鋼結(jié)構設計常見問題分析
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摘要：隨著建筑產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構體系得到了廣泛應用。在鋼結(jié)構建筑設計的過程中，經(jīng)常會遇到一些工程細節(jié)問題需要解決。本文結(jié)合以往工程中的設計經(jīng)驗，針對工程中的具體問題，分析產(chǎn)生問題的原因，并提出有效的處理措施，以確保鋼結(jié)構設計符合建筑結(jié)構的實際要求。本文著重于研究鋼結(jié)構設計中的常見問題。
關鍵詞：鋼結(jié)構；設計；常見問題
鋼結(jié)構具有強度高、自重輕、抵抗變形能力強的特點，且材料勻質(zhì)性和各向同性好，屬于理想彈性體，最符合一般工程力學的基本假定。同時，鋼結(jié)構建筑施工工期短、工業(yè)化程度高，可進行機械化程度高的專業(yè)化生產(chǎn)，由此可以獲得更高的經(jīng)濟效益，所以在建筑物中得到廣泛應用。與傳統(tǒng)的建筑材料相比，鋼結(jié)構存在諸多優(yōu)勢，但也存在一定的不足，如果不采取預防措施，很可能引起安全隱患。同時，建筑結(jié)構的自身復雜性和具體工程項目的獨特性，對鋼結(jié)構的設計要求也越來越高。所以，在鋼結(jié)構設計中，應針對具體問題采取有效的措施加以解決。
1鋼結(jié)構設計中需要注意的內(nèi)容
1.1鋼結(jié)構設計中要合理選擇基本材料
鋼結(jié)構工程中普遍使用的鋼材包括單軋鋼板、連軋鋼板。連軋鋼板是由寬鋼帶進行剪切而成，在開平過程中，可根據(jù)用戶的不同需求，經(jīng)過不同的精整作業(yè)線加工而成為鋼板等產(chǎn)品，其方便運輸，經(jīng)濟性能好，長度可以自由決定。所以，連軋鋼板在工程領域中得到廣泛的應用。在鋼結(jié)構工程中，一些厚度不大、尺寸較小的部件或?qū)ν庥^質(zhì)量要求不高的部件也多使用連軋鋼板作為焊接構件的腹板、翼緣板。但是，卷板在整平過程中很難達到規(guī)定的平整度，內(nèi)應力較大，容易出現(xiàn)裂紋，在焊接的時候會產(chǎn)生很大的焊接變形，且很難調(diào)整。因此，考慮到連軋鋼板有著不可靠的機械性能，在建筑工程中的厚板構件、大尺寸焊接構件以及對外觀質(zhì)量要求較高的部件，一般均不得使用連軋鋼板，應優(yōu)先采用機械性能更為穩(wěn)定的單軋鋼板。
1.2鋼結(jié)構設計中所選取的截面要科學
在鋼柱的截面設計中，宜優(yōu)先選擇寬翼緣熱軋H型鋼，目的是使鋼柱橫截面的兩個方向強度、剛度以及穩(wěn)定性都盡量接近，由此可以優(yōu)化截面，提高截面的利用率。箱形柱、十字形鋼柱的橫截面的雙向參數(shù)、性能更為均勻，但是其構件的加工和安裝相對較為麻煩，經(jīng)濟性能也較差，一般僅用在特別重要、受力復雜的部位。當建筑平面柱網(wǎng)雙向柱之間的距離較大的時候，使用中翼緣熱軋或焊接H型鋼效果更好一些，合理設置鋼柱截面的雙向參數(shù)，可以使得鋼柱截面有較高的利用率，更易于優(yōu)化設計。在鋼梁的截面設計中，可以優(yōu)先選取窄翼緣H型鋼，充分利用鋼梁截面，提高鋼梁的抗彎承載能力，鋼材使用量上較為經(jīng)濟，所需的連接螺栓的排數(shù)也會少一些。從樓層凈高考慮的話，窄翼緣H型鋼可能會對樓層凈高產(chǎn)生一定的影響，若對樓層凈高有一定要求，可以采用中翼緣H型鋼，其效果更好。在螺栓數(shù)量相等的情況下，截面相對較高的梁與截面小的梁相比，其螺栓具有更強的抗彎承載能力。通常情況下，在窄翼緣H型鋼作為框架梁時，框架梁柱節(jié)點使用兩排螺栓就可以使其功能發(fā)揮出來。在中翼緣H型鋼作為框架梁時，框架梁柱節(jié)點可以使用三排螺栓，而框架梁為寬翼緣H型鋼時，可能需要使用三排螺栓甚至更多的排螺栓。隨著螺栓數(shù)量的增加，連接節(jié)點的連接板規(guī)格也要相應地增大，板厚有所增加，在加工、制作、安裝施工時會更加煩瑣，成本也會增加。
1.3鋼結(jié)構設計中要做好柱間支撐工作
在鋼結(jié)構體系中，柱間支撐的設置是需要格外重視的。如果鋼柱的自身剛度比較小，或柱與柱之間的距離較大、層高也相對較大，層間位移角就很難滿足規(guī)范要求。在設計中如果采用柱截面加大的方式，鋼結(jié)構的位移角值會有所減少，但這樣就會導致成本增加，很不經(jīng)濟。通常的做法是充分考慮平面功能布置，選取合適的位置設置適當?shù)闹g支撐，從而使規(guī)定的位移角滿足規(guī)范要求，鋼材的使用量雖然有所增加，但是不多。值得注意的是，柱間支撐的設置會影響結(jié)構主體各方向的剛度、特征周期等參數(shù)，這就需要在布置支撐時盡量做到科學合理。具體的工作中應著重考慮以下幾點：①柱與柱之間的支撐數(shù)量要合理，不能太多，這樣會使結(jié)構整體剛度過大，導致地震力增大。鋼結(jié)構整體使用的鋼量過多，既無法滿足實際需要，也會提高成本。②合理布置支撐，要建立在建筑功能充分發(fā)揮的基礎上，支撐的兩邊要對稱布置，受力均勻。③沿著豎向從底到頂通長布置，保證各個部位受力均勻。④同一單體內(nèi)的支撐最好使用同一柱間的支撐，柱間支撐所在的位置有較大的受力，若傳給基礎就會導致基礎的受力增大，這就需要在支撐的位置設置基礎梁，增加基礎受力，保證基礎有良好的穩(wěn)定性，對上部結(jié)構產(chǎn)生支撐作用。
1.4鋼結(jié)構設計中的框架梁柱節(jié)點要滿足施工要求
在鋼結(jié)構設計中，要重視框架梁柱節(jié)點。節(jié)點域影響著整個鋼結(jié)構的穩(wěn)定性。如果柱腹板相對較薄，梁柱連接節(jié)點域會存在抗剪承載力不足的問題。若柱截面采用熱軋型鋼時，最為方便的做法是在柱節(jié)點域補貼補強鋼板。若柱腹板沒有連接到鋼梁，也可以將斜向加勁肋板設置在節(jié)點域腹板上，從而起到補強的作用，而且施工操作非常方便。若柱截面的組合使用H型鋼，可以使用較厚的鋼板替換節(jié)點域處的腹板，這樣施工更加方便。設計師在實現(xiàn)梁柱節(jié)點的塑性鉸外移至梁端部時，需要在梁柱節(jié)點予以加強，做到強節(jié)點。具體方法如下：在鋼梁與鋼柱弱軸連接節(jié)點處，可以采用對梁端部上翼緣板和下翼緣板都加寬的做法；鋼梁與鋼柱強軸連接節(jié)點處，可以采用對梁端部上翼緣板和下翼緣板都加寬的做法，也可以采用對梁端的上翼緣板和下翼緣進行加強板加強處理，同樣可以達到強節(jié)點的目的，但是此種做法在制作和安裝施工的過程中，操作上要相對煩瑣一些；鋼梁連接到鋼柱強軸時，還可以采用在梁端下翼緣處角部加腋的方法，這個操作比較簡單，安裝也方便，但是，由于梁底會存在豎向下凸角，整體的美觀度會受到影響。建筑專業(yè)可以采取局部裝飾處理手段進行處理，使之不影響使用及美觀要求。
2鋼結(jié)構設計中常見問題的處理措施
2.1鋼結(jié)構的鋼梁設計問題處理措施
建筑的鋼結(jié)構設計中，宜優(yōu)先設計成直線梁，直線梁受力簡潔、明晰，更能與計算假定相吻合，而折梁和弧梁在荷載作用下，產(chǎn)生的內(nèi)力更為復雜，在扭力作用下更容易引起失穩(wěn)破壞，宜盡量避免。在建筑設計中若有特殊要求，確實需要采用折梁或者弧梁的形式，則應在直線梁上布置外伸鋼梁與弧形梁或折梁進行側(cè)向連接，外伸鋼梁對弧梁或折梁起到一定的側(cè)向支撐作用，對弧梁或折梁的側(cè)向彎曲予以約束控制，保證弧梁或折梁的穩(wěn)定性，避免其過早失穩(wěn)破壞。
2.2鋼結(jié)構的鋼梁節(jié)點設計問題處理措施
在鋼結(jié)構的次梁與主梁連接、二級次梁與一級次梁連接處，通常在設計中均選用鉸接節(jié)點進行連接，鋼結(jié)構部件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場之后，可以按照設計進行快速安裝連接，不但便捷而且經(jīng)濟。在懸挑梁部位，懸挑段根部與支撐梁連接應按照剛接節(jié)點處理，這樣可以將懸挑部分荷載傳遞到支撐橫梁上。如果懸挑梁端部與弧梁或折梁相連，則此連接節(jié)點也應設計成剛接節(jié)點，這樣可以減小弧梁或折梁在節(jié)點處的扭轉(zhuǎn)角度，梁的應力也會大大減少，弧梁或折梁自身產(chǎn)生的變形幅度不會太大，從而降低弧梁扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)破壞的風險。
2.3鋼結(jié)構的構件剛度偏小問題處理措施
鋼結(jié)構構件尺寸及剛度過小，其位移比、位移角一般均會偏大，構件的翼緣、腹板也極易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，進而導致整個構件的失穩(wěn)破壞。為避免構件失穩(wěn)破壞，首先，在進行鋼結(jié)構梁與柱連接設計時，要盡可能地將構件中心對齊，目的是減少偏心荷載對構件產(chǎn)生的不利影響；其次，要采取必要措施，嚴格控制結(jié)構體系的位移比和位移角；再次，結(jié)構計算時宜考慮P-△效應，充分考慮豎向荷載P在水平位移△的情況下，結(jié)構內(nèi)部各構件產(chǎn)生的附加內(nèi)力對整體結(jié)構的不利影響。
2.4鋼結(jié)構的采用薄壁構件設計問題處理措施
在一些鋼結(jié)構設計中，結(jié)構體系中的主要構件應盡量避免采用薄壁構件。在受力較小的部位，薄壁構件的強度和穩(wěn)定性很容易滿足，但其他不利因素也應著重考慮，如在鋼結(jié)構的安裝過程中，采用焊接技術會導致容母材被燒傷，從而影響中板鋼構件。鋼結(jié)構設計中使用薄壁構件，還要做好防腐處理工作，一旦鋼材被銹蝕，薄壁構件的強度就會快速下降，整體結(jié)構和構件的安全性能就會大大降低，導致鋼結(jié)構的使用壽命縮短，所以，在嚴格做好日常維護工作的同時要充分考慮薄壁構件今后的易于更換性。
2.5鋼結(jié)構其他構件設計問題處理措施
鋼結(jié)構最大的隱患就是失穩(wěn)問題，為了保證鋼結(jié)構有足夠的穩(wěn)定性，就需要根據(jù)實際情況采取必要的構造措施，如對于鋼構件型鋼截面上的腹板可以使用波紋形腹板代替，使得鋼截面增加，同時抗屈曲性能也得以增強，且可以減少鋼材的使用量。樓板設計時采用鋼筋桁架樓板，樓板底面更加平整，而且鋼結(jié)構的成本也會降低，不再使用支模板，施工現(xiàn)場不需要綁扎鋼筋，場地也不會被占用，施工的工作量也相應減少。這樣不僅加快了建筑施工進度，而且提高了施工質(zhì)量。
3結(jié)語
通過上面的分析可知，在鋼結(jié)構工程設計過程中，設計師不但要考慮結(jié)構整體及相關構件應滿足規(guī)范及計算要求，還要考慮施工的可行性、便捷性和經(jīng)濟性，以及今后使用過程中可能出現(xiàn)的諸多不利因素。
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作者：張武倫 單位：中鐵華鐵工程設計集團有限公司
