钢结构设计常见问题分析

葛红斌

摘要：钢结构工程在我国起步较晚，在设计方面的理论和设计经验不足，本论文从铜结构设计理论、钢结构设计实践等几个方面分析了钢结构设计方面的一些问题.并对钢结构稳定、钢结构选型、楼板设计、节点构造、支撑设计方面提出设计建议。

关键词：钢结构设计；钢结构稳定；抗震设计；抗火设计；钢节点设计

前言

钢结构建筑已有一百多年的发展历史，具有性能好、自重轻、工厂化程度高、施工速度快、劳动强度小等优点，因此钢结构工程以其独特的优越忧，在建筑业被越来越广泛的重视和应用。但过去我国因为经济不够发达和钢材产能不足等原因，重点发展了钢筋混凝土结构，钢结构特别是民用钢结构工程较少应用，所以一般建筑设计院普遍存在钢结构设计方面的理论和设计经验不足的问题。近年来随着国力不断增强和钢材产量进入世界前列，超高层、大跨度建筑和复杂造型建筑不断涌现，民用钢结构得到广泛应用，因此钢结构工程设计方面的相对落后，成为我国钢结构设计行业面临的新问题。针对设计行业面临的这些新问题，本论文对钢结构工程设计方面的一些问题进行了以下几个方面的分析探讨。

1钢结构稳定设计问题

近年来，在钢结构设计中经常出现失稳事故，造成严重的人员伤亡与经济损失。主要原因是由于以下几方面造成：

（1）由于空间网架（网壳）结构、空间桁架等新型钢结构的不断出现，设计者没有足够的时间去了解掌握这些新型结构的设计，生搬硬套过去的工程实例造成设计失误；

（2）不重视钢结构整体稳定性，钢结构支撑布置不合理或局部缺失，造成结构失稳；不注意钢构件的整体稳定性或局部稳定性设计，造成构件失稳；

（3）过分依赖设计软件，未对电算结果正确性进行判断和校核，造成设计失误。

因此稳定性成为钢结构设计中一个突出的问题，如果处理不好此类问题，将会造成不可估计的损失。所以根据稳定性问题在实际的钢结构设计中的特点，以及未来更好的保证钢结构设计中构件不会丧失稳定性，设计过程中应严格遵守以下三条基本原则：

（1）保证整体结构和细部构件的稳定计算，二者必须相互配合，相互统一；

（2）在进行结构布置时，必须从整个体系和组成部分的稳定性要求出发，进行全面考虑；重视钢结构支撑设计，合理布置水平竖向支撑、空间各向不遗漏，柔性支撑强度够、剛性支撑不失稳；

（3）必须保证结构计算简图和实际计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算起着相当关键的作用。

2钢结构设计理论问题

2.1内力计算与承载力验算

我国钢结构建筑的设计步骤主要是：依据弹性方法计算钢结构各构件内力；依据弹塑性方法验算钢结构构件的极限承载力。由于钢结构达到极限状态时，就会进入弹塑性变形阶段，会造成结构内力的重分布，按现在的方法设计，不能保证构件承载力可靠度的一致性，存在结构内力计算方法与结构承载力验算方法不匹配的问题。

2.2抗震设计

（1）设计反应谱问题：一个比较突出的问题是多数地区布设的仪器不是宽频带地震仪，而是短周期地震仪，地震记录仪构造使得很多周期大于3秒的强震被削弱，由此计算的反应谱不真实，所以抗震规范的多阻尼比反应谱在大于3s的长周期段可能并不适用。

（2）弹塑性地震反应计算问题：目前我国没有实用的高层钢结构弹塑性地震反应计算程序，对高层钢结构在强烈地震中真实状况的弹塑性地震反应分析相当薄弱。国外大型商用分析软件（如ANSYS等）采用精细分析方法大多用于理论分析、局部分析，难以用于高层钢结构实际工程，国内仅有同济大学（MTS软件）等少数采用简化模型分析，可靠性需进一步验证。

（3）钢一砼结构设计问题：目前新建高层较多采用钢一砼结构，我国是一个多地震国家，但包括国际上关于钢一砼结构的抗震研究却很少，钢一砼结构到底抗震性能如何，有待进一步验证。

2.3限值问题

（1）钢结构高宽比限值问题。现在我国的规范对地震多发区高层钢结构的高宽比为：钢一砼结构为5，纯钢结构为6。控制高宽比的目的是控制结构的刚度和侧移，它仅反应建筑物高度和宽度的比值，没有反应结构本身的平面布置和竖向布置对结构刚度、侧移和抗倾覆稳定性的影响。仅从结构安全角度讲，高宽比限值不是必须满足的，它只是一个宏观控制指标，应该可以适当放宽。事实上如上海金茂大厦88层120米，其高宽比为7 6；深圳地王大厦81层320米，其高宽比为8.8，均超过规范规定的“限值”。

（2）钢结构层间变形限制问题。我国现行规范中对高层钢结构抗风的层间变形限值为层高的1/400；抗震小震的层间变形限值为层高的1/250-1/300。很多钢结构实际计算层间很难满足规范的要求。国外高层钢结构建筑一般对层间位移角（剪切变形角）加以限制，主要是考虑非结构构件的损坏，它不包括建筑物整体弯曲产生的水平位移，数值较宽松。

2.4抗火设计

目前规范基于试验的抗火设计方法存在以下缺陷：实验中的标准温度升曲线与火灾情况不同；构件在结构中的受力也很难通过实验模拟，实际构件受力各不同，实验难以概全；未能考虑温度应力及变形影响，未能考虑高温下结构内力重分布的影响；未能考虑各构件相互作用的影响，即结构某一构件达到极限状态并不意味着整体结构达到极限状态。应加快基于构件计算的抗火设计方法的研究，这种方法以高温下构件的承载力状态为耐火极限进行判断，考虑温度内力的影响。理论研究以有限元法为主，基本上能考虑任意荷载形式和端部约束状态的影响。

3钢结构设计建议

3.1钢结构选型方面

应根据钢结构不同的特点考虑结构选型。高层钢结构设计中，常采用钢一混凝土组合结构，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。在工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就应放弃门式刚架而采用网架结构。雪压较大的地区，屋面曲线应有利于积雪的滑落。降雨量大的地区可以与雪压较大的地区一样考虑。当建筑条件允许时，在框架中布置支撑有更好的经济性；屋面覆盖跨度较大的钢结构工程，应选择悬索或索膜等受拉为主的结构体系。

3.2钢结构体系方面

钢结构工程低于6层的，可采用框架一支撑或框架体系，高于6层的采用框架一砼剪力墙或框架支撑体系。

框架柱有H型钢柱、钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱，在6层以下钢结构工程中，组合柱要比H型钢柱型要省钢。钢支撑比剪力墙的延性高，在地震等级高时延性高的地震力小，延性差的地震力大，从抗高等级地震的性能来说，钢支撑比砼剪力墙好。

钢框架一混凝土剪力墙体系属混合结构，抗震性方面目前研究还不够，选用时应慎重。

3.3钢结构楼板设计

楼板不仅承受竖向荷载并将其传给框架，还将水平力传到柱上，因此楼板的强度、承载力和整体性都十分重要。作为钢结构工程要求，楼板还应考虑隔音要求。目前钢结构工程上，压型钢板组合楼板，现浇楼板以及叠合板加现浇层楼板应用较多，这几种楼板的整体性都很好。震级较高的震区或重要钢结构，在柱的设计方面，因考虑在柱子的周边宜设置钢箍筋，以免高水平力破坏楼板。

3.4钢结构节点和支撑构造方面

（1）鋼结构设计中重要的内容是连接节点的设计，应该在结构分析前对节点的形式进行充分思考和确定，按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接，必须避免最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致的情况。此外，节点设计还必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序。

（2）焊接：焊缝的尺寸及形式应严格遵守规范，选用的焊条应与金属材质相适应，焊接设计不得任意加大焊缝，焊缝与被连接构件重心应尽量接近。

（3）钢框架一般采用柱贯通型，较少采用粱贯通型。抗震设计时，钢框架和钢支撑框架的梁柱连接应为刚接。工程中常用的方法有两种：①粱与柱直接连接；②在柱上焊接悬臂短粱，梁与悬臂短粱拼接。梁的拼接位置，应在内力较小的截面处，且在梁端塑性较区段以外。翼缘采用全熔透坡口焊缝连接，腹板可采用摩擦型高强度螺栓连接，或翼缘和腹板均采用高强度螺栓连接。梁拼接的极限受弯承载力应不小于梁的全塑性受弯承载力的1.2倍。梁拼接的极限受剪承载力应不小于粱腹板的屈服受剪承载力。

（4）高层钢结构工程的框架一支撑体系，框架梁柱应刚性连接。

（5）用外加劲肋和内隔板进行粱与钢管混凝土柱的刚性连接，但钢管壁板与隔板或环板的厚度应相互匹配。

（6）为防止管壁开裂，支撑与钢管混凝土连接，不应将节点板焊在钢管管壁上。为满足钢结构工程的抗震要求，不应在钢管支撑内灌注混凝土。

4结语

随着国内经济突飞猛进地发展，钢结构在建筑业被越来越广泛的重视和应用，钢结构工程在我国将得到前所未有的发展，要认真分析钢结构工程设计方面的问题，加强理论和实验研究，总结设计经验，将相关成果纳入国家规范或规程，从而确保我国高层钢结构工程的安全性和经济性。