鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題及對策

李 陽

1 鋼結(jié)構(gòu)的概念和發(fā)展現(xiàn)狀

在建筑工程施工領(lǐng)域，鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)用十分普遍。鋼結(jié)構(gòu)主要由鋼材構(gòu)成，是一種重要的建筑結(jié)構(gòu)類別。各部件或者構(gòu)件一般通過鉚釘、螺栓相連。目前，應(yīng)用較多的為輕鋼和重鋼結(jié)構(gòu)。其中，輕鋼具有重量輕、占地面積小等優(yōu)勢。而重鋼的重量較重，但是其穩(wěn)定性較強(qiáng)，普遍應(yīng)用于工廠的廠房建造工程項(xiàng)目[1]。

為了確保鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，要充分保障鋼材的質(zhì)量。因此，施工單位在針對鋼材料進(jìn)行加工處理的過程中，首先要做好鋼材料質(zhì)量的檢測工作。但是鋼結(jié)構(gòu)材料也存在一定的缺陷，即與普通材料相比，其整體的工程造價(jià)高，一些小型施工單位為了獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益，往往不會大面積應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)。因此，為了更好地在建筑工程項(xiàng)目中推廣鋼結(jié)構(gòu)，要引入先進(jìn)的技術(shù)來減少型鋼的制作成本。只有通過不斷減少其成本，才能更好地推廣鋼結(jié)構(gòu)材料。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題

2.1 鋼結(jié)構(gòu)自身的失穩(wěn)問題

結(jié)合大量的數(shù)據(jù)調(diào)查和工程項(xiàng)目施工案例分析發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)階段的鋼結(jié)構(gòu)建筑工程項(xiàng)目中，直接導(dǎo)致建筑出現(xiàn)質(zhì)量問題的一個(gè)重要因素便是鋼結(jié)構(gòu)本身不夠穩(wěn)定。

整體而言，鋼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定主要有兩種表現(xiàn)方式，一是某個(gè)部位失去穩(wěn)定，二是某個(gè)部位失去穩(wěn)定導(dǎo)致總體失去穩(wěn)定。通常所說的失穩(wěn)指的是鋼結(jié)構(gòu)受彎部位大小超過本身可以承受的程度，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定。

失穩(wěn)的一個(gè)重要原因即為相關(guān)設(shè)計(jì)人員在針對建筑物的鋼結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)的過程中，沒有根據(jù)建筑物的實(shí)際需求考慮其支撐作用。

在針對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝的過程中，由于施工人員的技術(shù)差異，導(dǎo)致其吊裝位置出現(xiàn)差異，由此造成鋼結(jié)構(gòu)整體的網(wǎng)架以及桿件等區(qū)域的受力情況出現(xiàn)變化，由此產(chǎn)生失穩(wěn)問題。在建筑工程項(xiàng)目中，只要應(yīng)用了鋼結(jié)構(gòu)，就可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，因此在具體的工程項(xiàng)目施工過程中，一定要格外重視鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)問題[2]。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)自身的腐蝕問題

工程項(xiàng)目施工過程中，由于很多鋼結(jié)構(gòu)的耐蝕性較差，常常會產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，尤其在某些濕度大、腐蝕性強(qiáng)的區(qū)域，腐蝕狀況會更嚴(yán)重，構(gòu)件的承載力下降，導(dǎo)致事故發(fā)生。通過對大量的鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑以及屋頂結(jié)構(gòu)的調(diào)查和分析可知，因鋼結(jié)構(gòu)自身的腐蝕問題導(dǎo)致的建筑物坍塌概率就超過40%。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)問題

鋼結(jié)構(gòu)在耐高溫、抗腐蝕方面表現(xiàn)較差，尤其當(dāng)溫度達(dá)到430 ～540 ℃時(shí)，便會影響鋼材的防火性能。在其防火性能下降后，便會誘發(fā)火災(zāi)，對于建筑項(xiàng)目來說，會面臨重大安全風(fēng)險(xiǎn)，乃至導(dǎo)致火災(zāi)事故產(chǎn)生。在溫度高的環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)本身的承重能力很快就會失效，由此導(dǎo)致建筑出現(xiàn)坍塌，會給后期的疏散、救援、滅火等工作帶來嚴(yán)重的不利影響。因此，在針對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，一定要注重鋼結(jié)構(gòu)的耐高溫性問題，避免引發(fā)安全事故。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)可靠性的問題

對于鋼結(jié)構(gòu)來說，可靠性是最關(guān)鍵的指標(biāo)，會直接影響鋼結(jié)構(gòu)的承載能力，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往會將可靠性作為關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行考量。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)很多變量具有較大的不確定性，但是在具體設(shè)計(jì)時(shí)往往會將設(shè)計(jì)值作為均值看待，這必然會對設(shè)計(jì)結(jié)果造成較大影響。結(jié)構(gòu)隨機(jī)影響分析針對的問題大多是確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機(jī)載荷等內(nèi)容，但是在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往會因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)參數(shù)具有不確定性[3]。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對策

3.1 整體設(shè)計(jì)策略

在設(shè)計(jì)之前，由工程投標(biāo)人將業(yè)主提出的有關(guān)需求，以書面形式發(fā)送給設(shè)計(jì)者，由設(shè)計(jì)者參考有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，并按規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。在鋼結(jié)構(gòu)中，要確保其具有足夠的荷載。在針對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過程中，應(yīng)視現(xiàn)場的實(shí)際情況而定。在滿足應(yīng)力的前提條件下，必須符合經(jīng)濟(jì)的原則，盡量減少后期的成本投資，并在必要時(shí)采用新材料。

在設(shè)計(jì)完畢后，將平面設(shè)計(jì)參數(shù)輸入對應(yīng)的三維軟件中，并將其轉(zhuǎn)換為三維模型，然后開展應(yīng)力分析工作。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要防止長細(xì)比數(shù)值過高，如果不能很好地控制長細(xì)比，就必須在工程方案中對各工序進(jìn)行嚴(yán)格控制，以提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎承載力。如圖1為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡圖。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡圖

在對各種工藝參數(shù)進(jìn)行校核后，進(jìn)行相應(yīng)的焊接工作，這將對結(jié)構(gòu)的剛性產(chǎn)生直接的影響，如果不能有效地控制焊接過程中殘留的應(yīng)力，那么材料的剛性將達(dá)不到預(yù)期的效果。在實(shí)際的焊接過程中，焊縫的大小要保持在一個(gè)規(guī)范的范圍內(nèi)，并且要確保焊接點(diǎn)均勻分布，而且不能有3 個(gè)方向交叉。另外，在施工過程中，要做好工地的管理工作，如果發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)不符，應(yīng)及時(shí)報(bào)告給主管，并加以改正[4]。

3.2 確保鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，其自身的穩(wěn)定性是必須考慮的問題，結(jié)合上文可知，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分為整體性和局部性兩種。但是導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的一個(gè)重要原因是相關(guān)設(shè)計(jì)人員在針對鋼結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)的過程中，忽略了鋼結(jié)構(gòu)的支撐，再加上在實(shí)際工程中，由于安裝位置發(fā)生變化，不可避免會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，這也是目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的一個(gè)重要問題。因此，在具體的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)者必須充分考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和各部件，并從整體上加強(qiáng)對穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)和要求。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作以平面系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主，包括框架、桁架等多個(gè)部分，可以從以下2 方面來提升鋼結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性：第一，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，保證相關(guān)數(shù)據(jù)符合整體架構(gòu)，增加相應(yīng)的支撐部件，提高平面架構(gòu)的穩(wěn)定性；第二，計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)，然后進(jìn)行建模，根據(jù)模型效果控制施工過程，以此提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3 全面考量鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能

我國建筑工程的安全事故中，40%左右是由鋼結(jié)構(gòu)建筑引起的，相對于混凝土和木結(jié)構(gòu)的建筑工程項(xiàng)目來說，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)作為主體的建筑更容易發(fā)生意外。通過對鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目的綜合分析可知，導(dǎo)致安全事故產(chǎn)生的主要原因是鋼結(jié)構(gòu)自身的防腐蝕能力不強(qiáng)。在這種情況下，就需要充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕能力。技術(shù)人員首先要針對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理，然后對其表面進(jìn)行噴鍍和噴鋁，這樣既可以保證鋼結(jié)構(gòu)的美觀，又提高了鋼材的耐蝕性[5]。鋼結(jié)構(gòu)外觀如圖2所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)外觀

3.4 充分考慮防火性能

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該充分考慮材料的防火性能，并采取多方面的防火措施。同時(shí)，也可以應(yīng)用涂抹防火材料的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火。在設(shè)計(jì)的過程中，需要注意以下3 點(diǎn)：第一，應(yīng)注意建筑物中鋼結(jié)構(gòu)的位置和鋼構(gòu)件自身的特性；第二，考慮實(shí)際施工的經(jīng)濟(jì)性和具體的施工情況；第三，如采用消防安全設(shè)計(jì)，空間占用和重量就會發(fā)生變化。

3.5 確定合理的結(jié)構(gòu)可靠性標(biāo)準(zhǔn)

對于鋼結(jié)構(gòu)來說，設(shè)計(jì)可靠性標(biāo)準(zhǔn)是保證鋼結(jié)構(gòu)整體可靠性的關(guān)鍵。總的來說，標(biāo)準(zhǔn)主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、安全等級、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等3 方面。

3.5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期

對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，一定要按照具體建筑類型確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限如表1 所示。按照表1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期選定結(jié)構(gòu)方面的設(shè)定載荷，載荷的具體數(shù)值會直接影響建設(shè)成本。此外，建筑結(jié)構(gòu)工作年限也會對樓面、屋面載荷等造成影響，需要對其進(jìn)行調(diào)整。

表1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限

3.5.2 安全等級

結(jié)構(gòu)安全等級直接影響著整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗破壞能力，也就是決定著整個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠性。從已發(fā)布的《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068—2018）來看，安全等級下降一級，結(jié)構(gòu)的可靠性指標(biāo)就會下降0.5，大大增加結(jié)構(gòu)的失效可能性。在設(shè)計(jì)過程中如果設(shè)定錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)安全等級必然會增加結(jié)構(gòu)安全隱患，同時(shí)刻意提升結(jié)構(gòu)安全等級必然會大大提升結(jié)構(gòu)材料的成本，不符合經(jīng)濟(jì)性原則。作用組合效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力之間的關(guān)系可以表示為：

式中：γ0 為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，安全等級一、安全等級二、安全等級三對應(yīng)的下限值分別為1.1、1、0.9，可根據(jù)建筑投資主體對上述數(shù)值進(jìn)行調(diào)整；S 為荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；R 為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值。對于式（1）來說，結(jié)構(gòu)安全等級的增減會對材料抗力的要求造成直接影響，整個(gè)材料成本也會發(fā)生變動。因此，在實(shí)際工程中，要參照結(jié)構(gòu)重要性以及整個(gè)投資成本來確定最適宜的結(jié)構(gòu)安全等級以及重要性系數(shù)，這是有效控制結(jié)構(gòu)投資成本的關(guān)鍵。

需要注意的是，結(jié)構(gòu)安全等級和構(gòu)件安全等級之間并不是簡單的對應(yīng)關(guān)系，可以按照工程的具體情況對構(gòu)件安全等級進(jìn)行調(diào)整，對于關(guān)鍵性構(gòu)件、承受載荷較重的構(gòu)件可以一定程度上提升安全等級，而對于其他非關(guān)鍵構(gòu)件，可以一定程度減小安全系數(shù)，從而確保整體構(gòu)件的安全等級，降低投資成本。在具體的工程設(shè)計(jì)過程中，可以對構(gòu)件重要性、影響程度等進(jìn)行分類，之后進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，這是嚴(yán)控施工成本的重要手段。

3.5.3 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

從目前公布的《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB5 0223—2008）來看，不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)需要采取不同的抗震措施，這些會對構(gòu)件的具體構(gòu)造以及總體材料用量產(chǎn)生較大影響。一方面，要按照建筑物的實(shí)際應(yīng)用功能、抗震救災(zāi)影響和恢復(fù)情況等指標(biāo)對其進(jìn)行區(qū)段劃分，以此為基礎(chǔ)能夠針對性地對其破壞后果影響范圍進(jìn)行控制，從而最大程度降低某些單一構(gòu)件對于整個(gè)建筑的影響，能夠?qū)Σ煌瑔卧M(jìn)行抗震的精細(xì)化設(shè)計(jì)；另一方面，按照抗震參與度、安全冗余度等相應(yīng)指標(biāo)對構(gòu)件抗震等級進(jìn)行更加精細(xì)化的設(shè)定，能夠大大減少鋼材的使用量，可以降低整個(gè)建筑的成本[6]。

4 結(jié)語

在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)是最主要的支撐結(jié)構(gòu)，它的設(shè)計(jì)和施工的好壞直接關(guān)系到整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)和質(zhì)量。

在目前的工程設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)在抗腐蝕、穩(wěn)定、防火等方面還存在一些缺陷，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能地提高結(jié)構(gòu)的整體性能。