淺談鋼結構的設計

李穎 石代 關丹

摘 要：本文論述了鋼結構設計中存在的一些問題，并對其存在的問題做出了相應的解決方法。

關鍵詞：鋼結構設計；結構構造

一、鋼結構概述

隨著社會經濟的發展，鋼結構廠房在我國建筑行業中也隨之迅速的發展，在鋼筋混凝土建筑之后，鋼結構廠房是最具革命性的建筑新發展和新應用之一。與傳統的鋼筋混凝土結構相比，鋼結構的優點主要表現在以下幾方面：1.鋼結構的強度大相同跨度的廠房鋼結構的材質更輕，從而減輕結構的自重。2.鋼結構開間和跨度可以做的更大，內部分割更靈活。3.因為鋼結構的自重輕（部分樓面采用鋼格柵、屋面墻面可以采用夾芯彩鋼板），地震作用力比混凝土結構要小，從而也減小了基礎設計的內力，降低基礎造價。4.鋼結構材料的延性好，地震作用下能吸收更多的地震能量，地震來臨的時候有相對較多的時間逃生。5.鋼結構施工速度快，對于一些資金緊張（比如建設需要大量的銀行貸款，或者急需早日投產的項目）的企業來說，這些往往是決定性的因素。

二、鋼結構設計

1.收集資料。鋼結構設計過程的前期資料準備工作首先就是要收集環境資料，包括：使用年限內的基本風速、風壓和雪壓；當地的土壤類別；大氣中是否含腐蝕性成分；當地地震基本烈度及建筑物抗震設防分類標準和設計基本地震加速度值等等。其次，必須收集規范和標準，目前我國現時實行的主要設計規范是《鋼結構設計規范》。再次，要了解結構設計的習慣做法，例如：坡口焊與刨平頂緊的使用，插入式柱腳和錨栓式柱腳的使用，建筑墻體采用開敞還是封閉等。

2.確定結構體系、柱網。鋼結構體系主要由橫向結構系統和縱向結構系統組成。橫向系統的具體情況根據工藝要求、廠房剛度要求、結構受力情況、材料選用情況等確定。縱向系統一般由柱及其支撐、托架、吊車梁及制動梁或桁架、墻梁等組成。

柱網的確定一般依據工藝要求、經濟柱距及跨度、建筑美觀等方面。造價主要包括基礎費用，鋼材用量、制作安裝難度及進度等。跨度的確定一般根據工藝的要求。廠房的劃分由起重量Q確定，當Q≤20t為輕型廠房；當30t≤Q≤75t為中型廠房；當100t≤Q≤250t為重型廠房；當Q>250t為特重型廠房。根據多年設計經驗總結，經濟柱距為：重型廠房地基差時宜采用24m，中型廠房地基差時采用18m、15m，輕型廠房采用12m；地基較好時廠房一般宜采用12m、18m柱距。經濟柱距的確定還應考慮吊車軌面標高等因素。

3.設計荷載及荷載效應的計算。結構設計應考慮的荷載包括：風載，地震荷載，活荷載，吊車荷載。按承載能力極限狀態設計鋼結構時，應考慮荷載組合。荷載的標準值、荷載分項系數、荷載組合值系數、動力荷載的動力系數等應采用現行的國家標準《建筑結構荷載規范》GB50009中的規定。結構重要性系數γ0應采用現行國家標準《建筑結構可靠度設計統一標準》GB50068中的規定。

根據《鋼結構設計規范》GB50017中的規定，說明如何計算吊車荷載：作用于每個輪壓處的水平力標準值：Hk=αPkmax；Pkmax：吊車最大輪壓標準值；α：系數，一般軟鉤吊車α=0.1，抓斗或磁盤吊車α=0.15，硬鉤吊車α=0.2。

4.結構構造。鋼結構的主材是根據不同鋼型號的物理性能確定的，如：屈服強度和抗拉強度。高強螺栓是根據屈服強度、抗拉強度、承剪切能力、抗滑移能力和扭矩值來確定的。

三、鋼結構廠房設計中應注意的問題

1.鋼結構的腐蝕及防腐。造成鋼結構腐蝕的原因很多。首先是環境因素，鋼結構長期暴露在相對濕度比較大的環境中，就會產生腐蝕現象，而且環境中的酸、鹽等化學物質也會使鋼結構的腐蝕加速；其次是由于設計的不合理，例如：鋼架和墻體之間應該保留足夠的空間，便于維護；還有施工時控制不良，主要是由于涂料質量控制及施工過程涂膜厚度的檢查不嚴格造成腐蝕問題出現。

鋼結構的腐蝕生銹降低鋼結構的強度和承載能力，減少鋼結構的使用壽命，一旦由于腐蝕造成鋼結構變形、斷裂、垮塌就會造成難以挽回的損失，并且鋼結構腐蝕影響建筑物的美觀。因此，當務之急是做好防腐工作。選擇防腐涂料要考慮涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于維修等。防腐蝕年限小于5年為短期防腐蝕、5年至15年為中等防腐蝕、大于15年為長效防腐蝕。室外鋼結構宜采用環氧富鋅底漆兩度、環氧云鐵中間漆兩度、聚氨酯面漆兩度，總漆膜厚度不小于150μm的長效防腐涂料。室內鋼結構宜采用鐵紅醇酸底漆一度、云鐵醇酸防銹漆一度、醇酸面漆兩度，總漆膜厚度160μm。

2.鋼材及連接材料的選擇。鋼結構既承受靜力荷載又承受動力荷載，必須根據其所受的荷載情況選用適當的鋼材，直接承受動力荷載的鋼材應具有較高的質量，需要驗算疲勞的鋼材對綜合性能要求更高。承重結構的鋼材根據規范宜采用Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼。承重結構采用的鋼材應保證在抗拉強度、伸長率、屈服強度含量等方面必須符合規定，。對受拉和受彎的鋼材應選用較高質量的，防止鋼材產生斷裂。焊接結構鋼材的質量要求應高于同樣情況的非焊接結構鋼材，應保證含碳、硫、磷的量符合規定。鋼中硫含量過高會造成鋼材的熱脆現象，而磷含量過高會造成鋼材的冷脆現象，對經常處于或可能處于較低溫度下工作的鋼結構，尤其是焊接結構，應選用化學成分和力學性能質量較好的鋼材。鋼材質量等級：Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼可分有A、B、C、D、E五級。下表描述了焊接結構和非焊接結構在不同的工作溫度下所使用的不同的鋼材質量等級。

如表1所示。

3.鋼材焊接裂縫。焊縫裂紋出現的原因：（1）廠家的焊接質量較差，同時運輸過程中的振動使原始的裂縫加大甚至開裂。為了保證安全，質檢人員應該重視這些焊縫、加強對焊縫的檢驗力度，保持大板梁等長度較大鋼結構在吊裝運輸過程中受力均勻、不發生大的變形，以避免裂縫的出現。（2）焊接時焊劑焊條潮濕、焊接坡口沒有清理，在氣體保護焊時，有油污、氣體保護不當進入空氣，導致氣孔的產生，可能引起裂縫。因此在焊接前，要將焊接部位徹底清理干凈，在鋼結構制作過程中要按照焊接相關規程對鋼材進行保管存放，對于存在氣孔的部位要引起高度的注意，防止焊接裂縫產生。

四、結語

結構設計在一個良好的工程中至關重要。在結構設計中不能只考慮材料的優點，更要重視材料的缺點。鋼結構在工程中有很多優點，并且已經在我國的建筑領域廣泛應用，但是它的缺點也是不可忽視的，所以在設計過程中要全面考慮各方面的因素，才不會在日后的使用中出現問題。