鋼結構深化設計注意事項分析

張文杰

（甘肅第四建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730060）

1 引言

近年來，隨著建筑工程項目的日漸增多，建筑工程安全管理問題頻出，全國各地工程質量安全問題相繼出現也給建筑結構設計敲響了警鐘。為提高建筑結構設計的安全和穩定性，建筑行業也經歷了多次技術革新，從原來的磚墻結構到普遍適用的鋼筋混凝土結構，再到現在日益盛行的鋼結構，建筑體的結構設計形式在不斷改進。鋼結構設計是近年來逐漸發展起來的新技術，幫助建筑施工行業向節約化、輕量化轉變。目前，大量高新建筑主結構體已經青睞于向鋼結構形式轉變，其中最為典型的代表莫過于北京鳥巢奧林匹克體育場館，采用純鋼結構的搭接形式，設計新穎、結構獨特，不僅美觀，具有很強的藝術性，而且簡約，節約了大量的混凝土建材，對周邊環境也十分友好，成為建筑行業鋼結構設計的標桿。然后，鋼結構設計看似簡單，實際上需要經過構思、分析、計算等多方面的深化設計，以確保鋼結構的安全穩定。在鋼結構深化設計中，設計人員必須掌握鋼結構的安全設計原則，重點考慮鋼結構構件的選型、鋼結構的連接形式、鋼結構搭接時的力學計算和有限元分析等關鍵點問題，避免出現鋼結構失穩或結構強度不夠等質量缺陷。鑒于此，文章針對鋼結構深化設計中的注意事項和重點問題進行分析，并提出了解決和處理問題的策略思路，以確保鋼結構設計的質量安全。

2 鋼結構深化設計中的問題分析

2.1 設計人員專業能力較低，技術管理相對較弱

鋼結構深化設計需要重點關注設計方面的問題，首當其沖的是設計人員自身的專業能力和技術管理問題。一方面，鋼結構深化設計需要設計人員具有很強的專業素養，同時還應具備極高的綜合能力，但目前，我國建筑行業從業人員，結構設計技術人員專業能力相對不高，針對鋼結構設計問題不僅缺乏相應的設計經驗，而且在整個鋼結構設計周期的管理中也存在管理漏洞，此外，大部分的鋼結構從業人員僅僅懂得結構設計，對鋼結構的力學計算和有限元分析并不專業，而鋼結構的力學分析計算是確保鋼結構深化設計質量安全的關鍵環節，如果缺少了理論計算和分析依據，很容易導致鋼結構設計圖紙存在一定的錯誤和不合理之處，從而影響鋼結構的安全穩定；另一方面，鋼結構深化設計缺乏技術管理，這體現了設計部門對鋼結構深化設計不夠重視，在對設計圖紙的校對、審核、批準等一系列設計流程中，存在技術管理不足或部分流程缺失的情況，鋼結構深化設計圖紙需要經過技術討論、方案確定、驗算校核、細化設計、設計審核、審批等一系列過程，任何一個環節的缺失都會影響鋼結構設計圖紙的質量，而技術管理上的不夠重視，也無形中助長了圖紙設計缺陷問題的發生。

2.2 鋼結構設計缺乏依據，理論計算和分析不足

鋼結構深化設計中需要遵循一定的設計原則、理論計算和建模分析等，只有經過理論計算和分析合格以后，才能進一步提升結構設計安全系數，確保鋼結構設計的安全。但是實際設計中，一些設計人員照搬照抄其他類似項目的圖紙，忽視了鋼結構設計上的原則性問題，缺少正確的理論計算和建模分析，從而導致設計圖紙存在錯誤或不合理之處。首先，我國建筑結構設計規范中規定了鋼結構設計的一些設計標準，部分鋼結構設計人員經常依據設計經驗而輕視設計規范，導致鋼結構設計偏離了相關設計規范標準，雖然依據設計經驗并不會帶來多大的問題，但是其中隱藏的安全風險也不容忽視；其次，設計人員缺乏理論計算和利用有限元分析軟件建模分析的能力，導致對深化設計形式缺乏理論計算和建模分析的校核，理論力學、材料力學計算是鋼結構安全設計的重點理論基礎，缺少理論基礎的支撐，設計圖紙的正確性無法保證，而有限元分析計算可以模擬振動、沖擊等更多特殊條件下的受力情況，對鋼結構設計分析更加嚴謹深入，缺少有限元建模分析，鋼結構設計的安全系數不明確，同樣不能保證設計圖紙的安全性。此外，在進行理論計算和建模分析時，一定要選擇正確的計算公式，輸入正確的邊界條件，否則將會得出錯誤的計算結果，根據錯誤的計算結果作為設計依據，必然存在很大的安全風險，因此，計算過程必須認真、嚴謹，計算結果必須準確、可靠。

2.3 鋼結構的型材選型問題，截面參數估算偏差

鋼結構由大量的型鋼組成，因此，對鋼結構的型材選型和截面估算上也是鋼結構深化設計中的重點內容，目前存在的主要問題在于鋼結構型材選型不準確、截面參數估算偏差過大等。一方面，鋼結構型材選型上，市面上有槽鋼、H型鋼等不同的鋼材類型，設計人員在進行鋼結構深化設計時，如果沒有依據建筑項目實際結構需求和計算結果選擇合適的鋼材類型，不僅會影響鋼結構的連接點的設計，而且也會影響鋼結構的力學性能，而且對鋼材選型不嚴謹，也會導致鋼材的浪費，因為槽鋼、H型鋼間的力學性能不同、結構差異也大、造價成本也有差別，因此，如果鋼材選型上沒有充分考慮到位，既會影響鋼結構的質量安全，同時也會影響工程造價的成本；另一方面，鋼材結構布置和連接點形式的設計與鋼材截面形式息息相關，因此，在鋼結構深化設計中如果缺乏對鋼材截面參數的正確估算，也會影響鋼結構支撐和連接的安全和穩固性，鋼結構截面的估算與不同型鋼的截面尺寸有關，截面估算還包含了對構件梁柱和支撐面的選型、截面高度、板材厚度以及支座載荷情況等，如果這些關鍵點參數不明確或選型存在嚴重誤差，對鋼結構的質量安全影響很大，建筑結構也將存在嚴重的安全風險。

3 鋼結構深化設計中的關鍵技術點分析

3.1 鋼結構的設計選型

鋼結構深化設計中，針對鋼結構的設計選型問題極為關鍵，不僅影響到后續設計的配合性和結構力學性能的穩定性，同時也影響到建筑企業的經濟效益。首先，針對鋼結構的經濟性考慮上，由于建筑體中用到大量的鋼結構，其中工程造價成本影響很大，而設計中所需的鋼材類型、截面尺寸、布置形式等影響到鋼材的價格以及用材的數量，這些都是影響建筑企業工程造價成本的關鍵，因此，建筑企業在前期鋼結構深化設計階段，必須綜合考慮鋼結構的設計選型問題，在滿足鋼結構力學性能和質量安全前提下，應選擇造價經濟的鋼材類型，同時，要正確計算用鋼量，通過優化結構設計、改進結構形式，從而盡可能地降低用鋼量，節約造價成本；其次，鋼結構的布置設計上，應考慮跨度形式、懸掛載荷、經濟性等多方面因素，在布置設計上多下功夫，是控制鋼結構質量安全的必要條件，也是節約工程造價成本的關鍵。為此，鋼結構布置設計的力學模型要清晰，建模準確，邊界條件應考慮全面，特別是針對抗震、抗剪、抗彎等極限工況載荷的力學模型驗算，一定要準確計算，滿足鋼結構設計的安全系數要求，此外，鋼結構梁的設計和布置，應考慮主梁、次梁等一系列鋼結構的布置位置，特別是針對框架結構的樓層平面控制上，應控制好樓層凈高，同時也要考慮頂層邊柱等鋼結構的受力條件，避免出現承載能力不足的情況而埋下安全隱患。

3.2 鋼結構的截面估算

鋼結構的截面形式和估算面積影響到整體結構的安全穩固，因此，鋼結構截面估算也是鋼結構深化設計中必須關注的關鍵點之一。鋼結構截面的大小不僅影響到用鋼量的大小，同時也影響到鋼結構的連接形式和力學安全性能，為此，必須正確估算鋼結構截面積，正確選擇合適的型鋼類型。首先，鋼結構中不同的型鋼類型其截面形式不一樣，如槽鋼、軋鋼、H型鋼等，深化設計時應根據鋼結構承受載荷能力及支座連接要求合理選擇鋼結構的截面類型，從而確定選取鋼材的類型，其中，需要注意的一些關鍵參數應計算準確，如鋼結構所需截面的高度、寬度以及翼緣厚度等，保證鋼結構截面的承載能力；其次，計算鋼結構截面時，針對梁柱形式的鋼結構截面可以采用長細比的估算形式，柱截面選型上，有一定的設計要求，通常會根據截面軸心受壓、雙向受彎矩或單向受彎等不同的受力條件，選擇鋼管、H型鋼等相應的截面類型，從而根據計算的用鋼量，估算所需的截面大小；再次，在鋼結構深化設計中，針對鋼結構截面選型的要求上并沒有固定的形式，結構設計人員應根據實際受力情況，具體問題具體分析，合理選取承載性能好、經濟性高的鋼材類型，在確保鋼結構質量安全的前提下，也要重視造價成本的節約。

3.3 鋼結構的節點設計

鋼結構由大量的型鋼連接而成，因此，鋼結構的節點設計也是影響鋼結構連接質量安全的一大重要技術因素。鋼結構節點設計形式上，可根據不同種類的鋼結構形式選取，設計中應考慮連接強度、連接可操作性等多方面因素，確保節點連接安全可靠。首先，焊接是鋼結構節點連接中最為常見的一種形式，針對焊接設計要求，應合理選取焊接形式，一定要在圖紙中按焊接規范要求標注好焊接符號，保證焊接質量，同時，應在技術要求中明確焊縫質量，考慮焊縫的重心位置盡量與構件重心接近，并要求做好焊縫的無損檢測，保證焊縫質量，提高焊接可靠性；其次，針對鋼結構連接板之間的節點設計，需準確計算選取連接板的厚度，根據設計規范要求，連接板厚度比梁覆板厚度至少大于4 mm以上，可在確定梁覆板厚度尺寸以后，確定連接板的厚度，同時，根據確定的厚度，運用有限元分析軟件，驗算連接板凈截面的抗剪性能是否合格達標，如不達標，可增大凈截面積或者適當提高連接板厚度等，保證連接板的力學性能；再次，如在鋼結構中采用螺栓連接形式，應確定連接螺栓數量，并驗算連接螺栓孔凈截面的抗剪能力，同時，選擇高強度的連接螺栓，并驗算連接螺栓的承壓和抗剪能力，保證連接螺栓的可靠性。

4 提升鋼結構深化設計質量的策略分析

4.1 提高鋼結構設計人員的專業能力和綜合素質

鋼結構深化設計十分考驗設計人員的專業能力和綜合素質，為此，設計單位必須加強設計人員技術能力的提升，并通過強化技術管理，提高設計人員的綜合素質，保證鋼結構設計圖紙質量。為此，首先，必須嚴格選拔鋼結構設計人員，根據學歷條件、專業水平、從業經驗、業績要求等選拔優秀的設計人員，提升設計團隊的專業水平；其次，加強設計人員的日常考核和技術培訓，技術水平考慮依據設計任務量、設計錯誤率、圖紙返工率等作為考核條件，采取優勝劣汰或績效評級的方式，同時，定期進行設計經驗交流或技術培訓，提高設計人員的專業水平；再次。設計部門必須重視鋼結構圖紙設計的技術管理工作，嚴格要求設計質量，認真做好設計校對、審核、審批等不同流程的任務要求，特別是針對圖紙審核，一定要認真、負責，發現錯誤立即要求更改，提高圖紙設計質量。

4.2 合理運用分析軟件及計算理論驗算力學性能

鋼結構深化設計中，為保證鋼結構設計合理和力學結構的安全可靠性，通常需要利用有限元分析軟件以及普遍適用的力學計算模型進行理論驗算，達到一定安全系數的前提下再考慮設計形式的適用及合理性。首先，鋼結構力學性能分析軟件中，常用的如ANSYS有限元分析軟件，必須要求結構設計人員熟練掌握有限元分析軟件的操作，根據設計圖紙正確建立力學模型，根據實際工況條件正確輸入邊界條件，提高有限元分析的準確性；其次，合理選用鋼結構設計中普遍適用的力學計算公式、理論結果等，如材料力學、梁——柱理論、預張拉結構理論等，保證鋼結構力學設計遵循正確的理論基礎，并通過這些科學、完善、合理的理論體系驗算，進一步驗證圖紙設計的可靠性，從而提高鋼結構設計的質量安全。

4.3 綜合考慮不同因素對鋼結構質量安全的影響

在鋼結構深化設計中，應綜合考慮不同的因素可能對鋼結構力學性能和質量安全帶來的影響，盡量減少不同因素帶來的安全風險。為此，首先，鋼結構設計方案確定上，要認真做好前期的研究工作，分析工程條件和不同的影響因素，合理設計鋼結構形式，對設計方案進行反復分析、驗算、校核，并不斷優化改進設計方案，以確定設計方案的可靠性；其次，在針對鋼結構設計驗算時，應充分考慮鋼結構受力的極端條件，如遇地震、臺風等極端天氣下鋼結構的承載能力，嚴格按照鋼結構抗震等級進行安全驗算，充分考慮鋼結構的承壓能力和不均勻負載條件的承受能力，通過必要的加固措施或優化設計結構形式，提高鋼結構的抗震、抗剪、抗壓等力學能力，以達到安全穩固的設計條件。

5 結束語

鋼結構設計是近年來逐漸發展起來的新技術，幫助建筑施工行業向節約化、輕量化轉變。為此，在鋼結構深化設計中，設計人員必須掌握鋼結構的安全設計原則，重點考慮鋼結構構件的選型、鋼結構的連接形式、鋼結構搭接時的力學計算和有限元分析等關鍵點問題，避免出現鋼結構失穩或結構強度不夠等質量缺陷。