樊永斌

(上海對外建設(shè)建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海 200070)

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，對各種多層結(jié)構(gòu)房屋提出了更多的美觀、環(huán)保等要求，使得越來越多的房屋設(shè)計(jì)采用鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，作者總結(jié)了一些鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的問題，并探討了一些解決方法和思路。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中首先要考慮的是選用鋼材的型號和種類，其次是構(gòu)件截面的合理選取，這些是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。而合理的柱間支撐布置能夠起到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的經(jīng)濟(jì)性的作用，框架梁柱節(jié)點(diǎn)的考究可以給施工帶來便利。

1 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1.1 材質(zhì)的選用

當(dāng)柱網(wǎng)間距比較小時(shí)，采用普通鋼材Q235-B能達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求。當(dāng)柱網(wǎng)間距比較大，或者樓層荷載比較大時(shí)，采用高強(qiáng)度的Q345-B鋼材。如果采用Q235-B，則鋼梁高度比較高，占用層高比較大，凈高會減小，用到的鋼梁明顯增多。而用高強(qiáng)度的Q345-B鋼材，材料費(fèi)增加很少就可以達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

另一方面，鋼柱、支撐、拉壓桿等構(gòu)件按強(qiáng)度要求選擇構(gòu)件截面后，如果穩(wěn)定性不足或長細(xì)比不足，則構(gòu)件最好不用Q345-B及以上強(qiáng)度的鋼材，增加造價(jià)，不僅沒有效果，反而使構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度更富余，而長細(xì)比更不滿足。如果長細(xì)比較小，穩(wěn)定性比較富余，強(qiáng)度不足，則采用Q345-B鋼材，充分利用高強(qiáng)鋼材的優(yōu)點(diǎn)，一般能取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

1.2 基本材料的選用

鋼結(jié)構(gòu)工程中采用的鋼材種類有開平板(卷板)、中板、型鋼等。開平板比較經(jīng)濟(jì)，在鋼板不太厚的組焊鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，作為腹板和翼緣板也能達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求;但是在由較厚的鋼板或者Q345-B鋼板組焊的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，作為翼緣板和腹板不太好，因?yàn)殚_平板在卷板整平過程中不太容易達(dá)到和型鋼一樣的平整，且整平過程中板材有裂紋內(nèi)應(yīng)力等。在作為細(xì)長受壓桿件時(shí)，比型鋼更容易變形，更易因變形而造成失穩(wěn)破壞，所以較厚的鋼板或者Q345-B鋼板最好不用開平板，用熱軋型鋼。

另外，型鋼和組焊結(jié)構(gòu)構(gòu)件中用的鋼板，材料價(jià)格基本相同，但是組焊結(jié)構(gòu)構(gòu)件組焊加工制作費(fèi)高達(dá)1 500元/t，而型鋼加工制作費(fèi)往往低于1 000元/t。所以，從經(jīng)濟(jì)的角度講，用型鋼比用組焊結(jié)構(gòu)構(gòu)件要好。不過在實(shí)際設(shè)計(jì)中一般要求設(shè)計(jì)者合理選用型鋼規(guī)格，從而避免使用過大截面的型鋼造成浪費(fèi)。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的選取

1)鋼柱:截面形式優(yōu)選寬翼緣熱軋H型鋼，或相近的焊接H型鋼，盡量使鋼柱的雙向強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性相近，使截面達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的截面利用率。雖然箱形截面很容易實(shí)現(xiàn)雙向性能相近，但是構(gòu)件加工制作不太方便。如果建筑平面柱網(wǎng)雙向柱距差別較大，也可以選用中翼緣熱軋H型鋼或相近的焊接H型鋼，雙向性能都使截面的利用率達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。2)鋼梁:截面形式優(yōu)選窄翼緣H型鋼，充分利用鋼梁截面高度對鋼梁抗彎承載能力的顯著效果。另一方面，窄翼緣H型鋼，由于同樣的用鋼量，梁高相對較高，排放螺栓可以減少排放排數(shù)。一般框架梁柱節(jié)點(diǎn)2排螺栓足夠(而中翼緣H型鋼很可能為三排，寬翼緣H型鋼一般在三排，甚至四排);次梁節(jié)點(diǎn)，窄翼緣H型鋼一般為一排(而中翼緣和寬翼緣H型鋼有可能為兩排)，如果考慮樓層凈高的影響，也可采用中翼緣H型鋼。螺栓數(shù)量增多的原因:a.為滿足最大螺栓間距構(gòu)造要求而配置多余計(jì)算要求的螺栓;b.同樣的螺栓數(shù)量，截面高的梁布置的螺栓抗彎承載能力比截面高度小的梁布置的螺栓抗彎承載能力強(qiáng)。螺栓數(shù)量的增多，使連接節(jié)點(diǎn)的連接板尺寸需要增大，板厚也可能增加，而且加工制作和安裝也更費(fèi)工。這些因素均會導(dǎo)致工程造價(jià)的增加。

1.4 柱間支撐

鋼框架結(jié)構(gòu)因鋼柱的剛度小整體位移偏小，如果柱間距比較大，層高比較大時(shí)，一般不能滿足規(guī)范要求的位移角要求，如果通過加大柱截面來減小結(jié)構(gòu)的位移角值，則不太經(jīng)濟(jì)。一般在結(jié)構(gòu)中要布置柱間支撐，可以比較容易滿足規(guī)范要求的位移角，對鋼材用量的增加不大。所以設(shè)置柱間支撐既能比較容易達(dá)到規(guī)范位移角的要求，而且較經(jīng)濟(jì)。由于柱間支撐布置對結(jié)構(gòu)剛度的影響很大，所以要合理的布置柱間支撐，從而滿足適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)整體剛度和剛度布置合理兩方面的要求。要做到以上要求，首先，柱間支撐不能布置太多，使得結(jié)構(gòu)整體剛度過大，從而導(dǎo)致整體地震力也增大及結(jié)構(gòu)整體用鋼量的增加，這樣既不經(jīng)濟(jì)也不實(shí)際。其次，合理布置柱間支撐需要考慮以下幾個(gè)方面:1)不影響建筑功能布置;2)盡量對稱均勻布置;3)沿豎向應(yīng)從底到頂均勻通長布置;4)同一單體內(nèi)最好采用同一柱間支撐類型。還應(yīng)注意的是柱間支撐處受力較大，傳給基礎(chǔ)的受力較大，所以柱間支撐處應(yīng)設(shè)置基礎(chǔ)梁，增大基礎(chǔ)受力較大處的基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性。

1.5 框架梁柱節(jié)點(diǎn)

1)節(jié)點(diǎn)域:柱腹板比較薄時(shí)，梁柱連接節(jié)點(diǎn)域有可能抗剪承載力不夠。a.如果柱截面采用熱軋型鋼，則采用柱節(jié)點(diǎn)域補(bǔ)貼補(bǔ)強(qiáng)鋼板比較方便;如果柱腹板另一側(cè)不與鋼梁連接，則可采用節(jié)點(diǎn)域補(bǔ)加斜向加勁肋板更方便施工。b.如果柱截面采用組合H型鋼，則采用節(jié)點(diǎn)域處腹板直接換為較厚的鋼板更方便施工。

2)為實(shí)現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)塑性鉸外移到梁端部，離梁端一定的距離，則梁端節(jié)點(diǎn)采用加強(qiáng)措施:a.采用加寬梁端部上下翼緣板:常用在鋼梁與鋼柱弱軸方向連接;b.采用梁端上下翼緣補(bǔ)貼加強(qiáng)板:一般用在鋼梁與鋼柱強(qiáng)軸方向連接，制作和安裝比較繁瑣;c.采用梁端腹板加腋:一般用在鋼梁與鋼柱強(qiáng)軸方向連接，制作和安裝比較簡單，但是梁底由于有豎向下凸角，不太美觀。建議采用同截面梁下外加腋制作，更方便。

2 工作經(jīng)驗(yàn)

在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中為滿足建筑美觀的要求，由于鋼結(jié)構(gòu)一般跨度較大，設(shè)計(jì)中往往要考慮頂層大跨度結(jié)構(gòu)或頂層大跨度層的預(yù)留。多層鋼框架結(jié)構(gòu)，如果每層均設(shè)置大跨度大空間，結(jié)構(gòu)的用鋼量會增大許多，而且由于跨度大，梁高也大，凈高會減小。如果把大跨度大空間功能用房移到頂層，這個(gè)問題便可以迎刃而解。

鋼結(jié)構(gòu)材料決定了鋼結(jié)構(gòu)房屋的韌性很好，抗彈性變形能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)自重輕，地震作用小，抗震性能好等等。決定了鋼結(jié)構(gòu)房屋可以采用底部鋼框架結(jié)構(gòu)，頂部為門式剛架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式可以充分利用門式剛架結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)的彈性和抗變形能力，使頂層結(jié)構(gòu)自重很輕巧，地震力很小，用很低的用鋼量達(dá)到大跨度大空間的建筑使用功能的要求，而且凈高也可以很高。

頂層門式剛架經(jīng)濟(jì)性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還好，由于空間的柱網(wǎng)很大，可以滿足建筑功能更大自由的功能分區(qū)的自由分割。由于頂層預(yù)留大跨度結(jié)構(gòu)的附加荷載不是很大，對結(jié)構(gòu)的影響和地基基礎(chǔ)的影響不太大，但是為以后的發(fā)展提供了很大的空間。

所以鋼框架結(jié)構(gòu)，一般最好頂層設(shè)置大跨度空間的門式剛架結(jié)構(gòu)，或頂層預(yù)留大跨度空間結(jié)構(gòu)的荷載和連接部位。

一般來說鋼框架結(jié)構(gòu)的含鋼梁大約在40%～60%，而門式剛架的含鋼梁大約在20%～30%之間。所以在節(jié)約鋼材、節(jié)省造價(jià)方面，會帶來非常顯著的效果。

鋼結(jié)構(gòu)房屋屋面為滿足建筑美觀的要求，同樣需要采用大跨度屋面結(jié)構(gòu)，一般大跨度屋面結(jié)構(gòu)采用以下幾種結(jié)構(gòu)形式:

1)平面桁架、立體桁架、空間桁架結(jié)構(gòu)。

平面桁架:由于平面外強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性較差，整體性較差，主受力方向?yàn)槠矫骅旒芊较颉Ｒ话阌糜诳缍刃∮?0 m，桁架間柱距比較小6 m～9 m，屋頂荷載很小的屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中(一般屋頂均采用輕型屋面板)。

立體桁架:由于平面外強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性較差，整體性較差，主受力方向?yàn)槠矫骅旒芊较?，但是平面外?qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性較平面桁架好一些。一般用在跨度30 m～60 m，桁架間距比較小(6 m～9 m)，屋頂荷載很小的屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中(一般屋頂均采用輕型屋面板)。

空間桁架:由于屋面結(jié)構(gòu)的雙向剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，整體性均較大，為空間整體受力結(jié)構(gòu)，可以在跨度60 m以上的屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用(一般屋頂均采用輕型屋面板)。

2)平板網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)架和網(wǎng)殼為空間受力結(jié)構(gòu)體系，整體性好，一般不在網(wǎng)架和網(wǎng)殼中部開大洞，以免影響網(wǎng)架和網(wǎng)殼的整體剛度，整體性明顯減弱。當(dāng)跨度很小時(shí)，可以采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu);當(dāng)跨度很大時(shí)，可以采用多層網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架一般可以采用周邊支座和點(diǎn)支座。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一般采用周邊支座(如穹頂型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu))。一般屋頂均采用輕型屋面板。

3)懸索結(jié)構(gòu)，弦支穹頂結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu)。

這些類型結(jié)構(gòu)，一般采用在比較復(fù)雜的大跨度結(jié)構(gòu)中，由于比較復(fù)雜，就不在此敘說。異形屋面結(jié)構(gòu)，一般采用立體桁架和空間桁架結(jié)構(gòu)，比較方便實(shí)現(xiàn)異形空間曲線的變化特征。屋面結(jié)構(gòu)中部開大洞，一般采用洞口周邊布置周邊柱來解決剛度和強(qiáng)度突變問題;如果建筑功能不允許在洞口周邊布置周邊柱，則一般跨度較小時(shí)采用平面桁架、跨度較大時(shí)采用立體桁架、跨度很大時(shí)采用空間桁架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)。

實(shí)際工作中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)避免和特殊處理以下一些問題及注意事項(xiàng):

a.鋼梁:最好為直線梁，避免折梁和弧梁，因?yàn)檎哿号c弧梁受扭很容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。如果建筑設(shè)計(jì)要求必須設(shè)置弧梁或折梁，則在直線梁上設(shè)置外伸鋼梁支撐弧梁或折梁，并提供一個(gè)側(cè)向約束，阻止弧梁或折梁扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)破壞。

b.鋼梁節(jié)點(diǎn):次梁與主梁連接，次梁與二級次梁連接處，一般采用鉸接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的現(xiàn)場安裝連接，非混凝土一次整體澆筑成型的特點(diǎn)決定了鋼結(jié)構(gòu)主次梁連接，次梁與二級次梁連接處采用剛接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，施工將非常不便，而且經(jīng)濟(jì)性不明顯，所以，一般采用鉸接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。但是如果為懸挑梁，則必須采用剛接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。如果一根次梁一端與直線型框架梁(次梁)連接，另一端與懸挑弧梁或懸挑折梁連接，則這根次梁與直線型梁連接處，與弧梁或折梁連接處均應(yīng)采用剛接，這樣不僅可以減少懸挑弧梁或弧梁的撓度，可以減少梁的應(yīng)力，也可以減少梁因變形太大，扭轉(zhuǎn)剛度太小且缺少約束而造成的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)破壞。

c.由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度小，翼緣和腹板易發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞，所以鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接一般為中心對齊，避免偏心使本來就比較易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞的構(gòu)件，更加容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞。

d.主體結(jié)構(gòu)中不應(yīng)采用薄壁構(gòu)件，雖然在受力較小的情況下薄壁構(gòu)件按計(jì)算強(qiáng)度和穩(wěn)定也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是其焊接容易造成燒傷母材，焊接缺陷對焊接質(zhì)量的影響比中板鋼構(gòu)件影響大得多，而且薄壁構(gòu)件的防腐要求更嚴(yán)，受銹蝕后構(gòu)件強(qiáng)度下降很明顯，整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的安全性和耐久性較差。所以只有在維護(hù)和更換較方便的次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件中才可采用薄壁構(gòu)件(如屋面檁條、墻梁、幕墻龍骨等)。

最后，還應(yīng)注意的是，實(shí)際工作中鋼結(jié)構(gòu)的最大不足就是容易失穩(wěn)，造成失穩(wěn)破壞。為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和構(gòu)件的局部穩(wěn)定，往往會造成用鋼量的增加。

把鋼構(gòu)件型鋼截面的腹板采用波紋形腹板代替平板型腹板，則可以明顯增大型鋼截面的抗屈曲性能，節(jié)約鋼材。

樓板采用鋼筋桁架樓板代替鋼筋混凝土樓板或組合樓板。與組合樓板相比，可以節(jié)約凈空，樓板底面平整。與鋼筋混凝土樓板相比，可以省去支模板，省去現(xiàn)場綁扎鋼筋占用場地和施工流水時(shí)間，加快施工進(jìn)度，而且鋼筋桁架樓板中的鋼筋桁架為機(jī)械化加工制作，效率高、質(zhì)量可靠。