鋼結構設計中應注意的問題

郭文起

摘要目前，鋼結構以質量輕便、抗震性能好、強度高、塑性韌性好、施工速度快等優點在工業廠房、高層住宅、豪華寫字樓等項目廣泛應用，鋼結構的設計存在的現實問題應引起廣泛足夠的重視。

關鍵詞穩定性節點防火設計支撐

中圖分類號：TU391文獻標識碼： A

在個別工程設計中,由于在對規范的理解和執行過程中存在一些偏差,以至在設計中出現了各種的問題。有的問題在設計圖紙審查過程中經圖審部門提出,得以進行修改。有些問題,雖然圖審單位未提出意見,但也會在日后的使用過程中可能存在一定的隱患。通過對許多工程設計實踐的總結,提出以下幾個值得注意的問題,以便引起重視，以便更好的進行鋼結構設計。

1、注意鋼結構結構選型與結構布置。在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是"概念設計",它在結構選型與布置階段尤其重要. 對一些難以作出精確理性分析或規范未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。 運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。鋼結構通常有框架、平面(木行)架、網架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實用的設計方法，比如網殼的穩定等。結構選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網架?；狙捍蟮牡貐^，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線50度內需考慮雪載 ），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網殼?？傃┹d釋放近一半。降雨量大的地區相似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節點剛接的框架有更好的經濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體系。高層鋼結構設計中，常采用鋼混凝土組合結構，在地震烈度高或很不規則的高層中，不應單純為了經濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結構體系。我國半數以上的此類高層為前者。對抗震不利。結構的布置要根據體系特征,荷載分布情況及性質等綜合考慮.一般的說要剛度均勻.力學模型清晰.盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎. 柱間抗側支撐的分布應均勻.其形心要盡量靠近側向力(風震)的作用線. 否則應考慮結構的扭轉. 結構的抗側應有多道防線. 比如有支撐框架結構,柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力.框架結構的樓層平面次梁的布置,有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高,頂層邊柱也有時會吃不消，此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子.

2、 結構分析目前鋼結構實際設計中,結構分析通常為線彈性分析,條件允許時考慮P-Δ,p-δ.新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能.這為更精確的分析結構提供了條件。并不是所有的結構都需要使用軟件:典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形.簡單結構通過手算進行分析.復雜結構才需要建模運行程序并做詳細的結構分析.

3、注意鋼結構穩定性設計。1)目前鋼結構設計多借助鋼結構計算機軟件進行結構受力計算,結構和構件的平面內強度及整體穩定計算可依靠程序自動完成,結構和構件的平面外強度及穩定計算,需要設計者另做計算和設計。此時可將整個結構按標高分解成多個不同布置形式的結構體系,在不同的水平荷載作用下,進行結構體系的強度和穩定計算。2)對于不考慮屈曲后強度的梁局部穩定,可對梁設置橫向或縱向加勁肋,以解決梁的局部穩定問題,加勁肋按《鋼結構設計規范》(GB50017 -2003)規定設置。

4、注意梁柱節點設計。多高層鋼結構的基本形式是框架體系，框架結構構造簡單，易于施工，同時具有良好的延性和耗能能力，鋼框架結構多被設計為強柱弱梁體系，這樣就使梁盡量先破壞，以增加結構的延性。然而，梁柱焊接節點在大地震中并不會如期望的那樣如期形成塑性鉸，以耗散地震的能量，而是遭受了嚴重的破壞，梁柱節點的破壞主要發生在梁柱焊接接頭處,且多為脆性破壞。所以，抗震設計時，梁、柱剛性連接應采用等強連接的形式，并考慮鋼梁腹板承受一定的彎矩。高強螺栓考慮溫度折減及長度折減。嚴格控制焊縫金屬的沖擊韌性、坡口焊縫引弧板的切除、梁下翼緣襯板的補焊等構造措施，避免梁柱節點破壞。

5、注意鋼結構防火設計。鋼結構的材料化學特性決定了鋼材不耐火、不抗燒，極易導熱。普通建筑用鋼材，在全負荷狀態下失去靜態平衡穩定性的臨界溫度為500℃左右，一般在300℃~400℃時鋼材強度就開始迅速下降。一般無任何保護及覆蓋物的鋼結構的耐火極限只有15分鐘左右的時間，遠遠低于建筑設計防火規范的要求。因此，普通建筑用的鋼材作為建筑物的承載主體，一旦發生火災，在高溫作用下，其承載力急劇下降，致使鋼結構不可避免地出現變形，造成建筑物部分或全部坍塌。鋼結構的防火措施主要有外包混凝土、外涂防火涂料和外包防火板三種。外包混凝土是解決鋼梁及鋼柱防火、防腐的最好措施，這種方法利于防火層的耐久性及今后的維護。但該方法會增加建筑物的總重量和施工工期。外涂防火涂料只需根據各種防火涂料的耐火性能及耐火極限要求，滿足厚度相應的厚度，但防火涂料的耐久性遠遠低于建筑物本身，需要后期維護。防火板可以根據梁柱的不同形狀，對鋼梁進行包裹，使其達到所需的耐火極限。防火板的耐久性比防火涂料更長，后期維護也較為方便，但價格較高。設計時應根據具體情況合理選用防火措施。

6、注意合理設置鋼結構支撐。支撐的布置方式對框架的抗側移剛度的影響是有一定規律的,傳力直接、明確的支撐體系,其抗側移剛度要明顯好于其他支撐體系。支撐布置形式對框架抗側移剛度有著較為明顯的影響,應該在不影響結構使用功能的前提下,認真分析支撐的布置形式,力求做到既安全可靠,又經濟合理。

7、注意圖紙編制。鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖為設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的矛盾，有設計能力的鋼結構公司參與設計圖編制的情況也很普遍。①設計圖: 是提供制造廠編制施工詳圖的依據. 深度及內容應完整但不冗余. 在設計圖中,對于設計依據、荷載資料（包括地震作用）、技術數據、材料選用及材質要求、設計要求（包括制造和安裝、焊縫質量檢驗的等級、涂裝及運輸等）、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節點構造等均應表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現設計的意圖。主要材料應列表表示。

②施工詳圖:又稱加工圖或放樣圖等.深度須能滿足車間直接制造加工.不完全相同的另構件單元須單獨繪制表達，并應附有詳盡的材料表.設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設計單位之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。 初學者可參考他人的優秀設計并參考相關的工具書，并依據規范規定編制。

以上是作者從實際的鋼結構工程設計中總結的問題。目前鋼結構的發展越來越快，此結構工業化、商品化程度越來越快，綜合效益較高、并且市場需求量很大，相信它會成為未來發展的一個重要方向，并有可能逐漸取代混凝土結構，所以我們以后要對它多總結問題，適應時代的發展。

參考文獻：

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