基于鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題研究

李耀雄

摘要：鋼結(jié)構(gòu)房屋具有施工方便，造價便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中。由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特殊性質(zhì)，在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須格外重視。本文對鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的常見問題進(jìn)行簡單分析，探討提高鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的策略。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)建筑;房屋結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計;問題策略

一、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐加快，房屋建筑建設(shè)規(guī)模越來越大。鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑在建筑結(jié)構(gòu)類型中占據(jù)較大比例，由于鋼結(jié)構(gòu)特殊性質(zhì)，在開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理開展設(shè)計。

二、鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.結(jié)構(gòu)構(gòu)件用鋼量大

鋼結(jié)構(gòu)房屋柱距、跨度以及高度一般較大，橫梁荷載較大，因此導(dǎo)致構(gòu)件超長、超寬、超重現(xiàn)象，用鋼量一般超過100kg/m2。因為該類房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量較重，相應(yīng)基礎(chǔ)費(fèi)用也較高，同時地震反應(yīng)也較為敏感。

2.軸網(wǎng)布置復(fù)雜，柱距大

柱距一般為12～18 m，往往因功能布局要求，局部需要抽柱，抽柱部位需要增設(shè)托架或托梁，房屋山墻處需要設(shè)置抗風(fēng)桁架。

3.結(jié)構(gòu)整體剛度要求高

因鋼結(jié)構(gòu)對排架變形要求較高，加之橫梁荷載較大，在結(jié)構(gòu)的縱、橫向均應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，以減小整體結(jié)構(gòu)的變形。

4.節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計復(fù)雜

因結(jié)構(gòu)構(gòu)件大、數(shù)量多，節(jié)點(diǎn)設(shè)計應(yīng)考慮構(gòu)件的制造、運(yùn)輸、安裝的安全性和便利性。

三、鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的主要問題

1.設(shè)計方面

根據(jù)大量相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，引起鋼結(jié)構(gòu)事故的主要原因是由于鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而導(dǎo)致的。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型具體分為兩個方面，一方面是局部失穩(wěn)，另一方面則是整體失穩(wěn)。而鋼結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)基本都是由局部失穩(wěn)間接造成的，尤其是當(dāng)受彎部位的尺寸大小超過合理范圍時，就很容易出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。并且，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)常常會受到很多方面因素的影響，其中，最突出的一點(diǎn)問題就是，設(shè)計人員在對建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，并沒有充分考慮到支撐作用的重要性，這也是導(dǎo)致整體失穩(wěn)的常見因素之一。而局部失穩(wěn)具體是指當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的吊裝位置不同時，網(wǎng)架、桁架中的桿件受力性將會發(fā)生改變，近而發(fā)生失穩(wěn)情況?？梢哉f，只要有鋼結(jié)構(gòu)的存在，勢必就會有一定的失穩(wěn)風(fēng)險。所以，無論是設(shè)計者，還是施工人員，都必須告訴重視這一問題，并充分做好一切防范保護(hù)措施，以此來保障建筑工程項目的建設(shè)質(zhì)量。

2.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏科學(xué)穩(wěn)定性設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)因具有自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，另一方面，因其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失的事故案例也層出不斷，而失穩(wěn)破壞的原因通常是結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷所致。鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類：

（1）有平衡分岔的穩(wěn)定問題（分支點(diǎn)失穩(wěn)）。完善直桿軸心受壓時的屈曲和平板中面受壓時的屈曲均屬于這一類。

（2）無平衡分岔的穩(wěn)定問題（極值點(diǎn)失穩(wěn)）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時喪失穩(wěn)定的能力，屬于這一類。

（3）跳躍失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型的穩(wěn)定問題，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

四、鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計策略

1.加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計

（1）構(gòu)件與細(xì)部構(gòu)造穩(wěn)定性計算方法一致

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要使構(gòu)造設(shè)計與結(jié)構(gòu)計算相匹配，以滿足構(gòu)件穩(wěn)定性和設(shè)計結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造的一致性。對傳遞彎矩和不傳遞彎矩的連接節(jié)點(diǎn)，應(yīng)該分別給予足夠的剛度和柔度;對桁架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計也應(yīng)盡量減少桿件偏心等，這些僅僅是設(shè)計構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造。但是，當(dāng)涉及到穩(wěn)定性時，對細(xì)部構(gòu)造就會有其他要求，比如簡支梁就抗彎強(qiáng)度來說，對不動鉸支座的要求只是阻止位移和允許其在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，然而在處理梁整體的穩(wěn)定性時，支座除了要滿足上述要求外，還需要阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，允許梁在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動和梁端截面自動翹曲。

（2）兼顧整體和組成部分穩(wěn)定性的要求

目前，大部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計都是以平面體系為出發(fā)點(diǎn)的，比如桁架設(shè)計和框架設(shè)計等。為了避免出現(xiàn)平面失穩(wěn)問題，需要從鋼結(jié)構(gòu)的整體布局出發(fā)，設(shè)計有針對性的支撐構(gòu)件，也就是說要使平面構(gòu)件的結(jié)構(gòu)布置與平面穩(wěn)定計算保持一致。

（3）計算方法與結(jié)構(gòu)簡圖一致

在設(shè)計單層和多層框架結(jié)構(gòu)時，并不分析框架穩(wěn)定性，而要計算框架柱的穩(wěn)定性。采用這種方法計算框架柱穩(wěn)定性時用到的計算長度系數(shù)，應(yīng)該分析框架整體的穩(wěn)定性，這樣才能使最終框架穩(wěn)定計算等效于柱穩(wěn)定計算。

2.減小不確定性因素影響

不確定性因素對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計造成的影響是難以避免的，但是，可以利用一些方法來減小這種影響，提高鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的可靠性。比如，可以為鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析和設(shè)計，或者從設(shè)計的眾多實(shí)驗中選擇一個較為合理的方案等。

梁—柱理論是當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計中最基礎(chǔ)的理論，也是最重要的理論。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要實(shí)際考察鋼結(jié)構(gòu)工程的場地、材料、設(shè)計方案等相關(guān)事項，合理地運(yùn)用梁—柱理論分析鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件之間的穩(wěn)定性、整體結(jié)構(gòu)和組成部分之間的穩(wěn)定性等，達(dá)到提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性的目的。

預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論體系對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計是極為重要的。建立一套科學(xué)、完善、合理的預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系理論，根據(jù)這個理論體系分析預(yù)張拉結(jié)構(gòu)，最終得出準(zhǔn)確的結(jié)果，這樣能夠確保達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的要求。

3.重視局部與整體之間穩(wěn)定性的關(guān)系

避免采用根據(jù)經(jīng)驗確定局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性之間安全系數(shù)的方法，加強(qiáng)對鋼結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性之間關(guān)系的重視程度。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程的實(shí)際情況，考察現(xiàn)場、材料等相關(guān)因素，科學(xué)地計算出一個較為可靠的安全系數(shù)，減小誤差，提高鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的準(zhǔn)確性。

4.重視主結(jié)構(gòu)用鋼量設(shè)計

主結(jié)構(gòu)主要包括排架柱、屋面梁以及連接節(jié)點(diǎn)等，在總用鋼量中占比較大，直接影響整個結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。為客觀比較不同柱距下的主鋼架用鋼量，控制主要應(yīng)力比差值在0.03以內(nèi)。隨著柱距的加大，剛架數(shù)量隨之減少，單榀剛架所擔(dān)負(fù)的恒活荷載隨柱距的增大而線性增大，雖然單榀剛架用鋼量增大，但小于剛架數(shù)量減小對用鋼量的影響，主結(jié)構(gòu)單位用鋼量（均攤到房屋單位建筑面積的用鋼量）隨著柱距增加而降低，其對用鋼量的影響基本呈線性。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)（含屋面檁條、屋面支撐、墻梁、墻架柱等）的用鋼量隨著柱距的增大，所擔(dān)負(fù)的恒活荷載增大，單位用鋼量也隨之增大，當(dāng)相比橫梁用鋼量的變化曲線要舒緩的多。

隨著柱距的增加主剛架用鋼量與橫梁、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的用鋼量變化趨勢相反，因此結(jié)構(gòu)存在最低用鋼量柱距。因為主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)的鋼材型號與單價不同，總鋼量與柱距關(guān)系曲線的最低點(diǎn)為用鋼量最省的柱距，但不是最優(yōu)柱距。主剛架和橫梁系統(tǒng)在總用鋼量中占據(jù)70%以上，所用材質(zhì)及制作安裝的費(fèi)用也交較維護(hù)系統(tǒng)高，因此通?？梢赃x擇主剛架和橫梁系統(tǒng)的最低用鋼量柱距選為最佳柱距。

5. 設(shè)計過程中就應(yīng)考慮防火災(zāi)

鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)有多種方法，這些方法主要有：鋼結(jié)構(gòu)防火涂料保護(hù)、防火板保護(hù)、混凝土防火保護(hù)、柔性卷材防火保護(hù)、耐火鋼、結(jié)構(gòu)內(nèi)通水冷卻等。選擇鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計時，應(yīng)考慮下列因素：鋼結(jié)構(gòu)所處部位，需防護(hù)的構(gòu)件性質(zhì);鋼結(jié)構(gòu)采取防護(hù)措施后結(jié)構(gòu)增加的重量及占用的空間;防護(hù)材料的可靠性;施工難易程度和經(jīng)濟(jì)性。

五、結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須要結(jié)合工程實(shí)際情況，綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理開展結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須要重視穩(wěn)定性設(shè)計，合理控制用鋼量，確保鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定性，確保工程質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧文杰，齊勇.鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題研究[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2015，（9）：108-108.

[2]李曉英.鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題分析[J].建筑·建材·裝飾，2014，（16）：104-104.

（作者單位：湖北鑫華盛施工圖咨詢有限公司）