關于鋼結構工程設計問題的分析

中鐵六局集團有限公司 工程設計院 北京 100036

摘要：鋼結構工程在我國起步較晚，尤其是高層建筑鋼結構工程與發達國家相比較少。鋼結構工程以其獨特的優越性，在建筑業被越來越廣泛的應用。但我國鋼結構設計方面的理論和設計經驗不足，存在著一些問題。所以，如何開展對此類工程的設計工作，成為我國鋼結構設計行業面臨的新問題。本論文從鋼結構的穩定設計、圍護結構中檁條的設計、鋼結構中建筑設計的防火防腐問題、鋼結構中建筑物理問題等幾個方面分析了鋼結構設計方面的一些問題。

關鍵詞：鋼結構；設計；建筑

1.鋼結構發展概況

鋼結構建筑已有100多年的發展歷史，具有自重輕、性能好、施工迅速、工廠化程度高、勞動強度小等優點，所以鋼結構工程以其強大的優越性能，在建筑業被愈來愈廣泛的應用。然而鋼結構工程在中國起步較晚，特別是高層建筑鋼結構工程與發達國家相比較少，在鋼結構設計方面的理論和設計經驗尚淺，存有一些問題。所以，鋼結構工程的設計方面的工作，是我國鋼結構設計行業面臨的新問題。針對設計行業面臨的這些新問題，本論文對鋼結構工程設計方面的一些問題進行了以下幾個方面的分析探討。

2.現代鋼結構建筑的特點

2.1 建筑與結構的設計與功能一體化，使建筑更具功能化

在鋼結構建筑中，結構是形象構成的重要元素，結構的構件，形體，節點在很大程度上制約并塑造了建筑的形象。建筑與結構的功能和設計中只有做到一體化，方能使建筑功能更優越以便后續的各個設計環節順利進行，創造出藝術與技術融為一體的鋼結構建筑。北京08奧運會國家體育場投標方案中有很多方案都體現出了鋼結構建筑的這種特點。比如，清華大學建筑設計院的可開合式方案設計，在體育場大屋面中央設置兩個半圓型的玻璃頂面，同時相對旋轉、平行滑動完成大屋面的開合。

2.2 鋼結構建筑能夠滿足超高度和超跨度的要求

鋼材組織均勻，近似于各向同性勻質體，強度高，彈性模量亦高。其強度與密度比遠小于混凝土，磚石或木材。在同樣受力的情況下，鋼結構自重小，進而做成高度較高和跨度較大的結構以及靈活的結構形體。現代人已具備建造高度超過1000米最高到4000米與跨度超過1000米的超大穹頂的超高層建筑的能力。并且膜與鋼索結構相結合形成索膜結構體系更能滿足建筑對跨度的要求，使這類型建筑成為標志性建筑。英國政府為了迎接21th世紀而興建的標志性大型綜合性展覽建筑--倫敦千年穹頂亦是索膜結構體系，它的穹頂直徑達到320米。

2.3 原材料能循環使用，有助于環保與可持續發展

我國的能源與資源都日益短缺，發展鋼結構對于中國有著意義重大，因為我國是世界上最大的混凝土建筑與磚砌體建筑國家。鋼材是一種高效能高強度的材料，具有高再循環價值及邊角料價值，無需制模施工。當前國際上的新型住宅產品已進入我國，其環保節能的優點主要體現在以下兩個方面：

2.2.1 該類型住宅采取全封閉式保溫隔熱防潮系統，熱損失低，溫差變化小。各種季節都具備舒適的居住環境。在室外溫度達到30℃的情況下，室內溫度僅在21℃左右；室外0℃時，室內仍可保持17℃以上。

2.2.2 相比磚混結構住宅，可節能60%以上，冬夏季空調設備可節約耗電三分之一，結構的廢舊利用率為100%；相比磚混結構，同樣樓層凈高條件下，鋼結構維護墻體面積較小，節約空調所需能源，減小維護花費。

3.鋼結構的穩定設計

穩定性是鋼結構設計中的一個重要問題，在各類型的鋼結構設計中，都會遇到穩定性問題。當前，鋼結構中出現的失穩事故多數是由于設計者缺乏經驗，不了解結構及構件的穩定性，對如何保證結構穩定缺少明確認識，造成結構設計中出現不該有的薄弱部位。在設計中，應明確鋼結構穩定的基本概念，方能更好地處理鋼結構的穩定問題。

3.1 強度與穩定的區別

強度問題屬于應力問題。穩定問題則與強度問題不同，它本質上屬于變形問題。如軸壓柱，因為失穩，側向撓度使柱中增加數量很大的彎矩，所以柱子的破壞荷載可以遠低于它的軸壓強度。

3.2 鋼結構穩定設計的原則

鋼結構穩定設計應遵循以下二項基本原則：

（1）結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相匹配。在設計單層和多層框架結構的時候，經常不進行框架穩定分析而以框架柱的穩定計算代之。采取此種方法時，計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數應該從框架整體的穩定分析得出，這樣方能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。然而，實際框架各式各樣，在設計中為了簡化計算工作，需要設定一些典型假定。根據這些假定，框架各柱的穩定參數及桿件穩定計算的常用方法，通常是根據一定的簡化假設或典型情況得出，設計者必須明確所設計的結構符合這些假設時才能正確地應用。

（2）結構的細部構造和構件的穩定計算必需互相配合，使兩者一致。結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中建筑界非常看重的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應該分別賦予它足夠的柔度與剛度，對桁架節點應盡量減少桿件偏心，這些都是設計者處理構造細部時必須考慮到的。然而，在涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。比如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定的時候，上述要求顯得并不足夠，支座仍必須能阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁端截面自由翹曲和梁在水平平面內轉動，以便符合穩定分析所采取的邊界條件。

4.圍護結構中檁條的設計

檁條的設計可按《鋼結構設計規范》 和 《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（簡稱《輕鋼結構規程》）相關條文的要求進行平面內及平面外穩定、強度、變形等計算，但對檁條平面外計算長度起決定作用的斜拉條、拉條、撐桿的布置概念比較模糊，特別是斜拉條如何設置、在何處設置撐桿等不是很清晰。如《輕鋼結構規程》第6.3.5條已清楚規定當檁條跨度大于6米時，應在檁條跨度三分點各設一道拉條（或撐桿），斜拉條應與剛性檁條連接。前者要求一般能達到，但對于斜拉條的連接及撐桿的設置通常被設計者忽視。曾有設計者將斜拉條上端固定在柔性檁條上，且最上端兩根檁條間的拉條仍設置為柔性拉條。對于對稱屋面的檁條布置是有條件的，就是屋脊處兩邊的兩根檁條必需連在一起，考慮兩側檁條的拉力平衡；但對于不對稱的屋面來說，因為兩側拉力不能平衡，無論從傳力還是受力角度來說，這樣的布置顯然是錯誤的。因此，決定檁條側向計算長度的撐桿、拉條、斜拉條的布置必須具體問題具體分析，并于計算假定相一致。

《輕鋼結構規程》第6.4.3條非常清楚地規定在最上層墻架處宜設斜拉條，將拉力傳至承重柱或墻架柱上。實際上，作者認為屋面檁條側向斜拉條的設置完全可按墻架檁條斜拉條的方式設置，同時最上端檁條與其相鄰的檁條間設置剛性撐桿即可，而無需將最上端檁條改為剛性檁條，通過斜拉條將拉力直接傳至屋面梁或桁架弦上。在實際工程設計中，部分設計者對屋面或墻架最上端檁條的側向支撐，如撐桿、拉條、斜拉條能正確設置，但對中間墻面或屋面，如屋面風機開孔處、門窗洞口、屋面天窗（采光窗）等，經常只設拉條，而漏設撐桿與斜拉條等，根本無法將拉條上的拉力傳至承重結構上。根本原因在于對撐桿、拉條、斜拉條的傳力作用及途徑不清楚，同時也是對規范條文一知半解，從而給圍護結構的設計帶來安全隱患。

5.鋼結構中建筑設計的防火防腐問題

5.1 鋼結構中建筑設計的防火問題

火災是對鋼結構建筑最大的危害，盡管鋼材是燃燒材料，但不耐火，溫度在400℃時，鋼材的屈服強度將降至室溫下強度的一半，溫度達到600℃時，鋼材將基本失去全部剛度與強度，所以當建筑采用無防火保護措施的鋼結構時，一旦火災發生，建筑很容易損壞，從以往發生的鋼結構建筑火災案例中，可以察覺兩種現象，一種是防火保護的鋼結構在火災中沒能達到規定的耐火時間而破壞，另一種防火保護的鋼結構在火災中超過了預期耐火時間而并沒有破壞。建筑的構造防火問題通常在鋼筋混凝土結構上容易解決，然而在鋼結構建筑上則須考慮更多的元素。下面介紹兩種常用的防火措施：一是根據鋼結構的部位不同分別采用厚型或薄型的防火涂料，并在露明部位加涂裝飾漆；二是采用進口的新型防火板—保全板。

5.2 鋼結構中建筑設計的防腐問題

如果鋼材長期暴露在室外受到風雨等自然力的侵蝕，生銹老化，則它的自身承載力會下降，建筑的美觀亦會受到影響。所以防腐問題也是鋼結構建筑設計需要解決的問題，當前的做法主要是采用新型防腐和構造材料。在實際建筑設計中，設計工程師在遇到鋼結構建筑中對所設計的建筑都作出特別的要求，比如涂刷防銹涂料或防火涂料。通常防火涂料做法是先刷紅丹防銹底漆兩度，再刷鋼結構面漆兩度（面漆顏色由甲方定）。其次，對鋼結構建筑的鋼結構構件施工也有明確的要求，比如構件出廠前涂紅丹防銹底漆一道。鋼結構安裝調整后，將其清洗干凈，再刷一度底漆，兩度面漆。盡管現在市面上存在各種各樣的防腐涂料，但是較為有效的防腐涂料仍需進口。筆者覺得，隨著我國綜合國力的不斷強大，將會生產出更優秀的新型防腐涂料。

6.鋼結構中建筑物理問題

6.1 保溫

外部環境對建筑的熱輻射主要從2個方面影響建筑的熱環境：一是被建筑的外圍護結構表面吸收，其間一部分熱量通過建筑圍護結構的熱傳導逐步進入室內；二是透過窗戶進入室內，并被室內表面所吸收，產生了加熱效果。因為玻璃可以讓陽光直接射入室內從而迅速升高室溫，特別是隨著新型玻璃材料的不斷涌現，玻璃的熱工性能逐漸改良，建筑采光與建筑保溫之間的矛盾已慢慢淡化，“遮蔽”與“阻隔”趨于平衡。因此，對建筑的保溫措施主要集中在外圍護結構上，目前對此有2種較有效的解決辦法：

（1）防止保溫材料凝結水外保溫和中間保溫作法。可防止保溫材料因為蒸汽的滲透積累而受潮。內保溫作法則保溫材料可能在冬天受潮，外保溫可避免主要承重結構受到室外溫度的劇烈波動影響，進而提高其耐久性。外保溫作法對外表面的保護層要求較高內保溫與中間層保溫則由于外表面是由強度大的密實材料組成，飾面層的處理比較容易。

（2）優化、研制保溫材料的構造，提高建筑熱環境性能。比如在建筑物得內外表面或外層結構的空氣層中，采取高效反射材料，可將大部分的紅外射線反射，進而對建筑物起到保溫和隔熱作用。其次，還可運用新型節能墻體，高效節能玻璃，硅氣凝膠材料促進到節能的效果。

6.2 吸音

在某些建筑大廳特別是在音樂廳中，頂棚反射板增加的反射聲幾乎瞬時到達聽眾的雙耳，缺乏側向反射帶來的圍繞感。在此類建筑的設計中，須綜合考慮材料的應用，包括吸聲性能和裝飾性、防火、強度、加工、吸濕等多個方面。目前廣泛地應用于噪聲控制和音質設計中的解決途徑是吸聲結構與吸聲材料。

（1）吸聲結構：材料本身可不具備吸聲特性，但材料制成某種結構而產生吸聲，比如穿孔石膏板吊頂。

（2）吸聲材料：材料本身具有吸聲特性。比如巖棉等纖維、玻璃棉或多孔材料具有良好的吸聲性能，因為空氣的粘滯阻力、孔隙壁和空氣分子的摩擦，使聲能轉化為摩擦熱能而吸聲。

（3）隔音。噪聲于建筑密不可分，噪聲污染的治理和防治已成為建筑聲學重要的組成部分。噪聲控制、噪聲規劃等理論也逐步演化開來。人們可以聽到的聲音都屬于聲環境范疇。人們可以聽到鳥鳴、歌聲、音樂、談話、泉水叮咚等；但也能聽到機器轟鳴、吵鬧、車輛的轟鳴等噪聲。但主要是有安靜要求的房間，比如演播室、錄音室、居民住宅臥室、旅館客房等建筑對隔聲隔振要求十分高，須專門的聲學設計。對于公用建筑、旅館、民用住宅人們對安靜的要求也愈加重視。并盡量靠近聲源，提高隔聲效果。一般隔聲間外墻使用隔聲性能較好的結構或材料，如混凝土、磚、紙面石膏板墻等等，觀察部分使用隔聲窗，進出部分使用吸聲迷道或隔聲門等。

結語

鋼結構工程是以鋼材制作為主的結構，是主要的建筑結構類型。鋼結構已愈來愈廣泛地被應用在國內外高層建筑及大跨度結構中，鋼結構將是未來結構發展的主流方向。然而，鋼結構施工還存有不少問題亟待研究解決，如何做到設計合理、經濟適用、施工安全將是留給廣大科研設計施工人員永續的問題。筆者相信，只要合理規劃，加強領導，積極組織，行業、政府、企業共同努力，產、學、研緊密結合協作，鋼結構產業的發展將必定會更加興旺。

參考文獻：

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