钢结构房屋结构设计中常见问题分析

2013-08-15张云梅

中国建筑金属结构 2013年12期

张云梅

（中国中材国际工程有限责任公司（南京），江苏南京 211100）

1 钢结构的优点及特性

与钢混结构相比，钢结构有以下的优点：钢结构自重轻，自身荷载小，大大降低了地基处理的费用以及工作量；钢结构能够工作预制，缩短了施工周期，减少了现场施工工作量；钢结构有很好的抗震效果；钢结构自身有很好强度，能够更加灵活的布置空间。

钢结构建筑设计中，结构是建筑形象的重要构成因素，一般结构的节点、形体、构件都对建筑形象有着很大的影响。建筑结构的设计与功能只有做到统一，才可能满足建筑的功能化并为以后的建筑设计打好基础，只有将建筑与结构的功能和设计做到一体化，才能设计出艺术与技术相统一的钢结构建筑。目前，中国是世界上最大的钢混结构与砖砌体的建筑国家，因此对于我国能源以及资源人均水平都很匮乏的国家来说，使用钢结构建筑在我国应用有很强的现实意义。钢材不仅高效高强，而且具有很好的循环利用价值，钢材的角料都有用。

2 钢结构设计中选型及布置问题

通常情况下钢结构建筑的结构形式有平面析架、网架、框架、轻钢、塔桅、索膜等。我国大多数的钢结构形式现在都是比较成熟的，但也有很多的问题有待解决，比如网壳的稳定问题，一套简单实用设计理念。在钢结构的高层中多数是钢-混凝土组合形式，我国在很多地区为了经济因素的考虑，钢结构高层都是选择核心筒加外框的结构形式，这在地震强度高或不规则高层中是不合理的，应当选择核心为支撑框架，周边为巨型SRC柱的结构形式。

钢结构在布置时要综合考虑荷载的分布状况、性质或体系特征，一般要求做到刚度均匀，有比较清楚的力学模型，尽可能缩小移动荷载或大荷载的影响范围，使荷载能够以最直接简单的线路传递到基础上。柱子的抗侧支撑也应该均匀分布，结构的形心应当与侧风向作用线比较相近，否则要加上结构的扭转影响。在考虑结构的抗侧时应当设置多道防线，支撑框架结构的柱子应当至少分担1/4的总体水平力。在框架上布置次梁时可以调整荷载传递方向来满足不同要求。在设计中有时候为了减少截面的尺寸设计者会沿短边布置次梁，这样做就会导致主梁截面变大，楼层高度减少，顶边边柱也要承受很大的荷载，这时设计者可以选择把次梁放置在比较短的主梁上，就能保住柱子和主梁。

3 钢结构设计过程中常见的问题

3.1 合理选用钢材的材质

在刚结构设计时，相应的文件中都要标注所用的材料以及焊接材料的质量等级。规范要求钢结构房屋的钢材都应该有合格的屈服强度、抗拉强度、冷弯性能、伸长量以及硫含量的合格的保证。对于地震区还应特别强调钢材的屈强比≥1.2%，伸长率＞20%，钢材应有明显的屈服台阶，除此之外还有很好的冲击韧性及可焊性，主要是要求结构应当有足够的塑性变形能力和必需的安全储备，都应该在文件中标注。笔者认为一般的钢结构使用Q235B或Q345B及以上的碳素钢就能满足要求，不宜选用C级钢或Z级以上的钢材，这样会造成经济上的浪费。

3.2 房屋温度区段应按照相应的规范设有独立空间稳定支撑体系

笔者在多年的工作中总结对于门式钢架结构有以下几种支撑体系设置不合适的问题：屋面的横向水平支撑于柱间的支撑布置不同的跨区内，这样就形成不了独立支撑体系，不但不利于抗震，对于现场施工也造成很大的麻烦；屋面横向水平支撑设置在了第2个开间，然而末端跨相应位置没有设置刚性纵向细杆，导致山墙的水平荷载如风荷载无法传递；屋面横向水平支撑的直腹杆（如柱顶或屋脊）没有按照相应的刚性细杆来考虑，当采取檩条兼做的方式时，又没有验算檩条的承载力及刚度。除了屋脊布置的双檩，以及根据檩条的跨度在相互之间连接的不少于两点的刚性连接件能有刚性系杆的作用外，其他的地方包括柱顶没有经过加强的檩条都起不到刚性细杆的作用，这是由于通常采用的C冷弯薄壁型的钢檩条的侧向刚度都不是很好。

3.3 钢结构稳定设计

我国这些年在钢结构稳定设计中已经取得了很多进展，但是仍然有许多的问题有待改善，笔者总结有以下的几点：现在的钢结构网壳模型中，梁、柱的单元已成为主流的研究工具。但是许多专家对此还是存在怀疑的态度，因为没法确认单元能否真实反映网壳的受力状态，目前最大的问题就是不知道如何反映弯矩和轴力的耦合效应；目前建筑界还没有一个很完善的理论能够分析预张拉体系，这方面的理论一直欠缺；大跨结构设计如何分析局部稳定和整体稳定之间的关系也是一大难题，尽管现在建筑界已经在大跨结构去了一个相对保守的稳定系数，但不能真实反映局部与整体之间的关系；钢结构系统稳定性研究有很多不确定的因素，现在的学术界随机影响分析基本局限在随机荷载以及结构参数这个小范围内，实际上，因为结构参数随机性，结构响应也会有很大的变化，因此应着眼随机参数的干扰性屈曲、结构失稳、跳跃型失稳等研究。