钢结构设计中的常见问题分析与应对

李莹 刘蕾

【摘要】随着我国改革开放的不断深入，经济水平不断提高，钢结构发展迅速，广泛应用在工业建筑和民用建筑等各个建筑领域中，本文分析了钢结构设计中的常见问题的原因，探讨了应对措施。

【关键词】钢结构 设计 问题

中图分类号：TU391文献标识码： A

前言

随着建筑物越来越向着大跨度、大空间方向发展，传统的钢筋混凝土结构已不能完全满足建筑结构的多样化，钢结构弥补了混凝土结构的种种不足之处，且受到广泛的重视。

一、钢结构的基本概念

1、钢结构是什么

钢结构是通过特殊工艺（热扎、冷弯或焊接等）方式，将各个铸件连接在一起的一种形式，它具有规模化、产业化、环保性、可回收、强度高等特点综合优势材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。钢结构今后应研究高强度钢材，大大提高其屈服点强度；此外要轧制新品种的型钢，例如H 型钢（又称宽翼缘型钢）和T 形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。

2、钢结构的优势

钢结构住宅与钢筋混凝土住宅，具有显著特点：钢结构住宅建筑具有环保性、可持续发展性；钢结构相比于粘土砖自重轻，抗震性能好；现场施工速度快，有利于文明施工；钢结构配件制作工厂化和机械化程度高，商品化程度高。

二、钢结构的特点

1、结构构件自重轻

钢结构与钢筋混凝土结构相比要轻30%～ 50%，结构构件自重轻，因此相应的基础、地基处理费用也较低。此外，在相同地震烈度下结构的地震反应较小。

2、结构布置灵活

钢材结构组织均匀，而且强度、弹性模量高，可采用大开间布置，使建筑平面能够合理分隔，灵活方便。如单层工业厂房，传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6 m，而钢结构的围护体系可采用金属压型板，所以柱网不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和经济合理的原则考虑。

3、施工周期短

钢结构的主要构件和配件多为工厂制作，易于保证质量，除基础施工外，基本没有湿作业; 构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速，施工周期短。

4、经济效益高

钢结构构件采用先进自动化设备制造，运输方便，因此工程周期短，资金回报快，投资效益相对较高。

三、钢结构设计的常见问题原因分析

1、自主设计能力较差

由于我国钢结构设计行业起步较晚，经验较少，技术较为生疏，所以在一些大型项目上还是主要依赖于国外的设计方案。但是由于地域不同，对建筑环境了解也不近完全，造成许多设计方案不合理，既造成了材料的浪费，而又达不到设计要求。所以要加强自主设计能力的培养和提高。

2、设计方案与实际情况有差距

有些设计人员只顾埋头设计，只照着自己的想法想怎么做就怎么做，不考虑施工难度，并且不去现场考察实际情况，不了解施工情况，理论脱离实际，施工难度增大，造成设计缺陷，不能有效节约资源。设计者有时候过分追求高标准，造成设计过分保守，安全系数过高，但实际情况却用不到那么高，这就造成了各方面资源的浪费。所以说要做好设计师的实事求是的意识培养，既不要冒进超前，也不要封闭保守，要切合实际情况。

3、设计规范法律与当前设计需要逐渐脱节

随着时间不断发展，钢结构设计需要面临许多新的问题，而相关法律法规却停滞不前，不能满足需求，造成了二者的逐步脱节。一旦而这差距过大，就会有钻法规漏洞的情况出现，对设计结果会产生不利影响。所以，在大力发展设计理论技术的时候，相关法规的修改工作也应该做到位，要做到二者保持共同步伐发展，避免脱节。

钢结构设计问题的具体控制措施

1、节点设计

钢结构体系当中, 节点的设计和构件的设计具有同等重要性, 因此必须给予充分的重视。钢结构的节点设计包括梁- 柱节点、梁- 梁节点、柱- 柱节点、柱脚节点、柱帽节点等。设计时应确保节点的安全可靠, 并尽量采用简单、稳定、可靠的施工工艺, 减少或避免现场的焊缝连接。钢节点的形式按传力特性大体可以分为3 类: 铰节点、半刚性节点、刚性节点。刚性、铰接节点的受力性能、施工工艺研究得比较成熟, 因此在工程中取得了广泛的应用。图1中采用的几种梁- 柱节点连接形式。由结构布置分析, 考虑工程实际情况, 在设计时, 多层房屋钢结构柱多采用焊接工字形或箱形截面。由于焊接工字形截面腹板比较薄, 故在此弱轴方向与粱的连接多采用铰接, 而强轴方向则采用刚接形式 。从图中不难发现, 铰节点形式简单, 施工方便, 但它使得梁跨中弯矩加大, 增加用钢量, 不经济; 刚性节点构造复杂, 但其有效地降低了跨中弯矩, 节约了用钢, 有较好的经济效应; 而半刚性节点应用比较少, 主要是其受力特性比较复杂, 往往通过试验来取得较为准确的设计数据。

图1 梁—柱连接节点图

2、卫生间、厨房设计

卫生间和厨房的设计是钢结构设计过程中比较重要的环节。因为钢结构材料的防腐能力相对较弱,而卫生间和厨房是住宅中用水最多的地方, 所以这两处的防水处理十分重要。在其它建筑体系中, 防水有两种方法: 结构防水和材料防水。在钢结构中, 结构防水的效果比较好。正如前文指出, 框架- 核心筒结构体系把卫生间和厨房放在核心筒内, 具有良好的防水性能。对于其它结构体系要根据工程实际情况而定。

4、楼 梯

对其它类型钢结构建筑的楼梯大都采用钢楼梯, 而住宅体系中则基本不用, 原因是钢楼梯的传音效果较好。故钢结构住宅中常常采用混凝土楼梯或者压型钢板混凝土组合楼梯。在设计时要注意楼梯梁的放置位置和处理, 因为通常情况下, 这里会出现梁- 梁连接, 这种连接会使得被连接梁承受集中荷载,这样该梁比较容易发生局部失稳。钢楼梯采用6 mm 钢折板做踏板, 上面浇注混凝土, 踏板两端用L50 × 6 角钢与楼梯梁( 槽钢) 通过M12 螺栓连接。这种做法利用40 mm 混凝土克服了一般钢梯传音强的问题, 同时槽钢上翼缘可以焊接合金楼梯扶手, 施工简便, 值得推广。

图2一种值得推广的楼梯做法

4、楼盖体系

多层房屋钢结构的楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性, 当前较常采用的是在钢梁上铺设压型钢板, 再浇注100 mm 左右的钢筋混凝土板, 即形成压型钢板组合楼板。楼盖梁一般采用简支等高连接, 有时也可做成不等高连接, 如采用压型钢板组合楼板时, 为了便于铺设压型钢板, 主次梁顶面需相差压型钢板厚度, 同时还可以增大建筑净层高。在设计过程中, 要考虑钢梁和楼板的组合作用, 这样会显著提高梁的承载力和整体稳定性, 并有效降低梁高, 节约用钢, 降低工程造价 。压型钢板组合混凝土楼板, 除了按计算( 并满足构造要求) 在钢梁上焊接栓钉外, 为了保证混凝土和压型钢板共同工作, 它们之间应有连接措, 其连接措施可以依靠压型钢板的纵向波槽或依靠压型钢板上的压痕、开的小洞或冲成的不闭合孔眼, 也可以依靠压型钢板上焊接的横向钢筋, 如图3。

图3组合楼板构造措施

结论

随着国内经济突飞猛进地发展，钢结构在建筑业被越来越广泛的重视和应用，钢结构工程在我国将得到前所未有的发展。作为钢结构工程设计人员，面对钢结构建筑的大量涌现，应与时俱进，加强学习有关钢结构工程的专业知识与管理内容，特别对钢结构工程设计方面的一些问题应认真细致的分析，不出现丝毫纰漏，从而确保我国高层钢结构工程的经济性和安全性。

【参考文献】

［1］ 邵大卫． 建筑钢结构设计思路及其规范［J］． 建设科技，2010( 19) : 90．

［2］ 胡珍． 钢结构设计与制作的质量控制［J］． 中华建设，2010( 8) : 64-65．