郭可

（太原市建筑設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030002）

由于國內(nèi)鋼材產(chǎn)量的不斷上漲，人們對于建筑造型及規(guī)模不斷的追求，結(jié)合鋼材自身有很多優(yōu)點(diǎn)，比如延展性好、抗震性能強(qiáng)、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高以及安裝方便等，建筑鋼結(jié)構(gòu)得到越來越廣泛的使用。盡管鋼結(jié)構(gòu)有很好的自身優(yōu)勢，但想要使鋼結(jié)構(gòu)在保證安全的前提下充分發(fā)揮并合理使用并不容易，對于設(shè)計(jì)人員來說，就要對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行掌握。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)概述

1.1 建筑鋼結(jié)構(gòu)

建筑鋼結(jié)構(gòu)和其它建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，其有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要高一些，韌性要好一些，成本也要低一些。目前，國內(nèi)建筑設(shè)計(jì)過程中，鋼結(jié)構(gòu)的占比是每年不斷增漲的，已經(jīng)是建筑物結(jié)構(gòu)形式中最常用的一種。所以，在設(shè)計(jì)過程中，要對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的選用，從穩(wěn)定性、效益性等視角出發(fā)，對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注。

1.2 建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)分類

1.2.1 剛性連接節(jié)點(diǎn)

（1）梁的拼接。通常來說，梁的拼接有兩種：①螺栓連接；②焊接連接，從剛度上來看，前者比后者要小一些，然而前者的制作簡單，質(zhì)量能夠得到保證，在現(xiàn)場拼接時(shí)使用這一方式。后者的剛度要大一些，一般在工廠拼接時(shí)使用。

（2）梁與柱的連接。一般來說，柱與梁的連接使用的是端板連接。就是連接時(shí)利用2個(gè)建筑構(gòu)件間的端板來完成，它通常在低層、高層框架結(jié)構(gòu)中使用，其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量好、抗震，不用在現(xiàn)場焊接。

（3）柱和柱的連接。一般來說，結(jié)合柱截面的變化情況，它有兩種連接：①變截面柱拼接；②等截面柱拼接。通常來說，柱和柱的連接使用第二種方式。

1.2.2 半剛性連接節(jié)點(diǎn)

對于半剛性連接節(jié)點(diǎn)來說，使節(jié)點(diǎn)的承載能力與連接的建筑構(gòu)件的承載能力進(jìn)行比較，前者要大一些。然而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，半剛性連接節(jié)點(diǎn)是不進(jìn)行應(yīng)用的，這是由于這種方式和建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)之間關(guān)系，會(huì)使得構(gòu)件的彈性剛度與連接節(jié)點(diǎn)的彈性剛度相比，前者要大一些。

1.2.3 鉸接連接節(jié)點(diǎn)

主梁和次梁的連接。大多是以簡支連接為主，然而倘若建筑要求高一些，可以將剛性連接進(jìn)行使用，此方式要復(fù)雜一些，然而次梁不需要進(jìn)行翼緣處理，所以，這種連接方式受到設(shè)計(jì)人員的喜愛。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

（1）除疲勞強(qiáng)度計(jì)算使用容許應(yīng)力法，其它的設(shè)計(jì)計(jì)算使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行，其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是概率論。

（2）全部的承載結(jié)構(gòu)要結(jié)合兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，一個(gè)是承載能力極限狀態(tài)，另一個(gè)是正常使用極限狀態(tài)。

（3）設(shè)計(jì)過程中要結(jié)合不同建筑特點(diǎn)，來對安全等級要求進(jìn)行考慮，同時(shí)利用相關(guān)系數(shù)，將其在荷載效應(yīng)計(jì)算進(jìn)行體現(xiàn)。

（4）在結(jié)合承載能力極限狀態(tài)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接過程中，通常來說，要以適用條件為依托，考慮載荷效應(yīng)的基本組合。

（5）在正常使用極限狀態(tài)時(shí)，要結(jié)合設(shè)計(jì)要求的不同，將不同的荷載組合進(jìn)行應(yīng)用。

（6）疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算過程中，要將容許應(yīng)力法進(jìn)行應(yīng)用。

（7）選擇鋼材時(shí)，要結(jié)合結(jié)構(gòu)的受荷載情況、環(huán)境位置以及工藝等。

（8）鋼鐘選擇時(shí)，要對一系列指標(biāo)進(jìn)行關(guān)注，比如抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)以及碳含量等。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的選型

現(xiàn)階段，建筑鋼結(jié)構(gòu)的類型有六類：①塔桅；②桁架；③索膜；④框架；⑤網(wǎng)架網(wǎng)殼；⑥輕鋼。在選擇類型的過程中，要結(jié)合建筑工程的具體施工情況而定。例如，對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)來說，通常建筑物的跨度大、荷載輕時(shí)進(jìn)行使用。對于巨型SRC柱以及鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)來說，主要在建筑物的抗震條件較高時(shí)進(jìn)行應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要掌握當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r，倘若在冬季，要結(jié)合雪對建筑物的荷載，使建筑的屋頂載荷和重力墜落曲線與要求相一致。對于跨度大一些的建筑工程，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要對建筑物的拉索、支撐物的設(shè)置進(jìn)行考慮，使建筑物坍塌得以避免。不僅如此，鋼結(jié)構(gòu)選型過程中，還要對受力路線的清晰性進(jìn)行結(jié)合，使受力分布均勻得以保證。

2.2 對鋼結(jié)構(gòu)的變形限值進(jìn)行考慮

通常來說，倘若無抗側(cè)力結(jié)構(gòu)時(shí)，使用純鋼結(jié)構(gòu)，必須考慮兩個(gè)方面的內(nèi)容：①在地震條件下，要使頂點(diǎn)位移在1/300得以保證，同時(shí)層間位移1/1250也要確保；②倘若在風(fēng)力條件下，要使頂點(diǎn)位移在1/500得以保證，層間位移在1/400得到保證。鋼結(jié)構(gòu)的撓度變形也是重點(diǎn)設(shè)計(jì)考慮因素，大的變形除了讓人產(chǎn)生不舒適的感覺以外，還會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)從而破壞，因此各類鋼結(jié)構(gòu)形式要嚴(yán)格控制好結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的撓度變形。

2.3 選擇結(jié)構(gòu)體系

倘若建筑層數(shù)不足6層的話，可以將框架體系進(jìn)行選擇，對于建筑層數(shù)高于6層時(shí)，可以將框架——混凝土剪力墻支撐體系進(jìn)行選擇，也可以將框架支撐體系進(jìn)行應(yīng)用。一般來說，建筑物的層數(shù)高一些，都會(huì)將雙重結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行應(yīng)用?，F(xiàn)階段，框架柱的類型有三種：①鋼骨混凝土柱；②H型鋼柱；③鋼骨混凝土柱以及鋼管混凝土柱，其中第三種是組合型的，但是這種組合柱通常對于規(guī)模不大的多層、高層建筑特別適合，能夠使材料的使用減少，從而使利潤增加。在地震出現(xiàn)時(shí)，延展性好一些，地震力就要大一些，相反，地震力就要小一些。因?yàn)榧袅Φ难诱剐耘c鋼支撐進(jìn)行比較，前者低一些，所以從抗震性來看，鋼支撐結(jié)構(gòu)要好一些。在實(shí)際使用時(shí)，要結(jié)合建筑特點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行選擇。

2.4 控制鋼結(jié)構(gòu)截面

在鋼結(jié)構(gòu)的類型、體系選擇完成時(shí)，要對建筑物的構(gòu)件截面進(jìn)行估算，主要根據(jù)荷載、軸力、剪力以及彎矩等對建筑物的梁、柱、支撐尺寸等進(jìn)行估算。按照規(guī)范要求的寬厚比、高厚比、長細(xì)比等規(guī)定，結(jié)合工程的實(shí)際要求，例如凈高要求，空間要求等合理選擇梁、柱等截面。

2.5 設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件

在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的過程中，最關(guān)鍵的一個(gè)內(nèi)容就是設(shè)計(jì)構(gòu)件。主要從三個(gè)方面入手：①選擇構(gòu)件材料，使得構(gòu)件在撓度、變形滿足規(guī)范要求的條件下，充分發(fā)揮鋼材的強(qiáng)度優(yōu)勢。②構(gòu)件本身的承載力計(jì)算，承載力分為構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算以及構(gòu)件穩(wěn)定性驗(yàn)算。對于大跨度的構(gòu)件一定要花大精力去研究構(gòu)件的穩(wěn)定性，確保構(gòu)件在施工和施工過程中不會(huì)由于側(cè)向失穩(wěn)或局部板件屈曲造成的設(shè)計(jì)事故。③對鋼結(jié)構(gòu)的焊接進(jìn)行控制。鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量嚴(yán)重影響到鋼結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量效果，設(shè)計(jì)說明要明確不同位置的焊縫質(zhì)量要求及焊接工藝要求，使得節(jié)點(diǎn)部位確保與構(gòu)件之間的等強(qiáng)連絡(luò)。倘若鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)是特殊的，板材比較厚，同時(shí)屈服強(qiáng)度在420MPa以上時(shí)，想要使鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量得以控制，就要結(jié)合接頭形式，對焊接參數(shù)、坡口尺寸等進(jìn)行設(shè)置，對接頭焊接試件等進(jìn)行檢驗(yàn)、測試。想要使由于焊接熱量過大使得鋼結(jié)構(gòu)變形得以避免，在鋼結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，可以將CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行應(yīng)用。在對工型、箱型桿件進(jìn)行焊接時(shí)，可以使用埋弧自動(dòng)焊，這樣能使工作效率提升，保證焊縫質(zhì)量。

2.6 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的就是設(shè)計(jì)其節(jié)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)有三類：①剛性連接節(jié)點(diǎn)；②半剛性連接節(jié)點(diǎn)；③鉸接連接節(jié)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的過程中，主要有四個(gè)方面的內(nèi)容：①在焊接過程中，必須使焊縫尺寸、形式與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相符合；②在對焊條進(jìn)行選擇是，一定要對它和金屬材料的匹配性進(jìn)行考慮；③一般來說，對于樓層高一些的建筑結(jié)構(gòu)來說，連接傳力螺栓就是高強(qiáng)螺栓，在連接高強(qiáng)螺栓時(shí)，要對孔壁的承載力進(jìn)行全面的驗(yàn)算；④在施工過程中，要將施工順序進(jìn)行嚴(yán)格遵守。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段，國內(nèi)乃至全世界住宅建筑發(fā)展的趨勢就是鋼結(jié)構(gòu)建筑，這是由于鋼結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，有著特殊的優(yōu)勢，比如強(qiáng)度、抗震以及效率等。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，要從不同角度，對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行掌握，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量以及穩(wěn)定性得以有效保證。