淺談建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在的問題

劉新其（湖南長沙410000）

淺談建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在的問題

劉新其（湖南長沙410000）

隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)的不斷廣泛運(yùn)用，其中存在各種各樣的設(shè)計(jì)的問題，本文針對這類問題，從建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義與現(xiàn)狀，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題出發(fā)，通過具體的工程實(shí)例分析建筑鋼結(jié)構(gòu)中的一系列問題。

建筑；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

引言

目前，建筑鋼結(jié)構(gòu)漸漸代替了傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)，有力地為建筑行業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。但是建筑鋼結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中，許多問題也漸漸突顯出來，致使建筑鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不得不遭受懷疑。所以，建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員要尤其重視建筑鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的問題，通過理論實(shí)踐解決相關(guān)問題，全面提升建筑鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義與現(xiàn)狀

1.1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的意義

建筑鋼結(jié)構(gòu)，是通過鋼板與熱軋型鋼材的共同施工，所組成的一種以鋼為基礎(chǔ)的骨架結(jié)構(gòu)。如果將其與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)做對比，建筑鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)更具強(qiáng)度和韌性，且內(nèi)部的組織非常嚴(yán)密與均勻。建筑鋼結(jié)構(gòu)具有多種優(yōu)勢，并且在建筑過程中，建造難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他建筑方式。所以建筑鋼結(jié)構(gòu)廣泛用于橋梁建設(shè)、工業(yè)廠房、民用建筑當(dāng)中，例如：法國埃菲爾鐵塔就是世界聞名的鋼結(jié)構(gòu)建筑工程，埃菲爾鐵塔高300m，天線高24m，總高324m，塔身為鋼架鏤空結(jié)構(gòu)，由四條與地面成75°角的、粗大的、帶有混凝土水泥臺基的鐵柱支撐著高聳入云的塔身，鐵柱由水平橫梁連接，除四個腳是用鋼筋水泥之外，全身都用鋼鐵構(gòu)成？在鋼結(jié)構(gòu)的具體使用過程中，還可以很好地實(shí)現(xiàn)環(huán)保，為我國的可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，添磚加瓦。

1.2 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，但是長期的使用也使得其暴露了不少問題，主要可以歸納為以下三點(diǎn)：①防火問題。鋼材的耐火性較差，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時必須重視防火處理，以確保重要聯(lián)接部分安全；②強(qiáng)度問題。鋼材的強(qiáng)度較大，因此其往往截面偏小，鋼結(jié)構(gòu)使用中普遍存在較薄的問題，這反而造成其強(qiáng)度優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮；③工作人員專業(yè)素養(yǎng)問題。對于任何建筑工程而言，設(shè)計(jì)、施工人員的專業(yè)素養(yǎng)均直接影響著其建設(shè)質(zhì)量，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若是存在不規(guī)范等問題，將會直接導(dǎo)致其穩(wěn)定性不達(dá)標(biāo)，存在重大的質(zhì)量、安全隱患。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的主要問題

2.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)問題

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員必須合理選用鋼材、連接材料、焊接材料。但是，當(dāng)前一些設(shè)計(jì)人員缺乏復(fù)雜工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際工作中存在盲目追求高標(biāo)準(zhǔn)的的問題，隨意增加安全等級，結(jié)構(gòu)構(gòu)件不分主次，重要性系數(shù)的取值被不斷加大，桿件“應(yīng)力比”的取值過低；對于焊縫的等級不加以區(qū)分，一律使用一級全熔透焊縫；對于鋼材的等級也不根據(jù)使用條件、部位等進(jìn)行區(qū)分，一律取c級或是d級；不分情況，一味選取高強(qiáng)度420、490MPa的鋼材；對于“焊接殘余應(yīng)力”分布規(guī)律不夠了解，錯誤提出消除“焊接殘余應(yīng)力”，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案不合理。

2.2 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)問題

穩(wěn)定性是現(xiàn)代建筑工程設(shè)計(jì)和施工的基本訴求。設(shè)計(jì)人員工作經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致其不注重構(gòu)件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制，以致于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生失穩(wěn)的問題，直接影響到建筑整體性能。目前，不少新型的建筑材料應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以致于建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度大大增加，穩(wěn)定性控制也相對較難，以致于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程后期出現(xiàn)各種問題。

2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)問題

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時一個重要內(nèi)容，要求設(shè)計(jì)人員結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，綜合分析節(jié)點(diǎn)形式，進(jìn)而對整體結(jié)構(gòu)加以分析。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，普遍存在結(jié)構(gòu)分析模型與設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)不匹配的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)人員要應(yīng)用鉸鏈和剛接形式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，以提升其整體質(zhì)量。不少設(shè)計(jì)單位，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平較低，設(shè)計(jì)人員缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，盲目照搬規(guī)范，套程序，對所設(shè)計(jì)成果心中沒底，僅僅給出“構(gòu)件布置圖”就算完成任務(wù)，且有些布置圖僅僅是一個簡單的單線條圖，對關(guān)鍵的“節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)”不分情況，一律采用“全焊接節(jié)點(diǎn)”/“全鑄鋼節(jié)點(diǎn)”，至于節(jié)點(diǎn)是否安全、構(gòu)造是否合理、是否能做出來心中一概無底，存在嚴(yán)重質(zhì)量隱患。

2.4 防火防腐設(shè)計(jì)問題

鋼結(jié)構(gòu)自身并沒有非常好的抗腐蝕性，當(dāng)其處于有侵蝕性的環(huán)境里，會在很短的時間內(nèi)發(fā)生銹蝕，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)承載力受到影響，甚至是引發(fā)倒塌事故，因此必須重視鋼結(jié)構(gòu)防火防腐設(shè)計(jì)。鋼構(gòu)件在使用涂料進(jìn)行防腐涂裝時，主要分為機(jī)械除銹與手工除銹兩種方式，處理過的鋼材的表面應(yīng)不存在焊疤、焊渣、油污、水、毛刺、灰塵等；鍍鋅構(gòu)件，采取酸洗除銹的方法，要求鋼材表面露出金屬的色澤，不存在污漬與酸液殘留。同時，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求注明防火涂料種類、涂裝層數(shù)和涂層厚度等。

3 工程實(shí)例——以某鋼結(jié)構(gòu)住宅為例

3.1 工程概況

某幢高層鋼結(jié)構(gòu)住宅樓，屬于住宅黃金地段，一共18層，其中地面以上17層，還有一層為地下停車庫，建筑的高度為52.5m，總建筑面積達(dá)6218m2。建筑為一梯二戶式，并有兩臺電梯的常見高層住宅。該高層建筑為鋼框架-混凝土剪力墻混合結(jié)構(gòu)，并采用H型鋼混凝土柱和H型鋼混凝土剪力墻，樓面為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。該工程的內(nèi)外墻體材料為蒸壓加氣混凝土砌塊，外墻厚度為0.2m厚，內(nèi)墻厚度為0.1m，標(biāo)準(zhǔn)砌塊長和高分別為60cm和30cm。

3.2 某工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

某工程的經(jīng)濟(jì)分析，主要對建筑的面積、使用面積的系數(shù)、總用鋼量、鋼筋用量、型鋼用量、混凝土用量、磚塊用量、粘土磚用量、綜合造價九個方面進(jìn)行分析。通過分析，如表1所示。

表1建筑用量表

項(xiàng)目建筑面積（m2）使用面積系數(shù)總用鋼量（kg/m2）鋼筋用量（kg/m2）型鋼用量（kg/m2）混凝土用量磚塊用量綜合造價（元/m2）用量 6218.7683.64% 80.26 45.32 41.94 0.3980.0731271.77

某工程選用的是輕質(zhì)加氣混凝土的砌塊，外墻的保溫工程后，其所有工程的造價是每平方米160元左右，遠(yuǎn)低于選用墻板材料的造價。由此可見，高層鋼結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)越性，但是在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)實(shí)際情況，選用于此相適宜的墻體圍護(hù)材料，充分發(fā)揮其中的配套、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能的作用，并根據(jù)工程需求，因地制宜控制好建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.3 層析結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

對建筑住宅功能層次的分析，可以構(gòu)建層析結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)層次分析法的軟件測評，其分析結(jié)果可以看出，影響住宅性價比的最重要因素有四個，即適用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性。在評價結(jié)果分析中值得建筑業(yè)工作者關(guān)注的是，可持續(xù)性的指標(biāo)已經(jīng)越來越受到重視，例如節(jié)能、環(huán)保、資源效應(yīng)等方面反映了其重要程度甚至超越了長期以來對經(jīng)濟(jì)性的重視。

3.4 結(jié)構(gòu)體系，梁、柱、墻板的選擇

該工程采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于橫向支撐的設(shè)置可以較為方便，但是如此，縱向的支撐基本存在問題，所以協(xié)調(diào)縱橫向的剛度是其中一個關(guān)鍵的方面。由于該工程中無法布置縱向支撐，故僅使用布置橫向來支撐框架。其中為了滿足住戶關(guān)于隱藏柱子的需要，柱子的長邊沿著縱向布置，同樣也可以確保縱向剛度。常用的支撐形式為“X”型和“人”字型，如果是“人”型支撐，需注意以下問題，例如：抗側(cè)剛度偏小，為確保橫梁穩(wěn)定性，則要在交點(diǎn)位置設(shè)置隅撐，這樣會影響建筑物的使用和美觀。尤其在交叉支撐中，水平荷載作用下的2根相交桿件分別承擔(dān)不同的作用，其中一根受拉、另一根受壓，從而發(fā)揮好其中的穩(wěn)定性能。針對上述問題，所以該工程選擇采用“X”型來完成橫向的支撐。

本工程梁與支撐使用的是熱軋H型鋼，柱子使用的是冷彎矩形鋼管，墻板使用的是688型0.8mm鍍鋅壓型鋼板組合樓板，預(yù)制樁基礎(chǔ)。主要鋼構(gòu)件鋼材是Q345B，預(yù)埋件Q235，連接螺栓則是10.9級摩擦型高強(qiáng)度螺栓，普通螺栓、安裝螺栓是C級螺栓4.6級。建筑外墻采用的是250mm厚的ALC加氣混凝土砌塊，分戶墻為200mm厚的加氣混凝土砌塊，戶內(nèi)隔墻為150mm厚的輕鋼龍骨石膏板。所有構(gòu)配件均為工廠加工制作或預(yù)制，現(xiàn)場組裝安裝。

4 結(jié)束語

隨著我國建筑行業(yè)和技術(shù)的飛快發(fā)展，建筑的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有了很好的發(fā)展機(jī)會，但在實(shí)際情況下，鋼結(jié)構(gòu)還是有其中一些問題，所以相關(guān)設(shè)計(jì)者，要針對具體情況，有規(guī)劃、有邏輯地對其進(jìn)行改進(jìn)。此外，設(shè)計(jì)人員還要加強(qiáng)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，不斷更新理論，增進(jìn)設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并將理論與實(shí)踐嚴(yán)密結(jié)合起來，以此來提升建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。在建筑市場的擴(kuò)大之下，設(shè)計(jì)者應(yīng)該更加重視建筑工程中的施工質(zhì)量，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平是建筑工程的施工質(zhì)量的直接考量。

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TU391

A

2095-2066（2016）29-0148-02

2016-9-30

劉新其（1979-），男，工程師，本科，主要從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工工作。