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摘要：科技的不断进步，资源的优势以及需用量的增加，大大推动了我国钢结构行业的迅速发展，本文就钢结构建筑的设计与存在问题进行简要分析。
关键词：钢结构设计；存在问题；分析；防腐；选材
Abstract: the progress of science and technology, resource advantages and the increase of the content of the need, greatly promote the steel structure in the rapid development of the industry, the steel structure building design and the existing problems and analyzes briefly the.
Keywords: steel structure design; Existing problems; Analysis; Corrosion; Select material
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
随着社会经济的不断发展，科技的不断进步，钢结构在高层建筑中的应用越来越广泛。相对于传统的结构材料，它具有性能稳定、抗震性能好、环保、基础造价低、质量轻、强度高等特点，施工时可以在厂房进行加工再到现场装配，在加快施工进度的同时并可以达到装配完整精密度高的要求。作为一种绿色环保建筑，近年来，钢结构住宅已被建设部列为重点推广项目。由于炼钢技术与成型制造工艺日趋发展，这就给运用钢结构工程带来新的生机，工程建设也不断的增加，因此，也就不断完善了钢结构设计的技术以及应对问题的措施。
一、钢结构设计
1、收集资料
钢结构设计过程的前期资料准备工作首先就是要收集环境资料，包括：使用年限内的基本风速、风压和雪压；当地的土壤类别；大气中是否含腐蚀性成分；当地地震基本烈度及建筑物抗震设防烈度及设计基本地震加速度值等等。其次，必须收集规范和标准，目前我国现时实行的是《钢结构设计规范》GB50017-2003。再次，要了解结构设计的习惯做法，例如：坡口焊与刨平顶紧的使用，插入式柱脚和锚栓式柱脚的使用，建筑墙体采用开敞还是封闭等。
2、确定结构体系、柱网
钢结构体系主要由横向结构系统和纵向结构系统组成。横向系统的具体情况根据工艺要求、厂房刚度要求、结构受力情况、材料选用情况等确定。纵向系统一般由柱及其支撑、托架、吊车梁及制动梁或桁架、墙梁等组成。
柱网的确定一般依据工艺要求、经济柱距及跨度、建筑美观等方面。造价主要包括基础费用，钢材用量、制作安装难度及进度等。跨度的确定一般根据工艺的要求。厂房的划分由起重量Q确定，当Q≤20t为轻型厂房；当30t≤Q≤75t为中型厂房；当100t≤Q≤250t为重型厂房；当Q>250t为特重型厂房。根据多年设计经验总结，经济柱距为：重型厂房地基差时宜采用24m，中型厂房地基差时采用18m、15m，轻型厂房采用12m；地基较好时厂房一般宜采用12m、18m柱距。经济柱距的确定还应考虑吊车轨面标高等因素。
3、设计荷载及荷载效应的计算
应考虑的荷载包括：风载，地震荷载，活荷载，吊车荷载。按承载能力极限状态设计钢结构时，还应该考虑荷载组合。荷载的标准值、荷载分项系数、荷载组合值系数、动力荷载的动力系数等应采用现行的国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009中的规定。结构重要性系数γ0应采用现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068中的规定。根据《钢结构设计规范》GB50017中的规定，说明如何计算吊车荷载：作用于每个轮压处的水平力标准值：Hk=αPk，max；Pk，max吊车最大轮压标准值；α：系数，一般软钩吊车α=0.1，抓斗或磁盘吊车α=0.15，硬钩吊车α=0.2。
4、结构构造
钢结构的主材是根据不同钢型号的物理性能确定的，如：屈服强度和抗拉强度。高强螺栓是根據屈服强度、抗拉强度、承剪切能力、抗滑移能力和扭矩值来确定的。
二、钢结构设计中应注意的问题
1、钢结构的腐蚀及防腐
造成钢结构腐蚀的原因很多。首先是环境因素，钢结构长期暴露在相对湿度比较大的环境中，就会产生腐蚀现象，而且环境中的酸、盐等化学物质也会使钢结构的腐蚀加速；其次是由于设计的不合理，例如：钢架和墙体之间应该保留足够的空间，便于维护；还有施工时控制不良，主要是由于涂料质量控制及施工过程涂膜厚度的检查不严格造成腐蚀问题出现。钢结构的腐蚀生锈降低钢结构的强度和承载能力，减少钢结构的使用寿命，一旦由于腐蚀造成钢结构变形、断裂、垮塌就会造成难以挽回的损失，并且钢结构腐蚀影响建筑物的美观。因此，当务之急是做好防腐工作。选择防腐涂料要考虑涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于维修等。防腐蚀年限小于5年为短期防腐蚀、5年至15年为中等防腐蚀、大于15年为长效防腐蚀。室外钢结构宜采用环氧富锌底漆两度、环氧云铁中间漆两度、聚氨酯面漆两度，总漆膜厚度不小于150μm的长效防腐涂料。室内钢结构宜采用铁红醇酸底漆一度、云铁醇酸防锈漆一度、醇酸面漆两度，总漆膜厚度160μm。
2、钢结构稳定问题的分析方法
钢结构的稳定分析，已经由线性理论发展到非线性理论。早期的线性理论分析不能很好的反映材料的特性、缺陷，所得到的临界荷载也大大高于试验荷载。随着非线性理论的发展，目前非线性理论在钢结构稳定分析中得到了广泛的应用。它可以同时考虑材料非线性以及结构变形的影响，还可以计入结构的初始缺陷的影响，让失稳的临界荷载接近于试验结果。尽管如此，钢结构稳定分析也仍然存在一些问题，比如，对于网壳结构，现在一般应用梁—柱单元作为主要计算工具，但梁—柱单元是否能比较确切的反映结构的受力特点，还难有定论。此外，钢结构的结构形式多样化，常常会出现一些新型结构，对这些新型结构的研究也还要不断完善。
钢结构的分析方法都是针对着在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系，稳定计算属于几何非线性问题，采用的是二阶分析方法。稳定计算所给出的不论是屈曲荷载还是极限荷载，都标志着所计算的构件或结构的稳定承载力。稳定问题的计算方法有三种：
（1）平衡法。中性平衡法或静力平衡法，简称平衡法，是求解结构稳定极限荷载的最基本的方法。
（2）能量法。如果结构承受着保守力，可以根据有了变形的结构的受力条件建立总的势能，总的势能是结构的应变能和外力势能两项之和。如果结构处在平衡状态。那么总势能必有驻值。先由总势能对于位移的一阶变分为零，可得到平衡方程，再由平衡方程求解分岔屈曲荷载。按照小变形理论，能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解。
（3）动力法。处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关，当荷载小于稳定的极限荷值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于极限值时，加速度和变形的方向相同，即使干将干扰撤去，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的；临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载，可由结构的振动频率为零的条件解得。
3、钢材及连接材料的选择
钢结构既承受静力荷载又承受动力荷载，必须根据其所受的荷载情况选用适当的钢材，直接承受动力荷载的钢材应具有较高的质量，需要验算疲劳的钢材对综合性能要求更高。承重结构的钢材根据规范宜采用Q345钢、Q390钢和Q420钢。承重结构采用的钢材应保证在抗拉强度、伸长率、屈服强度含量等方面必须符合规定，。对受拉和受弯的钢材应选用较高质量的，防止钢材产生断裂。焊接结构钢材的质量要求应高于同样情况的非焊接结构钢材，应保证含碳、硫、磷的量符合规定。对经常处于或可能处于较低温度下工作的钢结构，尤其是焊接结构，应选用化学成分和力学性能质量较好的钢材。钢材质量等级：Q345钢、Q390钢和Q420钢可分有A、B、C、D、E五级。下表描述了焊接结构和非焊接结构在不同的工作温度下所使用的不同的钢材质量等级。如表1所示。
表1
4、钢材焊接裂缝
焊缝裂纹出现的原因：
(1)厂家的焊接质量较差，同时运输过程中的振动使原始的裂缝加大甚至开裂。为了保证安全，质检人员应该重视这些焊缝、加强对焊缝的检验力度，保持大板梁等长度较大钢结构在吊装运输过程中受力均匀、不发生大的变形，以避免裂缝的出现。
(2)焊接时焊剂焊条潮湿、焊接坡口没有清理，在气体保护焊时，有油污、气体保护不当进入空气，导致气孔的产生，可能引起裂缝。因此在焊接前，要将焊接部位彻底清理干净，在钢结构制作过程中要按照焊接相关规程对钢材进行保管存放，对于存在气孔的部位要引起高度的注意，防止焊接裂缝产生。
三 结语
结构设计在一个良好的工程中至关重要。在结构设计中不能只考虑材料的优点，更要重视材料的缺点。钢结构在工程中有很多优点，并且已经在我国的建筑领域广泛应用，但是它的缺点也是不可忽视的，所以在设计过程中要全面考虑各方面的因素，并具有良好的结构概念，才不会在日后的使用中出现问题。
参考文献
[1《]建筑结构荷载规范》GB50009-2001
[2《]钢结构设计规范》GB50017-2003
[3]建筑结构[M].中国建筑工业出版社.
作者简介：吴春雷硕士工程师南京金宸建筑设计有限公司
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：钢结构设计；存在问题；分析；防腐；选材
Abstract: the progress of science and technology, resource advantages and the increase of the content of the need, greatly promote the steel structure in the rapid development of the industry, the steel structure building design and the existing problems and analyzes briefly the.
Keywords: steel structure design; Existing problems; Analysis; Corrosion; Select material
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
随着社会经济的不断发展，科技的不断进步，钢结构在高层建筑中的应用越来越广泛。相对于传统的结构材料，它具有性能稳定、抗震性能好、环保、基础造价低、质量轻、强度高等特点，施工时可以在厂房进行加工再到现场装配，在加快施工进度的同时并可以达到装配完整精密度高的要求。作为一种绿色环保建筑，近年来，钢结构住宅已被建设部列为重点推广项目。由于炼钢技术与成型制造工艺日趋发展，这就给运用钢结构工程带来新的生机，工程建设也不断的增加，因此，也就不断完善了钢结构设计的技术以及应对问题的措施。
一、钢结构设计
1、收集资料
钢结构设计过程的前期资料准备工作首先就是要收集环境资料，包括：使用年限内的基本风速、风压和雪压；当地的土壤类别；大气中是否含腐蚀性成分；当地地震基本烈度及建筑物抗震设防烈度及设计基本地震加速度值等等。其次，必须收集规范和标准，目前我国现时实行的是《钢结构设计规范》GB50017-2003。再次，要了解结构设计的习惯做法，例如：坡口焊与刨平顶紧的使用，插入式柱脚和锚栓式柱脚的使用，建筑墙体采用开敞还是封闭等。
2、确定结构体系、柱网
钢结构体系主要由横向结构系统和纵向结构系统组成。横向系统的具体情况根据工艺要求、厂房刚度要求、结构受力情况、材料选用情况等确定。纵向系统一般由柱及其支撑、托架、吊车梁及制动梁或桁架、墙梁等组成。
柱网的确定一般依据工艺要求、经济柱距及跨度、建筑美观等方面。造价主要包括基础费用，钢材用量、制作安装难度及进度等。跨度的确定一般根据工艺的要求。厂房的划分由起重量Q确定，当Q≤20t为轻型厂房；当30t≤Q≤75t为中型厂房；当100t≤Q≤250t为重型厂房；当Q>250t为特重型厂房。根据多年设计经验总结，经济柱距为：重型厂房地基差时宜采用24m，中型厂房地基差时采用18m、15m，轻型厂房采用12m；地基较好时厂房一般宜采用12m、18m柱距。经济柱距的确定还应考虑吊车轨面标高等因素。
3、设计荷载及荷载效应的计算
应考虑的荷载包括：风载，地震荷载，活荷载，吊车荷载。按承载能力极限状态设计钢结构时，还应该考虑荷载组合。荷载的标准值、荷载分项系数、荷载组合值系数、动力荷载的动力系数等应采用现行的国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009中的规定。结构重要性系数γ0应采用现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068中的规定。根据《钢结构设计规范》GB50017中的规定，说明如何计算吊车荷载：作用于每个轮压处的水平力标准值：Hk=αPk，max；Pk，max吊车最大轮压标准值；α：系数，一般软钩吊车α=0.1，抓斗或磁盘吊车α=0.15，硬钩吊车α=0.2。
4、结构构造
钢结构的主材是根据不同钢型号的物理性能确定的，如：屈服强度和抗拉强度。高强螺栓是根據屈服强度、抗拉强度、承剪切能力、抗滑移能力和扭矩值来确定的。
二、钢结构设计中应注意的问题
1、钢结构的腐蚀及防腐
造成钢结构腐蚀的原因很多。首先是环境因素，钢结构长期暴露在相对湿度比较大的环境中，就会产生腐蚀现象，而且环境中的酸、盐等化学物质也会使钢结构的腐蚀加速；其次是由于设计的不合理，例如：钢架和墙体之间应该保留足够的空间，便于维护；还有施工时控制不良，主要是由于涂料质量控制及施工过程涂膜厚度的检查不严格造成腐蚀问题出现。钢结构的腐蚀生锈降低钢结构的强度和承载能力，减少钢结构的使用寿命，一旦由于腐蚀造成钢结构变形、断裂、垮塌就会造成难以挽回的损失，并且钢结构腐蚀影响建筑物的美观。因此，当务之急是做好防腐工作。选择防腐涂料要考虑涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于维修等。防腐蚀年限小于5年为短期防腐蚀、5年至15年为中等防腐蚀、大于15年为长效防腐蚀。室外钢结构宜采用环氧富锌底漆两度、环氧云铁中间漆两度、聚氨酯面漆两度，总漆膜厚度不小于150μm的长效防腐涂料。室内钢结构宜采用铁红醇酸底漆一度、云铁醇酸防锈漆一度、醇酸面漆两度，总漆膜厚度160μm。
2、钢结构稳定问题的分析方法
钢结构的稳定分析，已经由线性理论发展到非线性理论。早期的线性理论分析不能很好的反映材料的特性、缺陷，所得到的临界荷载也大大高于试验荷载。随着非线性理论的发展，目前非线性理论在钢结构稳定分析中得到了广泛的应用。它可以同时考虑材料非线性以及结构变形的影响，还可以计入结构的初始缺陷的影响，让失稳的临界荷载接近于试验结果。尽管如此，钢结构稳定分析也仍然存在一些问题，比如，对于网壳结构，现在一般应用梁—柱单元作为主要计算工具，但梁—柱单元是否能比较确切的反映结构的受力特点，还难有定论。此外，钢结构的结构形式多样化，常常会出现一些新型结构，对这些新型结构的研究也还要不断完善。
钢结构的分析方法都是针对着在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系，稳定计算属于几何非线性问题，采用的是二阶分析方法。稳定计算所给出的不论是屈曲荷载还是极限荷载，都标志着所计算的构件或结构的稳定承载力。稳定问题的计算方法有三种：
（1）平衡法。中性平衡法或静力平衡法，简称平衡法，是求解结构稳定极限荷载的最基本的方法。
（2）能量法。如果结构承受着保守力，可以根据有了变形的结构的受力条件建立总的势能，总的势能是结构的应变能和外力势能两项之和。如果结构处在平衡状态。那么总势能必有驻值。先由总势能对于位移的一阶变分为零，可得到平衡方程，再由平衡方程求解分岔屈曲荷载。按照小变形理论，能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解。
（3）动力法。处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关，当荷载小于稳定的极限荷值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于极限值时，加速度和变形的方向相同，即使干将干扰撤去，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的；临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载，可由结构的振动频率为零的条件解得。
3、钢材及连接材料的选择
钢结构既承受静力荷载又承受动力荷载，必须根据其所受的荷载情况选用适当的钢材，直接承受动力荷载的钢材应具有较高的质量，需要验算疲劳的钢材对综合性能要求更高。承重结构的钢材根据规范宜采用Q345钢、Q390钢和Q420钢。承重结构采用的钢材应保证在抗拉强度、伸长率、屈服强度含量等方面必须符合规定，。对受拉和受弯的钢材应选用较高质量的，防止钢材产生断裂。焊接结构钢材的质量要求应高于同样情况的非焊接结构钢材，应保证含碳、硫、磷的量符合规定。对经常处于或可能处于较低温度下工作的钢结构，尤其是焊接结构，应选用化学成分和力学性能质量较好的钢材。钢材质量等级：Q345钢、Q390钢和Q420钢可分有A、B、C、D、E五级。下表描述了焊接结构和非焊接结构在不同的工作温度下所使用的不同的钢材质量等级。如表1所示。
表1
4、钢材焊接裂缝
焊缝裂纹出现的原因：
(1)厂家的焊接质量较差，同时运输过程中的振动使原始的裂缝加大甚至开裂。为了保证安全，质检人员应该重视这些焊缝、加强对焊缝的检验力度，保持大板梁等长度较大钢结构在吊装运输过程中受力均匀、不发生大的变形，以避免裂缝的出现。
(2)焊接时焊剂焊条潮湿、焊接坡口没有清理，在气体保护焊时，有油污、气体保护不当进入空气，导致气孔的产生，可能引起裂缝。因此在焊接前，要将焊接部位彻底清理干净，在钢结构制作过程中要按照焊接相关规程对钢材进行保管存放，对于存在气孔的部位要引起高度的注意，防止焊接裂缝产生。
三 结语
结构设计在一个良好的工程中至关重要。在结构设计中不能只考虑材料的优点，更要重视材料的缺点。钢结构在工程中有很多优点，并且已经在我国的建筑领域广泛应用，但是它的缺点也是不可忽视的，所以在设计过程中要全面考虑各方面的因素，并具有良好的结构概念，才不会在日后的使用中出现问题。
参考文献
[1《]建筑结构荷载规范》GB50009-2001
[2《]钢结构设计规范》GB50017-2003
[3]建筑结构[M].中国建筑工业出版社.
作者简介：吴春雷硕士工程师南京金宸建筑设计有限公司
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。