钢结构设计中应注意的问题

郭文起

摘要目前，钢结构以质量轻便、抗震性能好、强度高、塑性韧性好、施工速度快等优点在工业厂房、高层住宅、豪华写字楼等项目广泛应用，钢结构的设计存在的现实问题应引起广泛足够的重视。

关键词稳定性节点防火设计支撑

中图分类号：TU391文献标识码： A

在个别工程设计中,由于在对规范的理解和执行过程中存在一些偏差,以至在设计中出现了各种的问题。有的问题在设计图纸审查过程中经图审部门提出,得以进行修改。有些问题,虽然图审单位未提出意见,但也会在日后的使用过程中可能存在一定的隐患。通过对许多工程设计实践的总结,提出以下几个值得注意的问题,以便引起重视，以便更好的进行钢结构设计。

1、注意钢结构结构选型与结构布置。在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是"概念设计",它在结构选型与布置阶段尤其重要. 对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。 运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决,或没有简单实用的设计方法，比如网壳的稳定等。结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落（切线50度内需考虑雪载 ），如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳。总雪载释放近一半。降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。我国半数以上的此类高层为前者。对抗震不利。结构的布置要根据体系特征,荷载分布情况及性质等综合考虑.一般的说要刚度均匀.力学模型清晰.尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围,使其以最直接的线路传递到基础. 柱间抗侧支撑的分布应均匀.其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线. 否则应考虑结构的扭转. 结构的抗侧应有多道防线. 比如有支撑框架结构,柱子至少应能单独承受1/4的总水平力.框架结构的楼层平面次梁的布置,有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高,顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子.

2、 结构分析目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-Δ,p-δ.新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件:典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形.简单结构通过手算进行分析.复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析.

3、注意钢结构稳定性设计。1)目前钢结构设计多借助钢结构计算机软件进行结构受力计算,结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可依靠程序自动完成,结构和构件的平面外强度及稳定计算,需要设计者另做计算和设计。此时可将整个结构按标高分解成多个不同布置形式的结构体系,在不同的水平荷载作用下,进行结构体系的强度和稳定计算。2)对于不考虑屈曲后强度的梁局部稳定,可对梁设置横向或纵向加劲肋,以解决梁的局部稳定问题,加劲肋按《钢结构设计规范》(GB50017 -2003)规定设置。

4、注意梁柱节点设计。多高层钢结构的基本形式是框架体系，框架结构构造简单，易于施工，同时具有良好的延性和耗能能力，钢框架结构多被设计为强柱弱梁体系，这样就使梁尽量先破坏，以增加结构的延性。然而，梁柱焊接节点在大地震中并不会如期望的那样如期形成塑性铰，以耗散地震的能量，而是遭受了严重的破坏，梁柱节点的破坏主要发生在梁柱焊接接头处,且多为脆性破坏。所以，抗震设计时，梁、柱刚性连接应采用等强连接的形式，并考虑钢梁腹板承受一定的弯矩。高强螺栓考虑温度折减及长度折减。严格控制焊缝金属的冲击韧性、坡口焊缝引弧板的切除、梁下翼缘衬板的补焊等构造措施，避免梁柱节点破坏。

5、注意钢结构防火设计。钢结构的材料化学特性决定了钢材不耐火、不抗烧，极易导热。普通建筑用钢材，在全负荷状态下失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右，一般在300℃~400℃时钢材强度就开始迅速下降。一般无任何保护及覆盖物的钢结构的耐火极限只有15分钟左右的时间，远远低于建筑设计防火规范的要求。因此，普通建筑用的钢材作为建筑物的承载主体，一旦发生火灾，在高温作用下，其承载力急剧下降，致使钢结构不可避免地出现变形，造成建筑物部分或全部坍塌。钢结构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种。外包混凝土是解决钢梁及钢柱防火、防腐的最好措施，这种方法利于防火层的耐久性及今后的维护。但该方法会增加建筑物的总重量和施工工期。外涂防火涂料只需根据各种防火涂料的耐火性能及耐火极限要求，满足厚度相应的厚度，但防火涂料的耐久性远远低于建筑物本身，需要后期维护。防火板可以根据梁柱的不同形状，对钢梁进行包裹，使其达到所需的耐火极限。防火板的耐久性比防火涂料更长，后期维护也较为方便，但价格较高。设计时应根据具体情况合理选用防火措施。

6、注意合理设置钢结构支撑。支撑的布置方式对框架的抗侧移刚度的影响是有一定规律的,传力直接、明确的支撑体系,其抗侧移刚度要明显好于其他支撑体系。支撑布置形式对框架抗侧移刚度有着较为明显的影响,应该在不影响结构使用功能的前提下,认真分析支撑的布置形式,力求做到既安全可靠,又经济合理。

7、注意图纸编制。钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。①设计图: 是提供制造厂编制施工详图的依据. 深度及内容应完整但不冗余. 在设计图中,对于设计依据、荷载资料（包括地震作用）、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求（包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等）、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚，以利于施工详图的顺利编制，并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。

②施工详图:又称加工图或放样图等.深度须能满足车间直接制造加工.不完全相同的另构件单元须单独绘制表达，并应附有详尽的材料表.设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。 初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。

以上是作者从实际的钢结构工程设计中总结的问题。目前钢结构的发展越来越快，此结构工业化、商品化程度越来越快，综合效益较高、并且市场需求量很大，相信它会成为未来发展的一个重要方向，并有可能逐渐取代混凝土结构，所以我们以后要对它多总结问题，适应时代的发展。

参考文献：

[1] 李建哲 曹德胜．浅谈钢结构的稳定性设计．中国新技术新产品，2009

[2] 王祯．钢框架梁柱刚接节点浅析．工程建设与设计，2011

[3] 周学军陈鲁曲慧. 多、高层钢结构支撑的布置方式对框架侧向刚度的影响．钢结构2003年第4期第18卷总第66期，2003