时间：2013-11-29 分类：冶金
摘要：随着国家经济水平的不断提高，钢结构房屋越来越多，广泛应用于工业和民用建筑中。笔者通过总结多年的设计心得，对钢结构设计中应注意的要点进行简要的分析和讨论，供设计同行参考。
关键词：冶金评职论文发表,职称论文发表,钢结构,结构设计,要点
在我国钢铁工业快速发展的背景下，钢材产量明显提高，应用钢材作为建筑的主体结构已经成为必然趋势。特别是近年来，国内的用钢政策有了较大的转变，钢材生产也向社会化、商品化、通用化、专业化、标准化的方向发展，为钢结构设计提供了有利的条件。在钢结构设计中，要注重结构受力合理，尽量压低成本，并且保证设计方案新颖性与实用性的有机结合。针对国内钢结构设计的现状，在今后的工作中要加强设计体制、设计理念的改进与完善，并且提高设计人员的专业素质，进而才能保证设计方案的整体质量。
一、建筑钢结构的特点
建筑钢结构与钢筋混凝土结构相比具有以下优点: 一是钢结构可工厂化制作, 减少现场施工的工作量, 施工周期短; 二是由于钢结构自重轻、结构荷载小, 减少了地基处理的工作量和费用; 三是钢结构利于抗震, 给投资方带来较好的经济效益和社会效益; 四是钢结构由于其材料本身的性能好, 强度高, 与钢筋混凝土结构相比结构断面小, 在厂房布置中可以节省一部分空间, 更容易满足工艺灵活布置的要求。
根据现行《钢结构设计规范》GB 50017—2003 的规定, 承重结构应进行承载能力极限和正常使用极限状态的设计。一般设计人员比较注重结构的强度与变形问题, 对结构稳定问题的关注程度远远不够。笔者认为一个成功的钢结构设计必须解决好其稳定设计及构造措施的问题, 且在使用规范过程中还应避免孤立或片面地对规范条文进行理解。
二、建筑钢结构的稳定设计
稳定性是钢结构设计中的一个突出问题, 在各种类型的钢结构设计中, 都会遇到稳定问题。钢结构中的稳定问题也是钢结构设计中亟待解决的主要问题, 一旦出现钢结构的失稳事故, 不但对经济造成严重的损失, 甚至会造成人员的伤亡, 这方面的教训也很多。所以我们在钢结构设计中, 一定要把好这一关。目前, 钢结构中出现的失稳事故大多是由于设计者的经验不足, 对结构及构件的稳定性能不够清楚, 对如何保证结构稳定缺少明确的认识, 造成结构设计中出现不应有的薄弱部位。因此, 在设计中应该明确钢结构稳定的一些基本概念, 才能更好地处理钢结构的稳定问题。
1.强度与稳定的区别
强度问题是一个应力问题。稳定问题则与强度问题不同, 它实质上是一个变形问题。如轴压柱, 由于失稳, 侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩, 因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。
2.钢结构稳定设计的原则
钢结构稳定设计应遵循以下3 项基本原则:
(1)结构整体布置必须考虑整个体系以及各组成部分的稳定性要求。目前, 结构大多数是按照平面体系来设计的, 如桁架、框架都是如此。保证这些平面结构不出现平面失稳, 需要从结构整体布置来考虑, 即必须设置必要的支撑构件。也就是说, 结构构件的平面内和平面外的稳定计算必须和结构布置相一致。
(2)结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致。目前设计单层和多层框架结构时, 经常不进行框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时, 计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数应通过框架整体稳定分析得出, 这样才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而, 实际框架多种多样, 而设计中为了简化计算工作, 需要设定一些典型条件。按照这些假定, 框架各柱的稳定参数及杆件稳定计算的常用方法, 往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的, 设计者必须明确所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
(3)结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合, 使二者具有一致性。结构计算和构造设计相符合, 一直是结构设计中大家都十分关注的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接, 应分别赋予它足够的刚度和柔度, 对桁架节点应尽量减少杆件偏心, 这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是, 当涉及稳定性能时, 构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如, 简支梁就抗弯强度来说, 对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移, 同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了, 支座还必须能够阻止梁绕纵轴扭转, 同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲, 以符合稳定分析所采取的边界条件。
三、建筑钢结构设计要点
1.正确选用钢材与焊缝质量等级
按照国内现行的相关规范要求，在钢结构的设计方案中，应明确标注钢材与焊缝质量等级。在国内现阶段的钢结构设计中，对于焊缝质量等级的要求缺乏明确性，部分项目甚至并没有提及。一般情况下，钢结构建筑使用的钢材要具有屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯试验及硫、磷、碳含量检测合格等特点。在抗震要求较高钢结构建筑的设计时，钢板的厚度应≥40mm，在承受沿板厚方向的较大拉力时，要保证板厚方向的截面收缩率。在钢结构设计中，焊接连接是基本的钢结构连接方法，焊缝质量的优劣直接影响到结构的整体安全，所以，必须根据结构、构件的重要性与受力性能等，合理确定焊缝的质量等级。
2.结构选型
在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是\"概念设计\",它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部构造措施。
在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择，所得结构方案往往易于手算、力学行为清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。结构选型时，应考虑不同结构形式的特点。在工业厂房中，当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50度外不需考虑雪载)，建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，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。
3 结构布置
结构布置是设计中比较难的部分，它既要考虑结构整体刚度大小问题，又要考虑结构整体刚度均匀问题。具体地说，也就是柱子主方向的朝向，支撑、剪力墙设置的位置等。假如不对结构布置做仔细的分析工作，整个结构的抗力有效性、传力途径合理性将得不到充分地发挥，从而使经济性不佳。建议初算后，调整结构柱子主方向及支撑、剪力墙位置时，可以尽量参考结构整体变形图和几个主振型图的情况。实际设计工作中结构布置与建筑使用功能往往是有冲突的。针对有冲突的地方，结构布置作出相应的调整，努力做到在满足建筑使用功能的前提下，让结构布置趋于最合理。
4.结构计算
梁、柱的截面初选时，要考虑构造要求，如翼缘宽厚比、腹板高厚比、构件长细比等。不宜为了一味追求用钢指标，而采用把梁、柱截面高度加大、腹板厚度变薄、翼缘宽度变窄、厚度变薄等措施。如这样做后，将产生负面效应。首先，这将使得梁、柱自身的整体稳定性不易保证(尤其平面外的稳定)。其次，使得运输、施工中都难以保证构件不发生翘曲变形。结构分析中一定要注意结构分别在风荷载作用下、地震作用下的层间位移、顶点位移、自振周期。设计中常常不重视结构的自振周期，有时结构的层间位移、顶点位移都满足规范要求，但自振周期却比较长，这对于建筑物抗震是十分不利的。当建筑物遇到主要为低频的地震波时，地震波对这种周期长、高柔的建筑影响很大。梁、柱变形应该按照规范严格进行控制。当梁跨度很大时，梁变形验算要同时考虑相对变形和绝对变形。
5.节点设计
钢结构节点设计是整个设计中的关键。设计时既要保证节点具有足够的强度和延性，又要使节点构造简洁，便于施工。节点设计中连接螺栓数目的确定，翼缘连接焊缝厚度的确定，相对是比较直观、容易的。而节点域抗剪验算、连接板等计算是常常被忽略，但它们亦是决定节点安全性的重要因素之一。
梁、柱刚性连接设计应注意以下几点:
(1)不能太厚，也不能太薄。太厚了使节点域不能发挥其耗能作用，太薄了将使框架的侧向位移太大。
(2)建议8度3、4类场地和9度时采用梁一柱骨形连接。该法是在距梁端一定距离处，将翼缘两侧做月牙状切削，形成薄弱截面，使强烈地震时梁的塑性铰自柱面外移，从而避免脆性破坏。
(3)当梁腹板与柱采用螺栓连接时，螺栓排数不少于两排。
(4)当梁上翼缘有楼板加强，且施焊条件较好，震害较少时，可不做特殊处理，而应对梁下翼缘的焊接衬板边缘施焊，也可采用割除衬板，然后清根补焊的方法，以达到消除焊接衬板的缺口效应。
钢结构柱脚有外露板式、埋人式和外包混凝土式。埋人式和外包混凝土式柱脚具有较好的抗震能力，强地震区应优先采用。外露板式柱脚的震害说明:地脚锚栓是抗震的薄弱部件，抗震设计中，应充分考虑地震剪力，增强锚栓的抗震强度。
钢结构连接的破坏多是由焊缝质量不好引起的，因此应加强对施工质量的管理和监督。
6.钢结构构件的抗扭
对于一般钢结构构件( 除箱形截面外) , 其抗扭的能力是较弱的, 截面面积完全相同的工字形截面和箱形截面梁, 其扭转常数之比为1∶500,最大扭转剪应力之比近于30∶1。且受扭构件的受力状态复杂, 除因弯矩产生的弯曲正应力、剪应力外, 还要承受因扭转产生的正应力和剪应力,处于这种复杂受力状况的构件支座处理也很困难。因此在实际的工程设计中, 通常是从结构布置上尽量避免使构件受扭, 或采取各种有效的措施阻止其受扭, 若无法避免时宜采用闭合式的箱形截面梁。
目前主要厂房楼层结构中采用了大量的工字形或宽翼缘工字梁, 由于工艺设备、管道等布置的要求, 悬挂在钢梁下翼缘的设备、管道等吊重存在一定的水平力是无法避免的。这就要求在结构设计中采取必要的措施阻止因水平力对结构构件产生的扭矩影响。一般对作用在上翼缘的水平力通常采用密铺楼盖或现浇楼板等将水平力传至框架梁或柱上而消除对结构梁产生的扭矩影响。但当水平力作用在钢梁下翼缘时,梁的实际受力状态变得相对复杂, 一般可分为两种情况, 第一种为钢梁上翼缘无密铺楼盖或现浇楼板, 梁处于双向弯曲且受扭曲状态; 第二种为钢梁上翼缘有密铺楼盖或现浇楼板, 可以阻止梁上翼缘的受扭, 钢梁仅局部受扭。主厂房楼层钢梁实际上多属于第二种情况。笔者在实际工作中利用加劲肋使水平力作用下的受扭得到有效解决。当侧向水平力较大时, 可利用刚性斜撑将水平力传到混凝土楼板后, 再传至承重结构, 此时应对局部的混凝土板受力进行复核, 并考虑是否需要采取加强措施。
7.结构分析软件的选择
现国内钢结构计算软件有不少，如PKPM系列、SAP2000, STAAD/CHINA, 3D3SD, MTS,PS2000等。这些软件按地域分为国内开发和国外开发两种。国内软件的优势在于与规范比较吻合;做一般结构形式简单方便;需要人为干预参数很少;软件操作风格符合工程师的习惯。国外软件的优势在于建模灵活多变;计算中反复调整方便;做异形结构建模方便、计算准确;结构计算分析方法比较多(线性、非线性、P一△);软件后处理中，对结构的变形、应力、动力分析描述的清楚、直观。国外软件通常为通用计算软件，其这一性质决定了软件需要人为干预的成分较多，比如需要人为加地震作用、风荷载、荷载组合。然而事物都有两面性，虽然加人了更多的人为干预成分，但通用性使国外软件不会拘泥于某几种具体的结构形式。由此可见，两种软件各有利弊，就一般的结构而言，两种软件的内力分析结果相差无几，仅仅是按规范对结构进行检验时的结果略有些出人。国内软件中比较好的是PKPM系列，国外软件中比较好的是SAP2000,STAAD/CHINA。
结语
以上内容分别从结构选型、钢结构材质及节点设计等方面简要介绍了钢结构设计的要点，并提出了改善结构设计的一些措施，作为一名技术人员，应该在实践中不断学习，并注重借鉴国内外先进的经验，不断提高自身的专业素养和综合素质，为提高钢结构设计质量做出应有的贡献。
参考文献：
[1]《钢结构设计》张耀春等，高等教育出版社
[2] 《钢结构》魏明钟等，武汉理工大学出版社
[3] 《钢结构设计原理》苏彦江等，中国铁道出版社
[4] 《钢结构设计与计算》宋曼华，柴耗，武人岱,北京:机械工业出版社
[5] 《钢结构》陈绍蕃,北京:中国建筑工业出版社
