淺談鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用

寇立亞 馮亞男 姚 山

當(dāng)前，我國鋼材的年產(chǎn)居世界首位，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展很快。鋼產(chǎn)量的增長為發(fā)展我國建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)創(chuàng)造了極好的時機(jī)。目前，與發(fā)達(dá)國家相比我國在許多方面還存在著明顯的差距。21世紀(jì)是鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展時期，長期以來由混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的格局勢必被打破，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用也會越來越多。因此，對于工程設(shè)計人員而言，研究鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路和原理，對于完善專業(yè)知識結(jié)構(gòu)、提高工程設(shè)計水平有十分重要的意義。

1 鋼結(jié)構(gòu)的適用條件

判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)，主要是鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的選擇。國內(nèi)與國外相比，如日本等發(fā)達(dá)國家，鋼結(jié)構(gòu)建筑要占整個建筑的50%以上，而我國只占5%還不到;對于鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的造價問題，應(yīng)有一個全面、綜合的認(rèn)識，不能籠統(tǒng)地認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)造價比混凝土貴，從而排斥于比較方案之外。事實上，結(jié)構(gòu)造價只占工程造價的30%左右。而結(jié)構(gòu)造價又分上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價，上部結(jié)構(gòu)造價僅占基礎(chǔ)造價的50%～70%。而鋼結(jié)構(gòu)只是指工程的上部結(jié)構(gòu)，在工程總投資中僅占10%還不到，對于高層和大跨度結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)與采用混凝土結(jié)構(gòu)間的差價所占工程總投資的比例將更小，一般不到工程總投資的4%。如果再考慮到采用鋼結(jié)構(gòu)因其自重輕、建筑有效使用面積大、施工速度快及抗震性能好等諸多優(yōu)點，鋼結(jié)構(gòu)特別適用于重型工業(yè)廠房的承重骨架和吊車梁、大跨度建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁、多層和高層建筑的骨架、塔桅結(jié)構(gòu)、容器和大直徑管道等殼體結(jié)構(gòu)、移動式結(jié)構(gòu)、輕型結(jié)構(gòu)以及在地震區(qū)抗震要求較高的工程結(jié)構(gòu)。

2 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路

2.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

鋼結(jié)構(gòu)體系的選擇歸根結(jié)底就是對鋼結(jié)構(gòu)抗震體系的選擇[3]。它包括對建筑抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素綜合分析，與建筑、水、暖、電等專業(yè)的充分協(xié)商，必要時還應(yīng)進(jìn)行多方案比較。一般來說，鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)受力明確，傳力簡捷;在滿足功能使用的前提下，力求平面和豎向規(guī)則;應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力，應(yīng)具備必要的抗震能力，良好的變形能力和消能能力;對可能出現(xiàn)薄弱層的部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。在具體鋼結(jié)構(gòu)工程中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)合理控制尺寸，避免局部失穩(wěn)或整個構(gòu)件失穩(wěn);要特別注意鋼結(jié)構(gòu)部分和鋼筋混凝土的連接處，比如基礎(chǔ)部分、鋼屋架支撐處是較薄弱的部位。

2.2 計算模型的建立

計算模型應(yīng)該是鋼結(jié)構(gòu)實際受力情況正確與合理的簡化，結(jié)構(gòu)計算是在計算模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計算模型選用不當(dāng)不僅僅會得出錯誤的數(shù)值解，而且會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全事故，因此選擇恰當(dāng)?shù)挠嬎隳Ｐ褪潜ＷC結(jié)構(gòu)安全的重要條件。比如在節(jié)點設(shè)計中，按傳力特性不同，分剛接、鉸接和半剛接。實際結(jié)構(gòu)的節(jié)點不可能是純粹的剛接或鉸接點，這就需要結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行正確的判斷，選擇哪種更能真實的反映節(jié)點的受力情況的模型，使計算模型的誤差控制在允許范圍之內(nèi)。此外，對于諸如節(jié)點這類受力復(fù)雜的構(gòu)件，單從計算分析的角度并不能完全保證其可靠性，因此還應(yīng)通過相應(yīng)的構(gòu)造措施對節(jié)點予以加強(qiáng)。

2.3 建筑材料的使用

要善于利用鋼結(jié)構(gòu)的抗拉性能。按受力的不同，現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對鋼結(jié)構(gòu)主要從受彎、受拉、受壓和拉彎、壓彎五個方面計算[1]。從規(guī)范中不難看出，受壓、受彎或壓彎構(gòu)件需同時進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計算，對于大多數(shù)此類構(gòu)件，當(dāng)它發(fā)生失穩(wěn)破壞時，其強(qiáng)度遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計值。而受拉或拉彎構(gòu)件只需考慮強(qiáng)度計算，構(gòu)件的力學(xué)性能可以得到充分發(fā)揮，應(yīng)力水平很高，因此材料的利用率最高。

3 常見的鋼結(jié)構(gòu)形式及力學(xué)原理[3]

3.1 剛架

剛架是梁、柱單元構(gòu)件的組合體，其形式種類繁多，應(yīng)用較多的是單層的單跨、雙跨或多跨的雙坡門式剛架。門式剛架、鋼屋架、桁架、拱結(jié)構(gòu)都同屬平面結(jié)構(gòu)體系。不過，鋼屋架、桁架、拱是與柱子鉸接的，而門式剛架的橫梁是與柱子剛性連接的。由于剛性連接的緣故，橫梁彎矩比鉸接情況下的彎矩要小。但從本質(zhì)上講，剛架仍然是普通的受彎構(gòu)件，它的材料利用率較低。原因有以下兩個方面:1)靠近中和軸的材料應(yīng)力水平低，屬于單向應(yīng)力狀態(tài);2)梁的彎矩沿梁長一般是變化的，這樣對等截面剛架靠近梁端的區(qū)段來說，即使是拉、壓邊緣其應(yīng)力水平也比較低。

3.2 桁架

桁架是由桿件組成的格構(gòu)體系，其節(jié)點一般假定為鉸接點，通常有平行弦桁架、三角形桁架和弧形桁架三種形式。把梁的中間受力不大的部分適當(dāng)挖空就形成桁架，既經(jīng)濟(jì)，又降低自重。故桁架的上弦相應(yīng)于鋼梁的受壓翼緣，下弦相應(yīng)于受拉翼緣。平行弦桁架中腹桿的受力(拉、壓)與梁中主拉、壓應(yīng)力方向一致，三角形桁架和弧形桁架的外形設(shè)計為與彎矩圖相似的形狀，從而使桁架的弦桿受力均勻。由于桁架中大量存在壓桿，壓桿的強(qiáng)度往往由其穩(wěn)定性決定，而不是由桿件截面材料強(qiáng)度決定。因此，在平面桁架的設(shè)計過程中，應(yīng)設(shè)法降低壓桿的長細(xì)比。

3.3 網(wǎng)架

網(wǎng)架是一種新興的屋蓋結(jié)構(gòu)，屬于由復(fù)雜的桿件系統(tǒng)組成的超靜定次數(shù)極高的空間結(jié)構(gòu)，按外形的不同，可分為平面網(wǎng)架和曲面網(wǎng)架兩類，相對曲面網(wǎng)架來說，平面網(wǎng)架是無推力的空間結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省抵抗推力的材料。在降低桁架壓桿的長細(xì)比過程中，單純增大截面是下策，特別是上弦桿，應(yīng)努力增加其平面外的剛度(有時上弦采用雙桿形成的復(fù)合壓桿)，提供平面外約束(增加支撐)。如果把這些平面外的支撐再連接成桁架，這樣就使平面桁架變?yōu)槠矫娼徊骅旒埽詈蟀l(fā)展為空間網(wǎng)架。網(wǎng)架的材料利用率高、應(yīng)力水平高，因此在大跨度、大空間結(jié)構(gòu)中廣泛使用。

3.4 懸索結(jié)構(gòu)

由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中仍然存在壓桿，壓桿(特別是鋼壓桿)的應(yīng)力水平不可能太高，這樣高強(qiáng)材料就不能使用。因此，在努力減少或消除結(jié)構(gòu)中的壓桿的過程中，我們找到了懸索結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)中所有的“桿件”均為拉桿，這樣就使懸索結(jié)構(gòu)中桿件的應(yīng)力水平極高，材料利用率極大，高強(qiáng)材料得以充分利用，最能發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的材料特點。因而在超大跨度的結(jié)構(gòu)中，懸索結(jié)構(gòu)(或包括懸索結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu))是首選的結(jié)構(gòu)類型。

4 鋼結(jié)構(gòu)的選型[4]

目前，鋼結(jié)構(gòu)在大跨度結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。剛架適用于荷載小、跨度為9 m～18 m的建筑;桁架適用于跨度為18 m～36 m的建筑;網(wǎng)架的適用跨度一般可達(dá)到30 m～60 m，在一定條件下，其跨度也可達(dá)60 m以上;而懸索能夠做到其他結(jié)構(gòu)不能跨越的跨度，其適用跨度可達(dá)到100 m～150 m，甚至300 m以上。但這些只是鋼結(jié)構(gòu)選型的基本知識，一個好的結(jié)構(gòu)形式的選擇，不僅要考慮建筑上的作用功能、結(jié)構(gòu)上的安全合理、施工上的可能條件，也要考慮經(jīng)濟(jì)價值和造型美觀。工程設(shè)計人員應(yīng)從力學(xué)概念入手，充分理解每類結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點、適用范圍以及它在結(jié)構(gòu)布置上的原則和構(gòu)造尺寸，參考成功的工程設(shè)計實例，在結(jié)構(gòu)選型中綜合應(yīng)用。比如:在輕鋼工業(yè)廠房中，當(dāng)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平面網(wǎng)架;基本雪壓大的地區(qū)、降雨量大的地區(qū)以及積灰荷載大的地區(qū)，屋面曲線應(yīng)有利于卸荷，曲面網(wǎng)殼是理想的結(jié)構(gòu)形式;而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，在選擇構(gòu)件懸索結(jié)構(gòu)體系的同時，可以考慮對懸索施加預(yù)應(yīng)力，以保證屋蓋的剛度和穩(wěn)定等。

5 結(jié)語

工程設(shè)計人員在能夠正確判斷要使用鋼結(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)具有一個良好的設(shè)計思路，強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用;在深入理解剛架、桁架、網(wǎng)架及懸索這幾種常見鋼結(jié)構(gòu)形式力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，科學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，做到每一項設(shè)計都精益求精。

[1] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 董石麟.我國大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與展望[J].中國建設(shè)信息，2002(20):56-57.

[3] 林同炎.結(jié)構(gòu)概念和體系[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[4] 陳眼云.建筑結(jié)構(gòu)選型[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社，1995:12.

[5] 陳 銘，何麗麗，鞏偉平.淺談鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計[J].山西建筑，2008，34(5):118-119.