基于鋼結構房屋結構設計中常見問題研究

李耀雄

摘要：鋼結構房屋具有施工方便，造價便宜等諸多優點，被廣泛應用到現代房屋建筑結構設計過程中。由于鋼結構構件的特殊性質，在開展結構設計時必須格外重視。本文對鋼結構房屋結構設計過程中的常見問題進行簡單分析，探討提高鋼結構房屋建筑結構設計的策略。

關鍵詞：鋼結構建筑;房屋結構;結構設計;問題策略

一、引言

隨著我國經濟的快速發展，城市現代化建設步伐加快，房屋建筑建設規模越來越大。鋼結構房屋建筑在建筑結構類型中占據較大比例，由于鋼結構特殊性質，在開展建筑結構設計過程中，必須要結合鋼結構特點，合理開展設計。

二、鋼結構結構特點

1.結構構件用鋼量大

鋼結構房屋柱距、跨度以及高度一般較大，橫梁荷載較大，因此導致構件超長、超寬、超重現象，用鋼量一般超過100kg/m2。因為該類房屋結構構件重量較重，相應基礎費用也較高，同時地震反應也較為敏感。

2.軸網布置復雜，柱距大

柱距一般為12～18 m，往往因功能布局要求，局部需要抽柱，抽柱部位需要增設托架或托梁，房屋山墻處需要設置抗風桁架。

3.結構整體剛度要求高

因鋼結構對排架變形要求較高，加之橫梁荷載較大，在結構的縱、橫向均應保證結構具有足夠的剛度，以減小整體結構的變形。

4.節點構造設計復雜

因結構構件大、數量多，節點設計應考慮構件的制造、運輸、安裝的安全性和便利性。

三、鋼結構建筑結構設計存在的主要問題

1.設計方面

根據大量相關調查數據表明，引起鋼結構事故的主要原因是由于鋼結構失穩而導致的。一般情況下，鋼結構失穩類型具體分為兩個方面，一方面是局部失穩，另一方面則是整體失穩。而鋼結構整體失穩基本都是由局部失穩間接造成的，尤其是當受彎部位的尺寸大小超過合理范圍時，就很容易出現失穩的現象。并且，鋼結構失穩常常會受到很多方面因素的影響，其中，最突出的一點問題就是，設計人員在對建筑鋼結構進行設計時，并沒有充分考慮到支撐作用的重要性，這也是導致整體失穩的常見因素之一。而局部失穩具體是指當鋼結構的吊裝位置不同時，網架、桁架中的桿件受力性將會發生改變，近而發生失穩情況。可以說，只要有鋼結構的存在，勢必就會有一定的失穩風險。所以，無論是設計者，還是施工人員，都必須告訴重視這一問題，并充分做好一切防范保護措施，以此來保障建筑工程項目的建設質量。

2.鋼結構設計缺乏科學穩定性設計

鋼結構因具有自重輕、強度高、工業化程度高等優點，在建筑工程中得到了廣泛的應用，另一方面，因其結構失穩破壞造成的人員傷亡、財產損失的事故案例也層出不斷，而失穩破壞的原因通常是結構設計缺陷所致。鋼結構失穩的分類：

（1）有平衡分岔的穩定問題（分支點失穩）。完善直桿軸心受壓時的屈曲和平板中面受壓時的屈曲均屬于這一類。

（2）無平衡分岔的穩定問題（極值點失穩）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發展到一定程度時喪失穩定的能力，屬于這一類。

（3）跳躍失穩是一種不同于以上兩種類型的穩定問題，它是在喪失穩定平衡之后跳躍到另一個穩定平衡狀態。

四、鋼結構房屋建筑結構設計策略

1.加強鋼結構建筑結構穩定性設計

（1）構件與細部構造穩定性計算方法一致

在鋼結構設計中，要使構造設計與結構計算相匹配，以滿足構件穩定性和設計結構細部構造的一致性。對傳遞彎矩和不傳遞彎矩的連接節點，應該分別給予足夠的剛度和柔度;對桁架節點的設計也應盡量減少桿件偏心等，這些僅僅是設計構件細部構造。但是，當涉及到穩定性時，對細部構造就會有其他要求，比如簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求只是阻止位移和允許其在平面內轉動，然而在處理梁整體的穩定性時，支座除了要滿足上述要求外，還需要阻止梁繞縱軸扭轉，允許梁在水平面內轉動和梁端截面自動翹曲。

（2）兼顧整體和組成部分穩定性的要求

目前，大部分鋼結構設計都是以平面體系為出發點的，比如桁架設計和框架設計等。為了避免出現平面失穩問題，需要從鋼結構的整體布局出發，設計有針對性的支撐構件，也就是說要使平面構件的結構布置與平面穩定計算保持一致。

（3）計算方法與結構簡圖一致

在設計單層和多層框架結構時，并不分析框架穩定性，而要計算框架柱的穩定性。采用這種方法計算框架柱穩定性時用到的計算長度系數，應該分析框架整體的穩定性，這樣才能使最終框架穩定計算等效于柱穩定計算。

2.減小不確定性因素影響

不確定性因素對鋼結構穩定性設計造成的影響是難以避免的，但是，可以利用一些方法來減小這種影響，提高鋼結構穩定性設計的可靠性。比如，可以為鋼結構進行力學性能分析和設計，或者從設計的眾多實驗中選擇一個較為合理的方案等。

梁—柱理論是當前鋼結構穩定性設計中最基礎的理論，也是最重要的理論。在鋼結構設計中，要實際考察鋼結構工程的場地、材料、設計方案等相關事項，合理地運用梁—柱理論分析鋼結構設計中細部構造和構件之間的穩定性、整體結構和組成部分之間的穩定性等，達到提高鋼結構設計穩定性的目的。

預張拉結構理論體系對鋼結構穩定性的設計是極為重要的。建立一套科學、完善、合理的預張拉結構體系理論，根據這個理論體系分析預張拉結構，最終得出準確的結果，這樣能夠確保達到鋼結構穩定性設計的要求。

3.重視局部與整體之間穩定性的關系

避免采用根據經驗確定局部穩定性與整體穩定性之間安全系數的方法，加強對鋼結構局部穩定性與整體穩定性之間關系的重視程度。根據鋼結構工程的實際情況，考察現場、材料等相關因素，科學地計算出一個較為可靠的安全系數，減小誤差，提高鋼結構穩定性設計的準確性。

4.重視主結構用鋼量設計

主結構主要包括排架柱、屋面梁以及連接節點等，在總用鋼量中占比較大，直接影響整個結構的經濟性。為客觀比較不同柱距下的主鋼架用鋼量，控制主要應力比差值在0.03以內。隨著柱距的加大，剛架數量隨之減少，單榀剛架所擔負的恒活荷載隨柱距的增大而線性增大，雖然單榀剛架用鋼量增大，但小于剛架數量減小對用鋼量的影響，主結構單位用鋼量（均攤到房屋單位建筑面積的用鋼量）隨著柱距增加而降低，其對用鋼量的影響基本呈線性。

圍護結構（含屋面檁條、屋面支撐、墻梁、墻架柱等）的用鋼量隨著柱距的增大，所擔負的恒活荷載增大，單位用鋼量也隨之增大，當相比橫梁用鋼量的變化曲線要舒緩的多。

隨著柱距的增加主剛架用鋼量與橫梁、圍護結構的用鋼量變化趨勢相反，因此結構存在最低用鋼量柱距。因為主結構和次結構的鋼材型號與單價不同，總鋼量與柱距關系曲線的最低點為用鋼量最省的柱距，但不是最優柱距。主剛架和橫梁系統在總用鋼量中占據70%以上，所用材質及制作安裝的費用也交較維護系統高，因此通?？梢赃x擇主剛架和橫梁系統的最低用鋼量柱距選為最佳柱距。

5. 設計過程中就應考慮防火災

鋼結構的防火保護有多種方法，這些方法主要有：鋼結構防火涂料保護、防火板保護、混凝土防火保護、柔性卷材防火保護、耐火鋼、結構內通水冷卻等。選擇鋼結構的防火設計時，應考慮下列因素：鋼結構所處部位，需防護的構件性質;鋼結構采取防護措施后結構增加的重量及占用的空間;防護材料的可靠性;施工難易程度和經濟性。

五、結束語

鋼結構房屋建筑結構設計過程中，必須要結合工程實際情況，綜合考慮鋼結構特點，合理開展結構設計，必須要重視穩定性設計，合理控制用鋼量，確保鋼結構建筑穩定性，確保工程質量。

參考文獻：

[1]顧文杰，齊勇.鋼結構房屋結構設計中常見問題研究[J].房地產導刊，2015，（9）：108-108.

[2]李曉英.鋼結構房屋結構設計中常見問題分析[J].建筑·建材·裝飾，2014，（16）：104-104.

（作者單位：湖北鑫華盛施工圖咨詢有限公司）