论文部分内容阅读
摘要：本文主要针对钢结构建筑设计中常见的一些问题及对策做了进一步的分析和探讨。
关键词：钢结构；建筑；设计；问题；对策
近年来，钢结构建筑得到广泛应用。在钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体、构件和节点从很大程度上主导着建筑的形体和安全性。本文将基于钢结构建筑的特点就其设计中常见的问题及对策做进一步的分析和探讨。
一、多结构失稳性问题分析及对策
钢结构失稳包括整体失稳和局部失稳。整体失稳是整个构件或框架的稳定性问题，局部失稳是构件内部失稳的控制问题，主要是对构件截面的尺寸控制，如翼缘宽厚比，腹板高厚比。一般情况下，整体失稳多由局部失稳造成，受很多客观因素影响，如荷载变化、钢材的初始缺陷、支承情况的不同等。支撑往往也容易被设计者或施工者所忽视，这也是造成整体失稳的原因之一。
1、钢结构强度与稳定问题分析
强度问题是钢结构或单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的应力问题。
稳定问题与强度问题不同，它主要是外荷载与结构内部抵抗力之间的不稳定平衡状态，属于变形问题。
2、钢结构稳定性设计分析
（1）结构计算简图和实用计算所依据的简图必须相一致。
目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折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得出，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，为了簡化计算，经常需要设定一些假设条件。框架计算简图和实用方法所依据的假定有时会不一致，此时就必须对计算长度系数进行调整，否则会造成结果与实际不符，甚至更严重的后果。
（2）结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求
目前钢结构大多数是按平面体系设计的，如桁架和框架。保证这些平面结构不出现失稳，需要从结构整体布置来解决，设计必要的支撑构件。平面结构构件的平面外稳定必须和结构布置相一致。另外，由平面桁架组成的塔架，基于同样原因，需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。
（3）设计计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合
结构计算和构造设计相符合，一直是大家都注意的问题。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，同时允许在乎面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需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。
二、钢结构构件的抗扭
一般除箱形截面外的钢结构构件抗扭能力较弱，因此，实际工程设计中，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。目前一些厂房楼层结构中采用了大量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。如钢梁上翼缘密铺楼盖或现浇楼板，可以阻止梁上翼缘的受扭。
三、围护结构中檩条的设计
对檩条的设计，应按有规程和条文要求进行平面内外强度、稳定、变形等计算。
实际设计中，对檩条平面外计算长度起决定作用的拉条、斜拉条、撑杆的如何布置概念较为模糊，特别是斜拉条如何设置、在何处设置撑杆存在问题较多。如将斜拉条上端固定在柔性檩条上，且最上端两根檩条间拉条仍设置为柔性拉条，这对于对称屋面的檩条布置是有条件的，就是屋脊处两边的两根檩条必须连在一起，考虑两侧檩条的拉力平衡；但对于不对称的屋面来说，由于两侧拉力不平衡，无论从受力还是传力角度来说都是错误的。
在实际工程设计中有些设计者对中间墙面或屋面如门窗洞口、屋面风机开孔处、屋面天窗（采光窗）等处，经常只设拉条，而漏设斜拉条和撑杆等，根本无法将拉条上的拉力传至承重结构上，其根本原因是对拉条、斜拉条、撑杆的传力作用及途径不清楚，从而给围护结构的设计带来安全隐患。
四、多高层房屋钢结构节点连接设计问题
常用的一般建筑钢结构，都是由若干由加工厂加工好的竖杆、水平杆或斜杆在工地用焊缝或螺栓拼装成抗侧力的框架、或框架支撑结构。这些由杆件组装成的结构，之所以能承担一定的竖向荷载和水平荷载，靠的就是各杆件之间的节点将这些杆件用各种不同的连接方式和连接件将它们连接成为一个非机动构架。这种由若干杆件系统组成的构架，在外荷载作用下，一旦节点发生破坏，整个结构就会成为机动构架而失去承载能力。节点连接直接影响到结构承载力的可靠性和安全性，因此，在多层和高层钢结构房屋抗震设计工作中，应重视连接节点设计。
在目前多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点设计时，分两个阶段进行。一是，当遭遇多遇地震作用（小震）时，采用表达式，即抗震规范公式（5.4.2）。二是，当遭遇超过多遇地震（小震）作用至基本烈度（中震）设防，或遭遇罕遇地震作用（大震）时，规范还要求用公式即《高钢规》公式（8.1.3-1）进行连接的极限承载力验算。
但是，在执行上述规范时，不同的设计人员，很可能在相同设计条件下设计出三种承载力相差非常悬殊的连接作法，这三种不同的作法是：
一是，当按设计表达式计算时，完全按组合内力来设计节点连接。
二是，组合内力只是作为检验构件截面的依据。但在塑性区的节点连接设计时，是取高于构件的最大承载力设计值作为节点的作用力来对节点连接进行设计与验算。
三是，完全抛开以上两种设计方法，而是完全按照公式来进行连接的极限承载力计算。
以上三种截然不同的设计方法，将直接影响到设计的节点是否满足“强节点弱杆杆”的抗震要求。是否能实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”设计目标的根本问题。但从实际工程验证来看，第一种是错误的。而第三种设计理念虽然可取，但式中的有关系数和强度取值有问题，很不安全。只有第二种设计方法才是比较稳妥、正确的。当结构构件截面决定之后，只要是在塑性区段，就应改用以构件的承载力来进行连接设计。如对于框架结构中的梁柱刚性连接节点，就应使梁端焊缝的抗弯承载力设计值不得小于框架梁抗弯承载力设计值的1.2倍。即，其实这就是取“组合内力设计法”中，当抗震框架梁的地震组合内力设计值正好等于时的结果。也就是抗震框架梁的应力R1正好为时的结果。从而这就必须要采用“加强型”节点作法，才能实现这一计算要求。
从理论上讲，在梁柱的连接节点中，要是连接焊缝真正做到了与被连接构件的等强连接而又无瑕疵和缺陷的话，是不需要采取任何加强措施的。但事实上由于在梁端的焊缝连接处存在诸多不利因素，如焊接工艺孔对梁腹板截面的削弱；热影响区产生的残余应力的不利因素；以及梁截面在形成塑性铰时，由于有的钢材屈服强度偏高而加大连接受力的不利因素等等。所以在规范的强制性条文中分别将焊缝的取0.9，将梁的取0.75。使焊缝连接的承载力应不小于构件承载力设计值的1.2倍。此处的1.2，可视为连接的加强系数。该系数正体现了强连接弱杆件的抗震设计原则。以保证当框架梁的端部出现塑性铰时，梁端的连接基本还处于弹性状态。确保框架梁在经受从小震到大震的全过程中节点不致发生破坏，使结构的整体性自始至终得到保证。
参考文献：
[1]周志敏.浅谈现代钢结构建筑的设计[J].内蒙古煤炭经济，2013，（5）：1-2，4.DOI：10.3969/j.issn.1008-0155.2013.05.001.
[2]陈崇冈.大跨钢结构建筑的设计[J].科技传播，2013，（12）：39-40.
[3]梅庭玉，舒昌林.建筑钢结构及其稳定性设计[J].煤炭技术，2010，29（12）：116-118.
关键词：钢结构；建筑；设计；问题；对策
近年来，钢结构建筑得到广泛应用。在钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体、构件和节点从很大程度上主导着建筑的形体和安全性。本文将基于钢结构建筑的特点就其设计中常见的问题及对策做进一步的分析和探讨。
一、多结构失稳性问题分析及对策
钢结构失稳包括整体失稳和局部失稳。整体失稳是整个构件或框架的稳定性问题，局部失稳是构件内部失稳的控制问题，主要是对构件截面的尺寸控制，如翼缘宽厚比，腹板高厚比。一般情况下，整体失稳多由局部失稳造成，受很多客观因素影响，如荷载变化、钢材的初始缺陷、支承情况的不同等。支撑往往也容易被设计者或施工者所忽视，这也是造成整体失稳的原因之一。
1、钢结构强度与稳定问题分析
强度问题是钢结构或单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的应力问题。
稳定问题与强度问题不同，它主要是外荷载与结构内部抵抗力之间的不稳定平衡状态，属于变形问题。
2、钢结构稳定性设计分析
（1）结构计算简图和实用计算所依据的简图必须相一致。
目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折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得出，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，为了簡化计算，经常需要设定一些假设条件。框架计算简图和实用方法所依据的假定有时会不一致，此时就必须对计算长度系数进行调整，否则会造成结果与实际不符，甚至更严重的后果。
（2）结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求
目前钢结构大多数是按平面体系设计的，如桁架和框架。保证这些平面结构不出现失稳，需要从结构整体布置来解决，设计必要的支撑构件。平面结构构件的平面外稳定必须和结构布置相一致。另外，由平面桁架组成的塔架，基于同样原因，需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。
（3）设计计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合
结构计算和构造设计相符合，一直是大家都注意的问题。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，同时允许在乎面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需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。
二、钢结构构件的抗扭
一般除箱形截面外的钢结构构件抗扭能力较弱，因此，实际工程设计中，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。目前一些厂房楼层结构中采用了大量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。如钢梁上翼缘密铺楼盖或现浇楼板，可以阻止梁上翼缘的受扭。
三、围护结构中檩条的设计
对檩条的设计，应按有规程和条文要求进行平面内外强度、稳定、变形等计算。
实际设计中，对檩条平面外计算长度起决定作用的拉条、斜拉条、撑杆的如何布置概念较为模糊，特别是斜拉条如何设置、在何处设置撑杆存在问题较多。如将斜拉条上端固定在柔性檩条上，且最上端两根檩条间拉条仍设置为柔性拉条，这对于对称屋面的檩条布置是有条件的，就是屋脊处两边的两根檩条必须连在一起，考虑两侧檩条的拉力平衡；但对于不对称的屋面来说，由于两侧拉力不平衡，无论从受力还是传力角度来说都是错误的。
在实际工程设计中有些设计者对中间墙面或屋面如门窗洞口、屋面风机开孔处、屋面天窗（采光窗）等处，经常只设拉条，而漏设斜拉条和撑杆等，根本无法将拉条上的拉力传至承重结构上，其根本原因是对拉条、斜拉条、撑杆的传力作用及途径不清楚，从而给围护结构的设计带来安全隐患。
四、多高层房屋钢结构节点连接设计问题
常用的一般建筑钢结构，都是由若干由加工厂加工好的竖杆、水平杆或斜杆在工地用焊缝或螺栓拼装成抗侧力的框架、或框架支撑结构。这些由杆件组装成的结构，之所以能承担一定的竖向荷载和水平荷载，靠的就是各杆件之间的节点将这些杆件用各种不同的连接方式和连接件将它们连接成为一个非机动构架。这种由若干杆件系统组成的构架，在外荷载作用下，一旦节点发生破坏，整个结构就会成为机动构架而失去承载能力。节点连接直接影响到结构承载力的可靠性和安全性，因此，在多层和高层钢结构房屋抗震设计工作中，应重视连接节点设计。
在目前多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点设计时，分两个阶段进行。一是，当遭遇多遇地震作用（小震）时，采用表达式，即抗震规范公式（5.4.2）。二是，当遭遇超过多遇地震（小震）作用至基本烈度（中震）设防，或遭遇罕遇地震作用（大震）时，规范还要求用公式即《高钢规》公式（8.1.3-1）进行连接的极限承载力验算。
但是，在执行上述规范时，不同的设计人员，很可能在相同设计条件下设计出三种承载力相差非常悬殊的连接作法，这三种不同的作法是：
一是，当按设计表达式计算时，完全按组合内力来设计节点连接。
二是，组合内力只是作为检验构件截面的依据。但在塑性区的节点连接设计时，是取高于构件的最大承载力设计值作为节点的作用力来对节点连接进行设计与验算。
三是，完全抛开以上两种设计方法，而是完全按照公式来进行连接的极限承载力计算。
以上三种截然不同的设计方法，将直接影响到设计的节点是否满足“强节点弱杆杆”的抗震要求。是否能实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”设计目标的根本问题。但从实际工程验证来看，第一种是错误的。而第三种设计理念虽然可取，但式中的有关系数和强度取值有问题，很不安全。只有第二种设计方法才是比较稳妥、正确的。当结构构件截面决定之后，只要是在塑性区段，就应改用以构件的承载力来进行连接设计。如对于框架结构中的梁柱刚性连接节点，就应使梁端焊缝的抗弯承载力设计值不得小于框架梁抗弯承载力设计值的1.2倍。即，其实这就是取“组合内力设计法”中，当抗震框架梁的地震组合内力设计值正好等于时的结果。也就是抗震框架梁的应力R1正好为时的结果。从而这就必须要采用“加强型”节点作法，才能实现这一计算要求。
从理论上讲，在梁柱的连接节点中，要是连接焊缝真正做到了与被连接构件的等强连接而又无瑕疵和缺陷的话，是不需要采取任何加强措施的。但事实上由于在梁端的焊缝连接处存在诸多不利因素，如焊接工艺孔对梁腹板截面的削弱；热影响区产生的残余应力的不利因素；以及梁截面在形成塑性铰时，由于有的钢材屈服强度偏高而加大连接受力的不利因素等等。所以在规范的强制性条文中分别将焊缝的取0.9，将梁的取0.75。使焊缝连接的承载力应不小于构件承载力设计值的1.2倍。此处的1.2，可视为连接的加强系数。该系数正体现了强连接弱杆件的抗震设计原则。以保证当框架梁的端部出现塑性铰时，梁端的连接基本还处于弹性状态。确保框架梁在经受从小震到大震的全过程中节点不致发生破坏，使结构的整体性自始至终得到保证。
参考文献：
[1]周志敏.浅谈现代钢结构建筑的设计[J].内蒙古煤炭经济，2013，（5）：1-2，4.DOI：10.3969/j.issn.1008-0155.2013.05.001.
[2]陈崇冈.大跨钢结构建筑的设计[J].科技传播，2013，（12）：39-40.
[3]梅庭玉，舒昌林.建筑钢结构及其稳定性设计[J].煤炭技术，2010，29（12）：116-118.