史慧

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

1 鋼結(jié)構(gòu)的特性

1.1 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

首先，鋼結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕。衡量質(zhì)量輕重可以通過鋼材的密度與強(qiáng)度的比值來確定。如鋼材（1.7～3.7）×10-4m，鋼筋混凝土18×10-4m，對比得出鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕。在荷載和約束條件都相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的自重比鋼筋混凝土自重小很多。比較跨度和荷載都相同的鋼屋架與鋼筋混凝土屋架，前者比后者輕2/3～3/4左右，若采用更輕的薄壁型鋼，則更輕，比后者輕9/10。結(jié)構(gòu)自重輕不僅可以降低運(yùn)輸費(fèi)，還可以降低吊裝費(fèi)。其次，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化生產(chǎn)程度高，施工工期比較短。鋼構(gòu)件只需要在加工廠大規(guī)模大批量生產(chǎn)，可以機(jī)械化制造。鋼結(jié)構(gòu)采用工廠加工、工地安裝的施工方法。這樣不僅縮短了工期，同時(shí)也可以降低工程造價(jià)，從而可提高經(jīng)濟(jì)效益。再次，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能比較好。在地震中，損壞最輕是鋼結(jié)構(gòu)建筑。這是由于鋼結(jié)構(gòu)自重比較輕和結(jié)構(gòu)體系相對比較柔。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，混凝土建筑容易開裂而粉碎性倒塌。鋼結(jié)構(gòu)建筑則不同，由于其的延展性能可減弱地震對建筑物的破壞力。鋼梁和鋼柱組成的柔性框架足以抵抗8度以上的地震作用，因此廣泛應(yīng)用于在抗震設(shè)防地區(qū)特別是強(qiáng)震區(qū)。然后，鋼結(jié)構(gòu)耐熱性較好。鋼材從常溫到250℃，性能基本不變化，耐熱性較好。最后，鋼結(jié)構(gòu)符合綠色建筑的可持續(xù)發(fā)展的要求。鋼結(jié)構(gòu)能合理利用資源和能源，對環(huán)境的污染較小，是綠色環(huán)保建筑。由于攪拌澆筑混凝土的手工濕作業(yè)，施工現(xiàn)場會產(chǎn)生大量的粉塵和噪聲。鋼結(jié)構(gòu)不需要使用砂石、水泥等散料，可以避免揚(yáng)塵、廢棄物堆積和噪聲污染等問題，也能有效地降低建筑垃圾。鋼結(jié)構(gòu)的材料基本上是鋼材，可以全部回收，符合國家可持續(xù)發(fā)展的要求。在相同規(guī)模的建筑，鋼結(jié)構(gòu)施工中產(chǎn)生有害氣體的排放量，卻只有混凝土結(jié)構(gòu)的65%左右。其施工過程能耗較低，隔熱性能優(yōu)越，在降低住宅碳排量方面具有明顯的優(yōu)勢。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的特點(diǎn)

①鋼結(jié)構(gòu)廠房自重輕，鋼結(jié)構(gòu)自重僅是磚混結(jié)構(gòu)的1/5。鋼結(jié)構(gòu)廠房跨度大，空間大。在合理的結(jié)構(gòu)規(guī)劃下，縱向柱狀鋼結(jié)構(gòu)間距可以達(dá)到20m。

②鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震性好、抗沖擊性好。鋼結(jié)構(gòu)廠房整體剛性好、變形能力強(qiáng)。鋼結(jié)構(gòu)已被公認(rèn)為是抗震設(shè)防地區(qū)特別是強(qiáng)震區(qū)的最合適的結(jié)構(gòu)。

③鋼結(jié)構(gòu)廠房防火性高，防腐蝕性高，密封性高。比如說，鋼結(jié)構(gòu)廠房可用于冷庫、化工廠等。

④鋼結(jié)構(gòu)廠房拆遷方便，可100%回收利用，對環(huán)境的破壞相對較少，是綠色環(huán)保型建筑。

⑤鋼結(jié)構(gòu)廠房制造的工業(yè)化程度較高，可以快速標(biāo)準(zhǔn)流水線安裝。所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均在工廠制作完成，現(xiàn)場只需簡單拼裝可以大大縮短施工周期，一座5000平方米的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，只需40天即可基本安裝完成。

⑥鋼結(jié)構(gòu)占用面積小，使用面積大，鋼結(jié)構(gòu)柱截面面積較混凝土結(jié)構(gòu)柱的截面面積減少1/2左右，有效增加了建筑的使用面積。

⑦鋼結(jié)構(gòu)廠房在使用過程當(dāng)中易于改造，如加固，接高，隔斷等內(nèi)部分割，調(diào)整比較容易，靈活方便。

2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中常見的問題

2.1 設(shè)計(jì)理念

我國目前使用的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)一般分為兩級完成。首先，根據(jù)工業(yè)廠房的使用要求，由專業(yè)的設(shè)計(jì)單位對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。待結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，并符合相關(guān)規(guī)范及使用要求之后，再交由專業(yè)詳圖設(shè)計(jì)單位進(jìn)行二次詳圖設(shè)計(jì)。這個(gè)過程盡管不復(fù)雜，但卻存在著許多問題。最突出的問題就是鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖不能按照規(guī)范完成，圖紙中常出現(xiàn)不明的標(biāo)注，比如焊縫表示方法不符合規(guī)范要求，這使得詳圖設(shè)計(jì)無法完成。另外，由于鋼結(jié)構(gòu)施工單位的施工水平不一樣，同樣的圖紙對節(jié)點(diǎn)連接認(rèn)識不同，就會導(dǎo)致所建造的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的質(zhì)量不一樣，有可能出現(xiàn)豆腐渣工程。因此我們必須嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免由于工程質(zhì)量不合格而造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

2.2 成本造價(jià)

無論對于何種建筑來說，都應(yīng)該考慮其成本問題，因此對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本控制也是非常重要的，但目前的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于成本的重視度不高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)返工現(xiàn)象。在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)過程中，有些設(shè)計(jì)人員只考慮用鋼量的大小，沒考慮實(shí)際鋼構(gòu)件的加工制造、運(yùn)輸及實(shí)際施工難易程度所引起的造價(jià)差距。因此，設(shè)計(jì)人員對成本造價(jià)控制考慮的方面比較少，這有待進(jìn)一步改進(jìn)。

3 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

3.1 荷載設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)的重要前提是荷載設(shè)計(jì)。在鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中必須要保證荷載取值的準(zhǔn)確性，其取值影響著鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房可靠程度。荷載設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮到本鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的實(shí)際使用情況。比如有吊車梁的工業(yè)廠房，荷載設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮動荷載的影響。同時(shí)，荷載設(shè)計(jì)的取值還與廠房周圍氣候有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮環(huán)境氣候的影響。

3.2 柱的設(shè)計(jì)

鋼柱截面包括型鋼截面和組合截面。這兩種截面在鋼結(jié)構(gòu)廠房中的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行選擇，并需要同時(shí)滿足廠房的建設(shè)、工業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)利益三個(gè)方面的需求[1]。型鋼截面受到型鋼種類和型號限制，與受力所需的面積相對應(yīng)的很少，用料較多，但其加工省時(shí)省工，施工成本相對較低。組合截面的截面形狀和尺寸根據(jù)構(gòu)件受力性質(zhì)和受力大小設(shè)計(jì)成合適的截面，鋼材利用充分，節(jié)約鋼材，但增加了加工成本，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，施工成本相對較高。所以在鋼柱設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮各方面因素。

3.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮節(jié)點(diǎn)因素，如果鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，就會造成設(shè)計(jì)出的節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)不符，使得鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在現(xiàn)場無法拼裝。節(jié)點(diǎn)的連接方式對整個(gè)建筑的安全性有著不可忽視的影響，所以一定要根據(jù)結(jié)構(gòu)傳力特點(diǎn)的不同選擇合適的連接方式，一般可以選擇剛接、半剛接和鉸接三種連接方式其中的一種[2]。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮鋼結(jié)構(gòu)連接是采用焊縫連接還是采用螺栓連接。焊縫連接由于不需要附加連接板等零部件，在鋼材上無需開孔，破壞原結(jié)構(gòu)性能，其構(gòu)造簡單，制造方便，生產(chǎn)效率高，密封性能好。但焊接過程中，鋼材受到不均勻高溫和冷卻作用，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形，這樣會影響到鋼結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和使用性能，很容易發(fā)生低溫冷脆現(xiàn)象，焊縫處也可能出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。螺栓連接安裝方便，便于拆卸，但要在鋼件上打螺栓孔，拼裝時(shí)還需要螺栓孔對準(zhǔn)，不僅增加了工作量，螺栓孔還會使構(gòu)件截面削弱，同時(shí)相互螺栓連接的板件還需要互相搭接或者是另外加拼接板連接，比較費(fèi)鋼材。實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)都需要考慮，用哪種連接形式比較經(jīng)濟(jì)。

對于焊接節(jié)點(diǎn)，焊縫的尺寸和形式要符合鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。如焊條的選用應(yīng)低于被連接金屬材料強(qiáng)度，E43對應(yīng)于Q235，E50對應(yīng)于Q345。對于螺栓連接，要根據(jù)普通螺栓和高強(qiáng)螺栓的受力特點(diǎn)，選擇用于合適的部位。如梁柱節(jié)點(diǎn)處要用高強(qiáng)螺栓連接，檁條和梁柱的連接處用普通螺栓。

此外，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)還需要考慮到制造廠的工藝水平、施工場地、現(xiàn)場的環(huán)境和吊裝順序等，盡可能方便施工人員現(xiàn)場安裝。

3.4 防火設(shè)計(jì)

鋼材在溫度達(dá)到300℃以后，強(qiáng)度逐漸下降，在450～650℃時(shí)，強(qiáng)度幾乎喪失，結(jié)構(gòu)失去了承載能力。因此，鋼結(jié)構(gòu)的耐火性很差。鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火設(shè)計(jì)非常重要。鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火的目的是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到規(guī)范規(guī)定極限范圍，防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫發(fā)生結(jié)構(gòu)失效[3]。是根據(jù)火災(zāi)的危險(xiǎn)程度進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，首先要明確確火災(zāi)的危險(xiǎn)程度，并確定其對應(yīng)的防火等級，根據(jù)防火規(guī)范的要求進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。

目前，鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)主要采用截流法和疏導(dǎo)法這兩種方法。截流法的工作原理是指在構(gòu)件表面設(shè)置一層保護(hù)材料，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫會先傳給這層保護(hù)材料，再通過保護(hù)材料傳給構(gòu)件。截流法又可分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法這四種方法。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房常采用噴涂法。噴涂法是在鋼構(gòu)件表面噴涂一層含隔熱材料和化學(xué)助劑的防火涂料，以提高鋼構(gòu)件的耐火等級。這種施工可以不受到鋼構(gòu)件幾何形體限制，施工操作比較方便。

防火設(shè)計(jì)還可以進(jìn)行安全出口和緊急疏散通道的設(shè)計(jì)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)要有安全出口、疏散通道幫助人員逃生。

3.5 防腐設(shè)計(jì)

鋼材易于銹蝕，因此鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)非常重要。鋼材中含有鐵原子，鐵和氧氣在空氣中會生出四氧化三鐵，也就是我們說的磚紅色的鐵銹。鋼材在潮濕的環(huán)境中，特別是在有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中更加容易銹蝕。實(shí)際工程中，我們通常采用油漆或者是鍍鋅來加以保護(hù)鋼構(gòu)件。比如說，在鋼結(jié)構(gòu)的表面涂防腐的材料。由于該材料輸水性好，能夠有效地阻止水蒸氣對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，同時(shí)其電阻性好，還能阻止空氣中的陰離子對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，從而能夠起到很好的防腐蝕效果[4]。需注意合理控制防腐層的厚度，外部以150～200μm為宜，內(nèi)部只需100μm即可[5]。但是在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房使用期間還需要定期維護(hù)。因此，鋼結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用比鋼筋混凝土要高。

油漆或者是鍍鋅的方法不能根本解決鋼材的銹蝕問題，研究一種方法根本解決鋼材的銹蝕問題任重而道遠(yuǎn)?，F(xiàn)在，國內(nèi)外正在研究各種高性能的涂料和不易銹蝕的耐候鋼。如果能研制成功，這樣能解決鋼材的銹蝕問題，可以省去鋼結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用。

3.6 抗震設(shè)計(jì)

考慮鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的安全要求，還需要對鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。我國是一個(gè)地震發(fā)生比較多的國家，因此抗震設(shè)計(jì)非常重要。只有鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房具有良好的防震性能，才有安全保障。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房抗震設(shè)計(jì)主要原則是結(jié)構(gòu)造型簡單化，當(dāng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)可采用防震縫把結(jié)構(gòu)分為幾個(gè)單元。當(dāng)不能采用防震縫時(shí),應(yīng)對薄弱環(huán)節(jié)處采取相應(yīng)加強(qiáng)措施，使廠房在地震作用下具有整體振動的特點(diǎn)[6]。

首先鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該保證結(jié)構(gòu)平面布置的完整和對稱。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房整體布置要質(zhì)量和剛度分布都均勻，盡量使質(zhì)心與剛度中心重合在一起。其次，柱間支撐是鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房主要的減震措施，因此要選用合理的柱間支撐，還要考慮柱間支撐與鋼柱之間的連接。最后還要控制廠房高寬比，從而使減震效果得到保證。

4 結(jié)語

文章結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，介紹了目前鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在設(shè)計(jì)過程中存在的一些常見問題，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。這可以為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考。另外，鋼結(jié)構(gòu)具有粉塵少、噪音低，不污染環(huán)境等特點(diǎn)，其能有效地減少建筑垃圾。由于鋼構(gòu)件可以循環(huán)利用，鋼結(jié)構(gòu)符合可持續(xù)發(fā)展的需要。雖然鋼結(jié)構(gòu)還存在著不少問題，但技術(shù)人員不斷地改進(jìn)并逐漸會解決這些問題，未來鋼結(jié)構(gòu)的使用范圍會越來越廣，鋼結(jié)構(gòu)將越來越受到重視。