鋼結構設計在建筑結構設計中的應用研究

謝志成

（唐鋼國際工程技術有限公司，河北唐山 063000）

1 鋼結構優勢

1.1 生態環保且可重復利用

在全球不可再生能源日漸緊缺的大背景下，各行各業都在尋求生態環保、可持續發展的能源或者材料來實現質的飛躍。建筑行業中所使用的鋼結構材料可以多次反復使用，具有強度大、效能高的優勢，而且鋼結構邊角材料的利用價值較高，綜合廢料較少，因此，鋼結構滿足建筑工程高效可持續發展的需求[1]。

1.2 性能良好

鋼結構生產周期與鋼筋混凝土結構相比要短很多，而且鋼結構可在工廠預制后在施工現場安裝，與鋼筋混凝土結構需要現場澆筑養護相比，大幅加快了工程進度。鋼結構整體質量要小于鋼筋混凝土結構質量，可以適當降低建筑地基處理標準，減少建筑地基處理費用[2]。此外，鋼結構穩定性較強，具有較強的抗震能力，因鋼結構通常情況下為一個統一整體，所以鋼結構因上部荷載作用發生斷面的情況幾乎不存在，可以有效保障建筑物或構造物的整體質量。

1.3 投資成本低且施工安裝便捷

鋼結構材料在建筑施工過程中大部分都可以高效利用，剩下的結構耗材較少，相比之，鋼筋混凝土結構的耗材較多。無論何種型號的鋼結構都具有安裝快捷簡便的優點，建筑規模相同的情況下，鋼結構施工周期大約相當于鋼筋混凝土結構施工周期的一半。此外，鋼結構施工對外部環境的要求相對較低，不會因施工外部環境變化而影響鋼結構的施工進度。鋼結構建筑的整體造價相對較低，具有較好的社會效益和經濟效益。

2 鋼結構設計水平的提升策略

2.1 鋼結構預估截面設計

只有盡量準確估算鋼結構支撐體系斷面大小和鋼結構梁柱斷面大小之后，才可以對鋼結構預估截面進行設計。鋼結構建筑的梁體通常設計為槽鋼或H 型鋼，在對建筑梁所受荷載進行分析計算后可以確定其截面大小，翼緣高度主要是依據梁體側向支撐點間距來確定的。鋼結構梁截面尺寸大小和翼緣高度確定以后，便可以依據相關設計標準預估鋼結構板件厚度。鋼結構柱截面大小是通過截面受力大小、結構梁體類型來綜合確定的[3]。

2.2 鋼結構防腐設計

鋼結構構件不采取任何防護措施且長期處在潮濕空氣環境中會受到嚴重腐蝕，鋼結構一旦被腐蝕后其有效受力截面會變小且會出現一定的銹坑，導致鋼結構耐用性大幅度降低。基于此，在鋼結構設計過程中要給予鋼結構防腐問題一定的關注度。鋼結構防腐設計的常規做法是在鋼結構表面涂抹具有高強度附著能力的防腐材料，將鋼結構構件與空氣中的水分和氧氣隔絕，繼而達到防腐的效果。防腐材料的設計涂抹厚度根據鋼結構所處位置的不同而有所差異，處于室內區域非裸漏的鋼結構防腐層設計厚度通常為100 μm，處于室內區域裸漏區域的鋼結構防腐層設計厚度通常在150～200 μm，鋼結構建筑的地面和地面以下部分鋼柱柱腳采用C20 混凝土包裹并在混凝土表面涂抹防腐涂料，反腐涂料厚度設計在50 μm以內。

2.3 鋼結構抗震性能設計

我國位于環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，這也要求我國建筑結構在設計時必須要考慮抗震性能。鋼結構設計要確保鋼結構均勻受力。鋼柱和建筑屋架的連接順序要正確。此外，準確的鋼結構支撐形式同樣可以有效提升鋼結構建筑物的抗震性能。與此同時，鋼結構墻體結構和鋼結構鋼柱之間的高寬比應進行設計優化，確保鋼結構處于良好的抗震狀態。

2.4 鋼結構的隔音效果設計

噪聲問題給建筑使用者的生產和生活帶來了諸多困擾，近年來，關于消除建筑噪聲的研究不少，但是卻幾乎沒有真正消除噪聲帶給建筑使用者的困擾。不同使用功能的建筑物對隔音效果的需求不同[4]。比如，大型商超對隔音效果并沒有太高要求，而民用住宅或者學校建筑對隔音效果要求較高，而音樂廳、禮堂等建筑物需要讓觀眾聽清楚聲音。基于此，鋼結構設計人員要根據建筑具體使用功能和建筑物對隔音效果的要求來進行針對性的噪聲消除設計。

2.5 鋼結構節點結構設計

鋼結構節點銜接設計是鋼結構設計的重頭戲。鋼結構設計人員需對鋼結構節點的特征和節點形式進行深入分析和計算，再通過設計流程將不同節點進行系統性分類，確保鋼結構節點銜接過程中準確無誤。鋼結構受力情況不同其節點性質也不同，依據受力情況不同鋼結構節點可分為剛性節點、半剛性節點以及鉸節點。其中，剛性節點和鉸節點的承載能力較強且工藝成熟，在鋼結構設計中被經常用到。鋼結構節點設計應注意以下問題：第一點，要根據施工基本順序來分層設計鋼結構焊接形式和鋼結構焊接尺寸。鋼結構焊接輔料（焊條）等應選擇與其鑲嵌的金屬材料相匹配的，鋼結構焊縫大小的設計是不能隨意改變的，焊縫與焊縫所連接構件的重心應該始終保持一致。第二點，鋼結構構件連接的傳統形式為鉚接，但是鉚接形式連接的鋼結構構件抗剪性能比較差，而且鉚接的鋼結構位置合理性欠缺。所以，在鋼結構設計過程中要選擇先進的栓接模式來替代傳統的鉚接模式。栓接模式下鋼結構構件的抗剪能力大幅度提高，而且栓接施工操作更為便捷，在設計過程中還應根據鋼結構建筑項目的具體情況來選擇栓接強度等級。合理的栓接強度可以有效分擔鋼結構構件的壓力和摩擦力。

3 鋼結構在建筑結構設計中的應用

3.1 工程概況

某建筑地下室底板為鋼骨混凝土柱，基礎形式為鋼筋混凝土摩擦方樁，一層樓面為鋼骨混凝土樓板。該建筑地下十字形勁性鋼柱類型有多種，其中質量最大的鋼柱為33 t，鋼柱最長為19.6 m，最重的一根鋼梁型號為XG3H，其質量33 t。

3.2 鋼結構設計

3.2.1 鋼板對接設計

鋼板對接是鋼板長度方向的對接，鋼板對接形式通常設計做法是采用自動埋弧焊對接。鋼板焊接坡口使用鋼結構萬能坡口切割機銑削制作，制作完成后對坡口尺寸進行檢查。正式焊接前，需要對鋼板坡口和鋼板坡口邊緣120 mm 處進行全面外觀檢查，外觀檢查后采用超聲波檢查鋼板坡口處是否有裂紋夾灰等缺陷，如果存在缺陷應立即處理。鋼板坡口對接需在特殊對接平臺上處理，確保對口錯邊誤差控制在2 mm 以內。鋼板定位電焊工藝采用二氧化碳氣體保護焊，具體焊接設計參數詳見表1。

表1 鋼板焊接設計參數表

鋼板定位焊接結束后，采用自動埋弧焊對鋼板正面進行焊接，當正面1/3 鋼板厚度焊接完成后將鋼板180°翻轉，鋼板反面用正式焊接前用碳弧氣刨清根對反面鋼板表面進行處理，并采用砂輪機打磨滲碳層，當鋼板露出金屬光澤后對其進行探傷檢測，確定無裂紋后進行反面焊接作業，反面焊接結束后再將鋼板翻轉180°進行正面沒有焊接的部分，直到進入蓋面焊。

3.2.2 鋼板下料切割設計

鋼板切割處兩側的受熱應均勻且邊緣質量完好是切割板材的基本要求，此要求的目的是防止切割板材產生側向彎曲。為了達到此目的，板材切割器械采用數控多頭等離子火焰切割機。根據縱向焊縫的收縮量經驗值確定鋼結構腹板下料預留50 mm 保護長度。此外，鋼結構設計過程中要考慮避免鋼結構裝配后的二次切割，便于提升設計和施工質量。

3.3 鋼結構安裝設計

鋼結構鋼柱四周澆筑厚度為30 cm 的混凝土，混凝土澆筑的同時做好預埋件埋設工作，設計時要特意強調預埋件標高和混凝土澆筑標高。設計時要考慮到施工安裝時勁性鋼柱的偏移問題，在設計過程中要給出控制勁性鋼柱偏移的做法。設計過程中要綜合考慮鋼柱樁樁孔深度、項目地質情況、鋼結構勁性鋼柱的質量以及鋼柱樁孔安全因素，設計出鋼柱整體吊裝方案，鋼柱就位以后再澆筑混凝土。

3.4 鋼結構焊接工藝設計

鋼結構焊接質量影響著工程整體質量。鋼結構設計過程中要考慮到鋼結構現場焊接的時間不能過長，因為現場焊接要配合鋼結構構件吊裝和現場混凝土澆筑，所以鋼結構焊接作業需要在短時間內完成，便于現場開展鋼管柱混凝土澆筑及鋼管柱上層結構的安裝和校正作業。鋼結構設計過程中要給出嚴格的焊接作業程序和作業順序，盡最大可能減少垂直于鋼板面方向的約束。低合金鋼構板施焊前應進行預熱，預熱溫度根據試驗確定。焊接預熱應選擇焊道兩側100 mm 范圍處均勻加熱，而預熱溫度的測量位置與焊道位置的距離應控制在50 mm 左右。如果施工所處的外部環境溫度已經降到0 ℃以下，鋼結構構件的焊接溫度應該根據試驗重新確定。

3.5 鋼結構防腐處理設計

鋼結構防腐設計采用噴砂加電動鋼刷除銹工藝，將鋼板之前形成的繡皮徹底清洗，再噴涂環氧富鋅防銹底漆。為了保證噴涂效果，做兩遍噴涂，環氧富鋅防銹底漆的干膜厚度設計值為70 μm，在此基礎上再噴涂環氧云鐵灰厚漿底漆兩遍，干膜厚度設計值為100 μm，噴漆漆漿和固化劑質量比為100∶15。

3.6 鋼結構防火處理設計

之所以要對鋼結構進行防火處理設計，是因為鋼板的耐溫性相對較差。當鋼板外界溫度持續升高，鋼板諸多性能發生改變，溫度達到450 ℃左右時，鋼結構材料的屈服點、彈性模量數值以及抗拉強度等數值急劇下降，整個鋼結構幾乎喪失承載能力。基于此，在裸漏鋼結構部位要進行防火涂料噴涂，確保防護涂料的保護時間要大于鋼梁和鋼柱的耐火時間。

4 結語

鋼結構的穩定性和造價低的優勢，使得鋼結構在建筑結構設計中得到了廣泛應用。鋼結構體系自身質量較輕，施工便捷且便于安裝，較快的施工周期和較低的工程造價，再加上良好的抗震性能，使得鋼結構應用范圍越來越廣泛。另外鋼結構建筑污染性小，投資回報見效快，也符合我國現階段發展的基本需求，所以鋼結構的發展水平也從側面反映了國家的綜合經濟實例。鋼結構設計單位應該結合建筑使用功能和建筑使用定位進行系統性綜合設計定位，只有嚴把設計關才能得到科學合理的設計方案，才能保證鋼結構設計質量，才能實現鋼結構建筑效益最大化。