鋼結構設計常見問題分析

葛紅斌

摘要：鋼結構工程在我國起步較晚，在設計方面的理論和設計經驗不足，本論文從銅結構設計理論、鋼結構設計實踐等幾個方面分析了鋼結構設計方面的一些問題.并對鋼結構穩定、鋼結構選型、樓板設計、節點構造、支撐設計方面提出設計建議。

關鍵詞：鋼結構設計；鋼結構穩定；抗震設計；抗火設計；鋼節點設計

前言

鋼結構建筑已有一百多年的發展歷史，具有性能好、自重輕、工廠化程度高、施工速度快、勞動強度小等優點，因此鋼結構工程以其獨特的優越憂，在建筑業被越來越廣泛的重視和應用。但過去我國因為經濟不夠發達和鋼材產能不足等原因，重點發展了鋼筋混凝土結構，鋼結構特別是民用鋼結構工程較少應用，所以一般建筑設計院普遍存在鋼結構設計方面的理論和設計經驗不足的問題。近年來隨著國力不斷增強和鋼材產量進入世界前列，超高層、大跨度建筑和復雜造型建筑不斷涌現，民用鋼結構得到廣泛應用，因此鋼結構工程設計方面的相對落后，成為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。

1鋼結構穩定設計問題

近年來，在鋼結構設計中經常出現失穩事故，造成嚴重的人員傷亡與經濟損失。主要原因是由于以下幾方面造成：

（1）由于空間網架（網殼）結構、空間桁架等新型鋼結構的不斷出現，設計者沒有足夠的時間去了解掌握這些新型結構的設計，生搬硬套過去的工程實例造成設計失誤；

（2）不重視鋼結構整體穩定性，鋼結構支撐布置不合理或局部缺失，造成結構失穩；不注意鋼構件的整體穩定性或局部穩定性設計，造成構件失穩；

（3）過分依賴設計軟件，未對電算結果正確性進行判斷和校核，造成設計失誤。

因此穩定性成為鋼結構設計中一個突出的問題，如果處理不好此類問題，將會造成不可估計的損失。所以根據穩定性問題在實際的鋼結構設計中的特點，以及未來更好的保證鋼結構設計中構件不會喪失穩定性，設計過程中應嚴格遵守以下三條基本原則：

（1）保證整體結構和細部構件的穩定計算，二者必須相互配合，相互統一；

（2）在進行結構布置時，必須從整個體系和組成部分的穩定性要求出發，進行全面考慮；重視鋼結構支撐設計，合理布置水平豎向支撐、空間各向不遺漏，柔性支撐強度夠、剛性支撐不失穩；

（3）必須保證結構計算簡圖和實際計算方法所依據的簡圖相一致，這對框架結構的穩定計算起著相當關鍵的作用。

2鋼結構設計理論問題

2.1內力計算與承載力驗算

我國鋼結構建筑的設計步驟主要是：依據彈性方法計算鋼結構各構件內力；依據彈塑性方法驗算鋼結構構件的極限承載力。由于鋼結構達到極限狀態時，就會進入彈塑性變形階段，會造成結構內力的重分布，按現在的方法設計，不能保證構件承載力可靠度的一致性，存在結構內力計算方法與結構承載力驗算方法不匹配的問題。

2.2抗震設計

（1）設計反應譜問題：一個比較突出的問題是多數地區布設的儀器不是寬頻帶地震儀，而是短周期地震儀，地震記錄儀構造使得很多周期大于3秒的強震被削弱，由此計算的反應譜不真實，所以抗震規范的多阻尼比反應譜在大于3s的長周期段可能并不適用。

（2）彈塑性地震反應計算問題：目前我國沒有實用的高層鋼結構彈塑性地震反應計算程序，對高層鋼結構在強烈地震中真實狀況的彈塑性地震反應分析相當薄弱。國外大型商用分析軟件（如ANSYS等）采用精細分析方法大多用于理論分析、局部分析，難以用于高層鋼結構實際工程，國內僅有同濟大學（MTS軟件）等少數采用簡化模型分析，可靠性需進一步驗證。

（3）鋼一砼結構設計問題：目前新建高層較多采用鋼一砼結構，我國是一個多地震國家，但包括國際上關于鋼一砼結構的抗震研究卻很少，鋼一砼結構到底抗震性能如何，有待進一步驗證。

2.3限值問題

（1）鋼結構高寬比限值問題。現在我國的規范對地震多發區高層鋼結構的高寬比為：鋼一砼結構為5，純鋼結構為6。控制高寬比的目的是控制結構的剛度和側移，它僅反應建筑物高度和寬度的比值，沒有反應結構本身的平面布置和豎向布置對結構剛度、側移和抗傾覆穩定性的影響。僅從結構安全角度講，高寬比限值不是必須滿足的，它只是一個宏觀控制指標，應該可以適當放寬。事實上如上海金茂大廈88層120米，其高寬比為7 6；深圳地王大廈81層320米，其高寬比為8.8，均超過規范規定的“限值”。

（2）鋼結構層間變形限制問題。我國現行規范中對高層鋼結構抗風的層間變形限值為層高的1/400；抗震小震的層間變形限值為層高的1/250-1/300。很多鋼結構實際計算層間很難滿足規范的要求。國外高層鋼結構建筑一般對層間位移角（剪切變形角）加以限制，主要是考慮非結構構件的損壞，它不包括建筑物整體彎曲產生的水平位移，數值較寬松。

2.4抗火設計

目前規范基于試驗的抗火設計方法存在以下缺陷：實驗中的標準溫度升曲線與火災情況不同；構件在結構中的受力也很難通過實驗模擬，實際構件受力各不同，實驗難以概全；未能考慮溫度應力及變形影響，未能考慮高溫下結構內力重分布的影響；未能考慮各構件相互作用的影響，即結構某一構件達到極限狀態并不意味著整體結構達到極限狀態。應加快基于構件計算的抗火設計方法的研究，這種方法以高溫下構件的承載力狀態為耐火極限進行判斷，考慮溫度內力的影響。理論研究以有限元法為主，基本上能考慮任意荷載形式和端部約束狀態的影響。

3鋼結構設計建議

3.1鋼結構選型方面

應根據鋼結構不同的特點考慮結構選型。高層鋼結構設計中，常采用鋼一混凝土組合結構，在地震烈度高或很不規則的高層中，不應單純為了經濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結構體系。在工業廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就應放棄門式剛架而采用網架結構。雪壓較大的地區，屋面曲線應有利于積雪的滑落。降雨量大的地區可以與雪壓較大的地區一樣考慮。當建筑條件允許時，在框架中布置支撐有更好的經濟性；屋面覆蓋跨度較大的鋼結構工程，應選擇懸索或索膜等受拉為主的結構體系。

3.2鋼結構體系方面

鋼結構工程低于6層的，可采用框架一支撐或框架體系，高于6層的采用框架一砼剪力墻或框架支撐體系。

框架柱有H型鋼柱、鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱，在6層以下鋼結構工程中，組合柱要比H型鋼柱型要省鋼。鋼支撐比剪力墻的延性高，在地震等級高時延性高的地震力小，延性差的地震力大，從抗高等級地震的性能來說，鋼支撐比砼剪力墻好。

鋼框架一混凝土剪力墻體系屬混合結構，抗震性方面目前研究還不夠，選用時應慎重。

3.3鋼結構樓板設計

樓板不僅承受豎向荷載并將其傳給框架，還將水平力傳到柱上，因此樓板的強度、承載力和整體性都十分重要。作為鋼結構工程要求，樓板還應考慮隔音要求。目前鋼結構工程上，壓型鋼板組合樓板，現澆樓板以及疊合板加現澆層樓板應用較多，這幾種樓板的整體性都很好。震級較高的震區或重要鋼結構，在柱的設計方面，因考慮在柱子的周邊宜設置鋼箍筋，以免高水平力破壞樓板。

3.4鋼結構節點和支撐構造方面

（1）鋼結構設計中重要的內容是連接節點的設計，應該在結構分析前對節點的形式進行充分思考和確定，按傳力特性不同，節點分剛接，鉸接和半剛接，必須避免最終設計的節點與結構分析模型中使用的形式不完全一致的情況。此外，節點設計還必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序。

（2）焊接：焊縫的尺寸及形式應嚴格遵守規范，選用的焊條應與金屬材質相適應，焊接設計不得任意加大焊縫，焊縫與被連接構件重心應盡量接近。

（3）鋼框架一般采用柱貫通型，較少采用粱貫通型。抗震設計時，鋼框架和鋼支撐框架的梁柱連接應為剛接。工程中常用的方法有兩種：①粱與柱直接連接；②在柱上焊接懸臂短粱，梁與懸臂短粱拼接。梁的拼接位置，應在內力較小的截面處，且在梁端塑性較區段以外。翼緣采用全熔透坡口焊縫連接，腹板可采用摩擦型高強度螺栓連接，或翼緣和腹板均采用高強度螺栓連接。梁拼接的極限受彎承載力應不小于梁的全塑性受彎承載力的1.2倍。梁拼接的極限受剪承載力應不小于粱腹板的屈服受剪承載力。

（4）高層鋼結構工程的框架一支撐體系，框架梁柱應剛性連接。

（5）用外加勁肋和內隔板進行粱與鋼管混凝土柱的剛性連接，但鋼管壁板與隔板或環板的厚度應相互匹配。

（6）為防止管壁開裂，支撐與鋼管混凝土連接，不應將節點板焊在鋼管管壁上。為滿足鋼結構工程的抗震要求，不應在鋼管支撐內灌注混凝土。

4結語

隨著國內經濟突飛猛進地發展，鋼結構在建筑業被越來越廣泛的重視和應用，鋼結構工程在我國將得到前所未有的發展，要認真分析鋼結構工程設計方面的問題，加強理論和實驗研究，總結設計經驗，將相關成果納入國家規范或規程，從而確保我國高層鋼結構工程的安全性和經濟性。