張文杰
(甘肅第四建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730060)
近年來(lái),隨著建筑工程項(xiàng)目的日漸增多,建筑工程安全管理問(wèn)題頻出,全國(guó)各地工程質(zhì)量安全問(wèn)題相繼出現(xiàn)也給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)敲響了警鐘。為提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全和穩(wěn)定性,建筑行業(yè)也經(jīng)歷了多次技術(shù)革新,從原來(lái)的磚墻結(jié)構(gòu)到普遍適用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),再到現(xiàn)在日益盛行的鋼結(jié)構(gòu),建筑體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式在不斷改進(jìn)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),幫助建筑施工行業(yè)向節(jié)約化、輕量化轉(zhuǎn)變。目前,大量高新建筑主結(jié)構(gòu)體已經(jīng)青睞于向鋼結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)變,其中最為典型的代表莫過(guò)于北京鳥巢奧林匹克體育場(chǎng)館,采用純鋼結(jié)構(gòu)的搭接形式,設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)獨(dú)特,不僅美觀,具有很強(qiáng)的藝術(shù)性,而且簡(jiǎn)約,節(jié)約了大量的混凝土建材,對(duì)周邊環(huán)境也十分友好,成為建筑行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)桿。然后,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)看似簡(jiǎn)單,實(shí)際上需要經(jīng)過(guò)構(gòu)思、分析、計(jì)算等多方面的深化設(shè)計(jì),以確保鋼結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員必須掌握鋼結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)原則,重點(diǎn)考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型、鋼結(jié)構(gòu)的連接形式、鋼結(jié)構(gòu)搭接時(shí)的力學(xué)計(jì)算和有限元分析等關(guān)鍵點(diǎn)問(wèn)題,避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠等質(zhì)量缺陷。鑒于此,文章針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)和重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析,并提出了解決和處理問(wèn)題的策略思路,以確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量安全。
鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題,首當(dāng)其沖的是設(shè)計(jì)人員自身的專業(yè)能力和技術(shù)管理問(wèn)題。一方面,鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)人員具有很強(qiáng)的專業(yè)素養(yǎng),同時(shí)還應(yīng)具備極高的綜合能力,但目前,我國(guó)建筑行業(yè)從業(yè)人員,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)人員專業(yè)能力相對(duì)不高,針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題不僅缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),而且在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期的管理中也存在管理漏洞,此外,大部分的鋼結(jié)構(gòu)從業(yè)人員僅僅懂得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算和有限元分析并不專業(yè),而鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析計(jì)算是確保鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié),如果缺少了理論計(jì)算和分析依據(jù),很容易導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙存在一定的錯(cuò)誤和不合理之處,從而影響鋼結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定;另一方面,鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)缺乏技術(shù)管理,這體現(xiàn)了設(shè)計(jì)部門對(duì)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)不夠重視,在對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的校對(duì)、審核、批準(zhǔn)等一系列設(shè)計(jì)流程中,存在技術(shù)管理不足或部分流程缺失的情況,鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)圖紙需要經(jīng)過(guò)技術(shù)討論、方案確定、驗(yàn)算校核、細(xì)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)審核、審批等一系列過(guò)程,任何一個(gè)環(huán)節(jié)的缺失都會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙的質(zhì)量,而技術(shù)管理上的不夠重視,也無(wú)形中助長(zhǎng)了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)缺陷問(wèn)題的發(fā)生。
鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中需要遵循一定的設(shè)計(jì)原則、理論計(jì)算和建模分析等,只有經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和分析合格以后,才能進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù),確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全。但是實(shí)際設(shè)計(jì)中,一些設(shè)計(jì)人員照搬照抄其他類似項(xiàng)目的圖紙,忽視了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的原則性問(wèn)題,缺少正確的理論計(jì)算和建模分析,從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖紙存在錯(cuò)誤或不合理之處。首先,我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)而輕視設(shè)計(jì)規(guī)范,導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏離了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),雖然依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并不會(huì)帶來(lái)多大的問(wèn)題,但是其中隱藏的安全風(fēng)險(xiǎn)也不容忽視;其次,設(shè)計(jì)人員缺乏理論計(jì)算和利用有限元分析軟件建模分析的能力,導(dǎo)致對(duì)深化設(shè)計(jì)形式缺乏理論計(jì)算和建模分析的校核,理論力學(xué)、材料力學(xué)計(jì)算是鋼結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的重點(diǎn)理論基礎(chǔ),缺少理論基礎(chǔ)的支撐,設(shè)計(jì)圖紙的正確性無(wú)法保證,而有限元分析計(jì)算可以模擬振動(dòng)、沖擊等更多特殊條件下的受力情況,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析更加嚴(yán)謹(jǐn)深入,缺少有限元建模分析,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)不明確,同樣不能保證設(shè)計(jì)圖紙的安全性。此外,在進(jìn)行理論計(jì)算和建模分析時(shí),一定要選擇正確的計(jì)算公式,輸入正確的邊界條件,否則將會(huì)得出錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果,根據(jù)錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù),必然存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn),因此,計(jì)算過(guò)程必須認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn),計(jì)算結(jié)果必須準(zhǔn)確、可靠。
鋼結(jié)構(gòu)由大量的型鋼組成,因此,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的型材選型和截面估算上也是鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容,目前存在的主要問(wèn)題在于鋼結(jié)構(gòu)型材選型不準(zhǔn)確、截面參數(shù)估算偏差過(guò)大等。一方面,鋼結(jié)構(gòu)型材選型上,市面上有槽鋼、H型鋼等不同的鋼材類型,設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)時(shí),如果沒有依據(jù)建筑項(xiàng)目實(shí)際結(jié)構(gòu)需求和計(jì)算結(jié)果選擇合適的鋼材類型,不僅會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)的設(shè)計(jì),而且也會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,而且對(duì)鋼材選型不嚴(yán)謹(jǐn),也會(huì)導(dǎo)致鋼材的浪費(fèi),因?yàn)椴垆?、H型鋼間的力學(xué)性能不同、結(jié)構(gòu)差異也大、造價(jià)成本也有差別,因此,如果鋼材選型上沒有充分考慮到位,既會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全,同時(shí)也會(huì)影響工程造價(jià)的成本;另一方面,鋼材結(jié)構(gòu)布置和連接點(diǎn)形式的設(shè)計(jì)與鋼材截面形式息息相關(guān),因此,在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中如果缺乏對(duì)鋼材截面參數(shù)的正確估算,也會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)支撐和連接的安全和穩(wěn)固性,鋼結(jié)構(gòu)截面的估算與不同型鋼的截面尺寸有關(guān),截面估算還包含了對(duì)構(gòu)件梁柱和支撐面的選型、截面高度、板材厚度以及支座載荷情況等,如果這些關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)不明確或選型存在嚴(yán)重誤差,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全影響很大,建筑結(jié)構(gòu)也將存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。
鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中,針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型問(wèn)題極為關(guān)鍵,不僅影響到后續(xù)設(shè)計(jì)的配合性和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的穩(wěn)定性,同時(shí)也影響到建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。首先,針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性考慮上,由于建筑體中用到大量的鋼結(jié)構(gòu),其中工程造價(jià)成本影響很大,而設(shè)計(jì)中所需的鋼材類型、截面尺寸、布置形式等影響到鋼材的價(jià)格以及用材的數(shù)量,這些都是影響建筑企業(yè)工程造價(jià)成本的關(guān)鍵,因此,建筑企業(yè)在前期鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)階段,必須綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型問(wèn)題,在滿足鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和質(zhì)量安全前提下,應(yīng)選擇造價(jià)經(jīng)濟(jì)的鋼材類型,同時(shí),要正確計(jì)算用鋼量,通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式,從而盡可能地降低用鋼量,節(jié)約造價(jià)成本;其次,鋼結(jié)構(gòu)的布置設(shè)計(jì)上,應(yīng)考慮跨度形式、懸掛載荷、經(jīng)濟(jì)性等多方面因素,在布置設(shè)計(jì)上多下功夫,是控制鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的必要條件,也是節(jié)約工程造價(jià)成本的關(guān)鍵。為此,鋼結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的力學(xué)模型要清晰,建模準(zhǔn)確,邊界條件應(yīng)考慮全面,特別是針對(duì)抗震、抗剪、抗彎等極限工況載荷的力學(xué)模型驗(yàn)算,一定要準(zhǔn)確計(jì)算,滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)要求,此外,鋼結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計(jì)和布置,應(yīng)考慮主梁、次梁等一系列鋼結(jié)構(gòu)的布置位置,特別是針對(duì)框架結(jié)構(gòu)的樓層平面控制上,應(yīng)控制好樓層凈高,同時(shí)也要考慮頂層邊柱等鋼結(jié)構(gòu)的受力條件,避免出現(xiàn)承載能力不足的情況而埋下安全隱患。
鋼結(jié)構(gòu)的截面形式和估算面積影響到整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固,因此,鋼結(jié)構(gòu)截面估算也是鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中必須關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)之一。鋼結(jié)構(gòu)截面的大小不僅影響到用鋼量的大小,同時(shí)也影響到鋼結(jié)構(gòu)的連接形式和力學(xué)安全性能,為此,必須正確估算鋼結(jié)構(gòu)截面積,正確選擇合適的型鋼類型。首先,鋼結(jié)構(gòu)中不同的型鋼類型其截面形式不一樣,如槽鋼、軋鋼、H型鋼等,深化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)承受載荷能力及支座連接要求合理選擇鋼結(jié)構(gòu)的截面類型,從而確定選取鋼材的類型,其中,需要注意的一些關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)計(jì)算準(zhǔn)確,如鋼結(jié)構(gòu)所需截面的高度、寬度以及翼緣厚度等,保證鋼結(jié)構(gòu)截面的承載能力;其次,計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)截面時(shí),針對(duì)梁柱形式的鋼結(jié)構(gòu)截面可以采用長(zhǎng)細(xì)比的估算形式,柱截面選型上,有一定的設(shè)計(jì)要求,通常會(huì)根據(jù)截面軸心受壓、雙向受彎矩或單向受彎等不同的受力條件,選擇鋼管、H型鋼等相應(yīng)的截面類型,從而根據(jù)計(jì)算的用鋼量,估算所需的截面大?。辉俅?,在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中,針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)截面選型的要求上并沒有固定的形式,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際受力情況,具體問(wèn)題具體分析,合理選取承載性能好、經(jīng)濟(jì)性高的鋼材類型,在確保鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的前提下,也要重視造價(jià)成本的節(jié)約。
鋼結(jié)構(gòu)由大量的型鋼連接而成,因此,鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也是影響鋼結(jié)構(gòu)連接質(zhì)量安全的一大重要技術(shù)因素。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式上,可根據(jù)不同種類的鋼結(jié)構(gòu)形式選取,設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮連接強(qiáng)度、連接可操作性等多方面因素,確保節(jié)點(diǎn)連接安全可靠。首先,焊接是鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接中最為常見的一種形式,針對(duì)焊接設(shè)計(jì)要求,應(yīng)合理選取焊接形式,一定要在圖紙中按焊接規(guī)范要求標(biāo)注好焊接符號(hào),保證焊接質(zhì)量,同時(shí),應(yīng)在技術(shù)要求中明確焊縫質(zhì)量,考慮焊縫的重心位置盡量與構(gòu)件重心接近,并要求做好焊縫的無(wú)損檢測(cè),保證焊縫質(zhì)量,提高焊接可靠性;其次,針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連接板之間的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),需準(zhǔn)確計(jì)算選取連接板的厚度,根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求,連接板厚度比梁覆板厚度至少大于4 mm以上,可在確定梁覆板厚度尺寸以后,確定連接板的厚度,同時(shí),根據(jù)確定的厚度,運(yùn)用有限元分析軟件,驗(yàn)算連接板凈截面的抗剪性能是否合格達(dá)標(biāo),如不達(dá)標(biāo),可增大凈截面積或者適當(dāng)提高連接板厚度等,保證連接板的力學(xué)性能;再次,如在鋼結(jié)構(gòu)中采用螺栓連接形式,應(yīng)確定連接螺栓數(shù)量,并驗(yàn)算連接螺栓孔凈截面的抗剪能力,同時(shí),選擇高強(qiáng)度的連接螺栓,并驗(yàn)算連接螺栓的承壓和抗剪能力,保證連接螺栓的可靠性。
鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)十分考驗(yàn)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)能力和綜合素質(zhì),為此,設(shè)計(jì)單位必須加強(qiáng)設(shè)計(jì)人員技術(shù)能力的提升,并通過(guò)強(qiáng)化技術(shù)管理,提高設(shè)計(jì)人員的綜合素質(zhì),保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量。為此,首先,必須嚴(yán)格選拔鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員,根據(jù)學(xué)歷條件、專業(yè)水平、從業(yè)經(jīng)驗(yàn)、業(yè)績(jī)要求等選拔優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員,提升設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的專業(yè)水平;其次,加強(qiáng)設(shè)計(jì)人員的日??己撕图夹g(shù)培訓(xùn),技術(shù)水平考慮依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)量、設(shè)計(jì)錯(cuò)誤率、圖紙返工率等作為考核條件,采取優(yōu)勝劣汰或績(jī)效評(píng)級(jí)的方式,同時(shí),定期進(jìn)行設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)交流或技術(shù)培訓(xùn),提高設(shè)計(jì)人員的專業(yè)水平;再次。設(shè)計(jì)部門必須重視鋼結(jié)構(gòu)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的技術(shù)管理工作,嚴(yán)格要求設(shè)計(jì)質(zhì)量,認(rèn)真做好設(shè)計(jì)校對(duì)、審核、審批等不同流程的任務(wù)要求,特別是針對(duì)圖紙審核,一定要認(rèn)真、負(fù)責(zé),發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤立即要求更改,提高圖紙?jiān)O(shè)計(jì)質(zhì)量。
鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中,為保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理和力學(xué)結(jié)構(gòu)的安全可靠性,通常需要利用有限元分析軟件以及普遍適用的力學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行理論驗(yàn)算,達(dá)到一定安全系數(shù)的前提下再考慮設(shè)計(jì)形式的適用及合理性。首先,鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析軟件中,常用的如ANSYS有限元分析軟件,必須要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員熟練掌握有限元分析軟件的操作,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙正確建立力學(xué)模型,根據(jù)實(shí)際工況條件正確輸入邊界條件,提高有限元分析的準(zhǔn)確性;其次,合理選用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍適用的力學(xué)計(jì)算公式、理論結(jié)果等,如材料力學(xué)、梁——柱理論、預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論等,保證鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)遵循正確的理論基礎(chǔ),并通過(guò)這些科學(xué)、完善、合理的理論體系驗(yàn)算,進(jìn)一步驗(yàn)證圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的可靠性,從而提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量安全。
在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中,應(yīng)綜合考慮不同的因素可能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和質(zhì)量安全帶來(lái)的影響,盡量減少不同因素帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。為此,首先,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定上,要認(rèn)真做好前期的研究工作,分析工程條件和不同的影響因素,合理設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)形式,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)分析、驗(yàn)算、校核,并不斷優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,以確定設(shè)計(jì)方案的可靠性;其次,在針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí),應(yīng)充分考慮鋼結(jié)構(gòu)受力的極端條件,如遇地震、臺(tái)風(fēng)等極端天氣下鋼結(jié)構(gòu)的承載能力,嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)進(jìn)行安全驗(yàn)算,充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的承壓能力和不均勻負(fù)載條件的承受能力,通過(guò)必要的加固措施或優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式,提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震、抗剪、抗壓等力學(xué)能力,以達(dá)到安全穩(wěn)固的設(shè)計(jì)條件。
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),幫助建筑施工行業(yè)向節(jié)約化、輕量化轉(zhuǎn)變。為此,在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員必須掌握鋼結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)原則,重點(diǎn)考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型、鋼結(jié)構(gòu)的連接形式、鋼結(jié)構(gòu)搭接時(shí)的力學(xué)計(jì)算和有限元分析等關(guān)鍵點(diǎn)問(wèn)題,避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠等質(zhì)量缺陷。