現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點探究

王益民 運城市建筑設(shè)計研究院

1 前言

伴隨科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，新型技術(shù)設(shè)備逐漸被應(yīng)用于工程建設(shè)中，促使鋼結(jié)構(gòu)取得明顯發(fā)展成效，同時實現(xiàn)了部分大跨度與高難度鋼結(jié)構(gòu)工程項目，在更好服務(wù)社會經(jīng)濟(jì)與日常生活基礎(chǔ)上，促使鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計取得明顯成效。對于鋼結(jié)構(gòu)建筑來講，因其呈現(xiàn)質(zhì)量輕與施工快等特征，使鋼結(jié)構(gòu)建筑具有較強(qiáng)適應(yīng)性，根據(jù)多年工作經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計仍然存在不同問題，需要進(jìn)行深入研究，同時正確掌握其設(shè)計要點，以便于提高整體設(shè)計質(zhì)量。

2 現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)特點

2.1 預(yù)工程化高、成本低

對于鋼結(jié)構(gòu)建筑來講，實現(xiàn)模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)可以促進(jìn)建筑順利建設(shè)，確保建筑具有預(yù)工程化特點，保證不同材料和形狀建筑構(gòu)件均具備較強(qiáng)通用性，以便于實現(xiàn)預(yù)工程化材料加工、安裝的一體化，從而減少建設(shè)成本，同時促進(jìn)工程順利施工。與此同時，此種建筑工期可以縮短至40%以上，有利于房地產(chǎn)的開放商資金周轉(zhuǎn)，確保建筑項目更快投入使用。例如：長沙遠(yuǎn)大集團(tuán)15天建成30層高樓。

2.2 符合超高度與超跨度需求

因為鋼材組織比較均勻，強(qiáng)度較高，存在較高彈性模量，密度和強(qiáng)度比值低于磚石與混凝土等特點，在相同受力作用下，鋼結(jié)構(gòu)的自重小，可以作為跨度較大、高度高結(jié)構(gòu)[1]。目前，此類建筑已經(jīng)成為比較標(biāo)志建筑，例如：20世紀(jì)70年代建成的上海體育館，圓形平面，直徑110m，鋼平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。我國目前以鋼索及膜材做成的結(jié)構(gòu)最大跨度已達(dá)到320m。

2.3 原材料的循環(huán)使用

其一，鋼結(jié)構(gòu)建筑選擇全封閉式的保溫防潮系統(tǒng)，因溫度變化較小與熱損失低，無論冬夏，可以保證居住環(huán)境的舒適性。當(dāng)室外溫度達(dá)到0℃，室內(nèi)仍然維持17℃以上；如果室外溫度為30℃，室內(nèi)溫度仍然維持21℃左右。其二，和磚混結(jié)構(gòu)建筑比較，鋼結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能效果理想，約超過60%，對于冬夏季的空調(diào)設(shè)備使用，可以節(jié)約耗電超過30%，對于結(jié)構(gòu)廢舊使用率達(dá)到100%。和磚混結(jié)構(gòu)對比，相同樓層凈高標(biāo)準(zhǔn)下，對于鋼結(jié)構(gòu)的維護(hù)墻體較小，可以節(jié)約空調(diào)能源，降低維護(hù)費用。

3 現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程，穩(wěn)定性屬于比較突出問題，對于不同類型鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計，均會面臨不同程度穩(wěn)定問題，是設(shè)計工作中比較急需解決問題，如果發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故，除了會發(fā)生嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失之外，還會造成人員傷亡，相關(guān)案例較多。現(xiàn)階段，總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故發(fā)現(xiàn)，其主要是因為設(shè)計人員經(jīng)驗不足造成，未掌握結(jié)構(gòu)和構(gòu)件穩(wěn)定性，缺少結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性正確了解，均會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計出現(xiàn)薄弱部位[2]。對此，整個設(shè)計過程，需要確定鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性理念，以便于解決其設(shè)計問題，總結(jié)其設(shè)計原則主要包括以下幾點：第一，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該考慮其整體性與穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)主要是根據(jù)平面體系設(shè)計，例如：框架和桁架，避免平面結(jié)構(gòu)發(fā)生平面失衡情況，以結(jié)構(gòu)整體考慮，需要設(shè)置支撐構(gòu)件，換而言之，計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定性，需要與結(jié)構(gòu)布置維持一致。第二，細(xì)部構(gòu)造與構(gòu)件穩(wěn)定計算應(yīng)該相互配合進(jìn)行，保證兩者一致性。對于結(jié)構(gòu)計算、構(gòu)造設(shè)計，通常屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計比較關(guān)注話題。對于不傳遞、傳遞彎矩節(jié)點連接，需要其具有較強(qiáng)剛度、柔度，對于桁架節(jié)點需要盡可能避免桿件偏心，均屬于設(shè)計人員加強(qiáng)構(gòu)造細(xì)部考慮內(nèi)容，然而，考慮穩(wěn)定性能，構(gòu)造上通常會提出不同強(qiáng)度需求，如簡支梁的抗彎強(qiáng)度，對于不動鉸支座，阻止位移屬于其基本要求，但允許平面轉(zhuǎn)動[3]。

4 現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

4.1 科學(xué)選擇鋼材

根據(jù)國內(nèi)規(guī)范要求可知，對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，需要確定標(biāo)注鋼材和焊縫質(zhì)量。我國目前鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在焊縫質(zhì)量等級要求不具有明確性，一些項目甚至未完全提及。通常情況，鋼結(jié)構(gòu)建筑對于鋼材使用，需要符合抗拉強(qiáng)度等相關(guān)施工特征，對于抗震要求偏高的建筑設(shè)計項目，鋼板厚度通常會超過40mm，在對此類鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行設(shè)計時，焊接連接屬于基本鋼結(jié)構(gòu)的連接方法，其焊接質(zhì)量情況會對結(jié)構(gòu)安全性造成直接影響，應(yīng)該嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)和構(gòu)件重要性等進(jìn)行，明確焊縫質(zhì)量等級[4]。

4.2 合理結(jié)構(gòu)選擇

對于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要強(qiáng)調(diào)“概念設(shè)計”，結(jié)構(gòu)選項和布置階段極其重要。針對無法精準(zhǔn)分析、規(guī)范未確定問題，需要按照整體結(jié)構(gòu)和分體系間力學(xué)關(guān)系，考慮震害與試驗現(xiàn)象等設(shè)計理念，以全局角度明確控制結(jié)構(gòu)布置，以實現(xiàn)細(xì)部科學(xué)構(gòu)造。基于此，早期迅速和有效構(gòu)思，對于獲取結(jié)構(gòu)方案比較容易計算，明確力學(xué)行為，預(yù)防結(jié)構(gòu)分析過于繁瑣，同時也是判斷輸出數(shù)據(jù)是否可靠性的重要保障。在結(jié)構(gòu)選型方面，需要考慮結(jié)構(gòu)形式特點，如果建筑屋面覆蓋存在較大跨度，對于懸索、索膜結(jié)構(gòu)選取需要考慮構(gòu)件受拉力。在鋼結(jié)構(gòu)高層建筑設(shè)計時，往往選取鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行；對于地震烈度較高、不規(guī)則高層，嚴(yán)禁單純考慮經(jīng)濟(jì)忽視抗震力等。

4.3 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置

在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計中，結(jié)構(gòu)布置屬于比較難的內(nèi)容，需要考慮其大小問題與均勻問題，即柱子主要方向為朝向，明確支撐與剪力墻的設(shè)置等。如果未分析結(jié)構(gòu)的布置情況，無法發(fā)揮結(jié)構(gòu)抗力，傳力途徑缺少合理性，均會影響其整體經(jīng)濟(jì)性。在初算后，對于結(jié)構(gòu)柱子的主方向和支撐等需要相應(yīng)調(diào)整，盡可能考慮結(jié)構(gòu)變形圖與主振型圖，但在實際設(shè)計中，對于結(jié)構(gòu)布置和建筑使用，通常存在沖突情況，需要調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，在符合使用功能集成上，保證結(jié)構(gòu)布置的科學(xué)性。

4.4 精準(zhǔn)計算結(jié)構(gòu)

在梁、柱截面選擇時，應(yīng)該分析構(gòu)造要求，嚴(yán)禁僅考慮鋼指標(biāo)，需要選擇梁與柱截面的高度增加、厚度變薄相關(guān)措施，此種做法會出現(xiàn)負(fù)面效應(yīng)。目前，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，通常會忽視結(jié)構(gòu)自振周期，部分結(jié)構(gòu)層間位移和頂點位移均符合規(guī)范要求，然而，自振周期偏長，會影響建筑抗震。如果建筑物面臨低頻地震波，對于此種建筑影響偏大，需要根據(jù)要求嚴(yán)格控制梁、柱變形。若梁跨度偏大，關(guān)于梁的變形驗算應(yīng)該分析相對變形、絕對變形等[5]。

4.5 做好節(jié)點設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點設(shè)計時，不僅需要確保節(jié)點強(qiáng)度與延性，而且還應(yīng)該考慮節(jié)點構(gòu)造的簡潔性，以促進(jìn)工程順利施工。在節(jié)點設(shè)計時，明確螺栓數(shù)目，對于翼緣連接的焊縫厚度較為直觀。

在梁、柱鋼性設(shè)計中，需要特別注意：（1）嚴(yán)禁過薄、過厚，如果較厚很難發(fā)揮節(jié)點耗能作用；過薄會導(dǎo)致框架發(fā)生較大側(cè)向位移。（2）在梁腹板和柱方面選擇螺栓進(jìn)行連接，需要控制螺栓排數(shù)，即嚴(yán)禁低于兩排。（3）對于梁上翼緣應(yīng)該進(jìn)行樓板加強(qiáng)，在維持良好施焊條件同時，如果震害較少無需進(jìn)行特殊處理，對于梁下翼緣焊接襯板進(jìn)行焊接，或者選擇割除襯板，再清根補(bǔ)焊，全面消除其焊接襯板缺口效應(yīng)。在鋼結(jié)構(gòu)的柱腳部位存在外露板式與埋入式等，其中埋入式具有較為理想抗震能力，對于強(qiáng)地震區(qū)需要做到優(yōu)先考慮。在鋼結(jié)構(gòu)的連接時，如果發(fā)生破壞，主要是因為焊縫質(zhì)量差導(dǎo)致，應(yīng)該強(qiáng)化施工質(zhì)量監(jiān)管，確保工程建設(shè)質(zhì)量得到提升。

5 結(jié)束語

在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展下，建筑施工項目持續(xù)增多，使鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑逐漸成為綠色環(huán)保型建筑，逐漸成為重點建設(shè)項目。伴隨人們生活水平提升，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要求不斷提升，因此，促進(jìn)新型與輕質(zhì)建材應(yīng)用，可以保證建筑結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計，考慮其經(jīng)濟(jì)、可靠性顯得極其重要，要求工程師不斷提升自身創(chuàng)新能力，以實現(xiàn)綠色與優(yōu)秀鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)。