良好的塑性以及韌性。因此，鋼結(jié)構(gòu)對于載荷適應(yīng)能力比較強(qiáng)，在地震的作用下，通過結(jié)構(gòu)自身彈性形變以及塑性形變，能夠在一定程度上吸收地震所帶來的能量，從而達(dá)到提升鋼結(jié)構(gòu)抗震性的目的。從以往的地震災(zāi)害調(diào)查表中可以有效得知，全鋼結(jié)構(gòu)的建筑在地震中受到的損害個其它材料結(jié)構(gòu)的建筑進(jìn)行相比，損害明顯最低。

2.2 鋼材的質(zhì)地比較均勻

鋼材料因為其材料自身的性能和在力學(xué)計算方面具有的假定十分符合，與此同時，鋼材內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)接近各項的同性，鋼材質(zhì)地其自身的波動范圍比較小，在建筑用材中，屬于理想的彈性材料，并且在一定的受力幅度范圍內(nèi)，其屬于有著完全彈性的材料，工程力學(xué)計算結(jié)果和實(shí)際的受力狀態(tài)也比較符合，因此具有優(yōu)勢。

2.3 在高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的造價比較低

鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的磚混或混凝土建筑相比，其總體的成本造價比較低，還有這種結(jié)構(gòu)自身的重量通常都比較輕，所以，裝卸和運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用相對來說也比較低，在一定程度上，也降低來工程的總體材料使用量。與此同時，使用鋼結(jié)構(gòu)的建筑工程，工程建設(shè)周期也得到有效的縮短，從中衍生出的其他各項間接費(fèi)用同樣也能得到控制。由此可見，鋼結(jié)構(gòu)的建筑，在高層的建筑中屬于造價比較低的一種。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)建筑需要的施工周期比較短

鋼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行建筑施工的過程中，受到季節(jié)、環(huán)境變化的影響比較小。其原因在于鋼結(jié)構(gòu)大多都是在工廠就能直接完成生產(chǎn)，只需要把構(gòu)建運(yùn)送至施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝就可以，這要比傳統(tǒng)的建筑施工程序快很多，并且對環(huán)境造成的污染也是最低的。與此同時，鋼材料在施工的過程中，主要依靠機(jī)械進(jìn)行操作，不需要有很大的施工場地，因此，施工速度也比較快，這對于那些對于工期要求比較高的建筑來講，具有十分明顯的優(yōu)勢，同時，由于大量的機(jī)械操作代替了傳統(tǒng)人工與運(yùn)輸，從而有效縮減了經(jīng)費(fèi)開支，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3、鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路

3.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

鋼結(jié)構(gòu)體系的選擇歸根結(jié)底就是對鋼結(jié)構(gòu)抗震體系的選擇。它包括對建筑抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素綜合分析，與建筑、水、暖、電等專業(yè)的充分協(xié)商，必要時還應(yīng)進(jìn)行多方案比較。一般來說，鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)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(guī)則；應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力，應(yīng)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(xiàn)薄弱層的部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。在具體鋼結(jié)構(gòu)工程中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)合理控制尺寸，避免局部失穩(wěn)或整個構(gòu)件失穩(wěn)；要特別注意鋼結(jié)構(gòu)部分和鋼筋混凝土的連接處，比如基礎(chǔ)部分、鋼屋架支撐處是較薄弱的部位。

3.2 計算模型的建立

計算模型應(yīng)該是鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況正確與合理的簡化，結(jié)構(gòu)計算是在計算模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計算模型選用不當(dāng)不僅僅會得出錯誤的數(shù)值解，而且會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全事故，因此選擇恰當(dāng)?shù)挠嬎隳Ｐ褪潜ＷC結(jié)構(gòu)安全的重要條件。比如在節(jié)點(diǎn)設(shè)計中，按傳力特性不同，分剛接、鉸接和半剛接。實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不可能是純粹的剛接或鉸接點(diǎn)，這就需要結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行正確的判斷，選擇哪種更能真實(shí)的反映節(jié)點(diǎn)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(nèi)。此外，對于諸如節(jié)點(diǎn)這類受力復(fù)雜的構(gòu)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(yīng)通過相應(yīng)的構(gòu)造措施對節(jié)點(diǎn)予以加強(qiáng)。

3.3 建筑材料的使用

要善于利用鋼結(jié)構(gòu)的抗拉性能。按受力的不同，現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對鋼結(jié)構(gòu)主要從受彎、受拉、受壓和拉彎、壓彎五個方面計算[1]。從規(guī)范中不難看出，受壓、受彎或壓彎構(gòu)件需同時進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計算，對于大多數(shù)此類構(gòu)件，當(dāng)它發(fā)生失穩(wěn)破壞時，其強(qiáng)度遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計值。而受拉或拉彎構(gòu)件只需考慮強(qiáng)度計算，構(gòu)件的力學(xué)性能可以得到充分發(fā)揮，應(yīng)力水平很高，因此材料的利用率最高。

4、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計運(yùn)用中，主要存在的問題如下：對于建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計過程中所使用到的鋼材，有一部分由于生產(chǎn)工藝的問題導(dǎo)致鋼材的質(zhì)量達(dá)不到相應(yīng)的施工標(biāo)準(zhǔn)；在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的時候，一些設(shè)計人員往往忽視鋼結(jié)構(gòu)與建筑工程的整體性要求，經(jīng)常使得鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計獨(dú)立于整體建筑之外，這樣導(dǎo)致了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計完工之后，出現(xiàn)與建筑物之間的銜接度不夠的情況，這樣勢必導(dǎo)致建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)質(zhì)量大打折扣；一些設(shè)計師盲目搬規(guī)范、套程序，只給出構(gòu)件布置圖。將應(yīng)該設(shè)計的“節(jié)點(diǎn)構(gòu)造”、“支座詳圖”等都交給加工企業(yè)。廠家若做出的圖紙不符合原設(shè)計要求，存在質(zhì)量隱患。

5、建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的注意事項

5.1 保證鋼材選擇的質(zhì)量

建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計過程中的選材非常重要，主要是因為鋼材的質(zhì)量好壞直接決定著整個建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)成敗。然而由于我國建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，使得我國的建材行業(yè)也跟著不斷的發(fā)展壯大，目前市場上充斥著各種不同種類的鋼材，要從眾多種類的鋼材中選出最為合適的一種確實(shí)難度較大。由于鋼材生產(chǎn)方面的問題，一些鋼材的強(qiáng)度、硬度、形變等特性很難滿足相應(yīng)的施工要求，如果相應(yīng)的采購人員不夠?qū)I(yè)，會導(dǎo)致一些不合適的鋼材進(jìn)場，以至于建筑鋼結(jié)構(gòu)的功能很難充分發(fā)揮出來。因此在實(shí)際的設(shè)計過程中，需要由資深的人員進(jìn)行鋼材的選購，以保證鋼材選擇的質(zhì)量。

5.2 判斷建筑鋼結(jié)構(gòu)的適用性

隨著建筑的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)階段的鋼結(jié)構(gòu)被越來越多的使用與高層建筑的建設(shè)過程中。因此相應(yīng)的設(shè)計人員需要對鋼結(jié)構(gòu)是否具有足夠的強(qiáng)度、足夠的硬度、是否能承受較大的振動幅度以及拆卸方便的性能進(jìn)行考慮，以保證鋼結(jié)構(gòu)的適用性。

5.3 加強(qiáng)受力體系以及細(xì)部節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，為避免最終出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中不完全一致的情況，需注重對鋼材強(qiáng)度、截面尺寸等方面的考慮，并保證構(gòu)件節(jié)點(diǎn)之間的連接穩(wěn)固性。另外對于細(xì)部節(jié)點(diǎn)的設(shè)計，也需按照相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

結(jié)束語

綜上所述，工程設(shè)計人員在能夠正確判斷要使用鋼結(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)具有一個良好的設(shè)計思路，強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用；在深入理解剛架、桁架、網(wǎng)架及懸索這幾種常見鋼結(jié)構(gòu)形式力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，科學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，做到每一項設(shè)計都精益求精。

[1]劉慶明.鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)項目施工質(zhì)量管理研究[D].燕山大學(xué)，2017.

[2]周立斌.建筑鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)發(fā)展研究[D].浙江大學(xué)，2016.

[3]張飛.摩擦型高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)試驗研究[D].大連理工大學(xué)，2016.