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建筑鋼結構工程設計中的幾個問題

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中國建筑金屬結構協會建筑鋼結構委員會專家組成員 薛發）

    近年來，隨著我國鋼產量的迅猛增長，再加上國家產業政策的調整，在建筑工程中，鋼結構應用越來越廣泛，各地相繼建成許多高層，大跨度的鋼結構工程，像幾十層的辦公商務樓，大型展館、會展中心、體育館、飛機庫、機場候機樓等；同時出現許多新型結構體系，如索?梁、索?桁架、索穹頂，索?膜結構、開合結構等等。網架和門式剛架為代表的輕鋼結構建設規模達到每年幾百萬m2的速度發展。住宅鋼結構已進入起步階段，鋼結構加工制造企業也如雨后春筍般涌現，更出現了像蕭山這樣的鋼結構產業基地，這些都是非常可喜的現象。但是，由于歷史的原因，過去建筑鋼結構應用相對較少，設計人員鋼結構設計經驗較少，實踐經驗較缺乏，對鋼結構的加工制造方面知識了解不多。相對來說，對鋼筋混凝土工程比較熟悉，做起來輕車熟路，也就不太愿意鉆研建筑鋼結構技術，再加上施工單位和制造業內，熟練的技術人員和技工相對匱乏，滿足不了發展形勢的需要，工程經驗不足。因此，目前建筑鋼結構中存在一系列的問題。現在僅就鋼結構設計中的幾個問題談點初淺看法：
    一、對規范的認識、理解、及使用上的問題。國家頒布的各類設計標準，像結構設計標準（規范、規程、標準、規定等）是一個時期內，一個國家的科學技術水平、工程經驗及經濟水平、綜合經濟實力、自然資源狀況、社會財富的積累程度，以及設計水平、施工技術水平、材料供應保證水準等諸多因素的綜合反映。一個國家的結構設計標準是對結構安全度的最低合格要求，它是保證在使用期間達到安全保證率的起碼的技術要求，而不是較高的要求。是結構造價與安全風險的綜合平衡。一個國家頒布的規范是一個完整的系統，是自成體系的，是分層次的。因此，要做好鋼結構工程中的設計、加工、安裝工作，就必須全面地了解熟悉鋼結構工作中有關規范。更應該了解這些規范在整個國家規范體系中的位置以及相互關系。現行的規范中，與建筑鋼結構工程有關的，包括設計、加工制造、施工、安裝、材料標準、配件標準等不下幾百種、主要的也有幾十種，還有各種結構類型專用規范，其中有國標、行標、地方標準。有通用標準，也有專項工程標準。
    鋼結構設計、施工規范、規程和材料及配件標準等都是國家的技術性法律文件，廣大設計、施工工程技術人員必須共同遵守。
    1、規范的使用是分層次的。鋼結構工程所涉及的規范、標準大體上可劃分為五個層次，見圖1。在現行規范體系中，《建筑結構可靠度設計統一標準》GB50068-2001是最高層次的標準，它是制定《建筑結構荷載規范》Gb50011-2001及各種結構設計標準所遵守的準則。它不僅適用于建筑物（包括構筑物）的整個結構以及組成的構件和基礎的設計，而且，也適用于結構的使用階段以及結構構件的制作、運輸、與安裝等施工階段。因此，有關建筑結構施工及驗收規范以及其它標準均是按其規定的原則制定的。

    如門式剛架技術規程的1.0.3條：規程遵照國家標準“建筑結構可靠度設計統一標準”GB50068規定的原則，根據現行國家標準《建筑結構設計術語和符號標準》…等的一般規定，立足于我國輕型房屋鋼結構設計和施工的具體條件編制而成。1.0.4條規定：門式剛架輕型房屋鋼結構的設計、制作、安裝和維護要求，本規程未作規定者的均應按現行有關標準執行。
    2、對通用規范和專項規范的理解涉及到鋼結構工程中的許多規范，有的是通用規范，無論哪一類工程都必須遵守其原則，如與之相抵觸，必以它為準。這一類規范，如《鋼結構設計規范》GB50017-2003，《冷彎薄型鋼結構技術規范》GB50018-2002；而有些標準是針對專門結構類型及其構件的，如“門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程”CECS102-2002。同一類型結構的標準中，也分不同的層次，“門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程”在門式剛架房屋中就是通用的，而“門式剛架輕型房屋鋼構件”TG144-2002就屬于低一層次的，是針對門式剛架構件制作的專用標準。一般來說“GB”字樣多為必遵守的，而且是較為通用的，GB/T是屬于推薦性的標準。
    3、有些工程類型，在另一個層次上，屬于大的結構分類中，必須遵守上一層的原則。如門式剛架是屬于框架結構中的一種，它除了遵守《門式剛架輕型型鋼結構技術規程》的規定外，還要遵守框架結構的有關規定，例如，當必需考慮抗震時，它就必須遵守《建筑抗震設計規范》第8.3.6條的規定，該條是強制性條文，要求組合柱在梁翼緣上下各500mm節點范圍內，柱翼緣與柱腹板間或箱型柱壁板間的連接焊縫，應采用坡口全熔透焊縫，不允許采用角焊縫。另外，《鋼結構設計規范》GB50017-2003的構造規定是用于非抗震結構的，而在抗震設計時，還應按照《建筑抗震設計規范》第8章來控制板的寬厚比和長細比，如表8.3.2-1的規定。
    4、構造問題：
    對鋼結構設計施工規范，必須全面系統地理解，要知道它制定的原因、背景及其使用條件。必須認識到設計計算是一種手段，而不是設計的全部，而且規范中的構造規定也是極為重要的。
    例如，門式剛架規程并未嚴格規定使用何種屋面，該規程6.6.1條只是寫了屋面板和墻板材料可選用建筑外用彩色鍍鋅或鍍鋁鋅壓型鋼板、夾心壓型復合板和玻璃纖維增強水泥板（GRC板）等輕質材料。但此種結構在整體剛度上是考慮存在“蒙皮效應”的，屋面板對檁條、墻梁的受力都很重要，否則，將影響剛架的整體穩定性，危及結構的安全。如果不從規范的編制背景及結構整體考慮，單純從1.0.2條和6.6.1條來機械理解，既然是可選用提到的幾種屋面板，那么也可以選用其他的輕型屋面，例如采用石棉瓦，在工程上就可能出問題。6.6.1條也有些含混不夠準確。 在實際工程中，有時會出現下列問題:
    A）我們看到實際工程中，有的將屋面水平橫向支撐與柱間支撐放在不同跨間，這對抗震和房屋整體剛性都是不利的，無法形成獨立的空間支撐體系。
    B）有些工程中，屋面支撐和柱間支撐采用柔性的圓鋼拉條，并未設張緊裝置，這種支撐要松馳，將起不到支撐作用，對抗風和抗震都不起作用。
    C）隅撐未設置或設置不當。按規程規定，當檁條或墻梁與剛架連接時，在斜梁下翼緣的受壓區和剛架柱內側翼緣的受壓區應設置隅撐，斜梁隅撐間距若不作計算時不得大于斜梁下翼緣寬度的16倍，若斜梁翼緣寬度為200mm,至少每隔一根檁條要設置一根隅撐。采用雙層屋面時也應設置隅撐。但實際工程中，有的未按要求設置，有的設置很少或設置不當。
    5、關于墻梁問題,最近看到一個門式剛架工程，跨度30m，檐高8.5m，外墻板采用了長度等于柱距的復合金屬面保溫板，大波高，制作安裝質量都相當好，外形整美觀。但板是直接安裝在剛架柱上的，未設墻梁，這樣就出現了一個問題，板的跨度太大，條板之間沒有連系，對結構整體性和構件平面外穩定性沒有保證的。門式剛架的蒙皮效應是靠檁條、墻梁、隅撐和墻面板及屋面板來共同完成的，因為斜梁和柱子是工字形截面的，且平面外剛度較小，穩定性是由墻梁隅撐俁證的。關于這一點，《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》GB50018-2002的10.1.1條明確指出：剛架在其平面內的整體穩定，可由剛架柱的穩定計算來保證，變載面剛架梁、柱在剛架平面外的穩定性可由檁條和墻梁設置隅撐來保證，而且墻梁的設置還必須通過計算。門式剛架規程中6.4.4條有詳細規定，只當外側設有壓型鋼板的實際剛架柱的內側翼緣受壓時，可在內側翼緣設置成對的隅撐，作為柱的側向支撐，隅撐的另一端連接在橫梁上。因此，完全取消墻梁是不適當的，會危及工程的安全性。
    二、設計簡圖與計算問題
    在目前的工程中，門式剛架逐漸地發展到多層，如下面的圖2所示：

    底層采用一般框架做法，采用10米左右的柱距，而上層為門式剛架，跨度達到30米左右，而邊框柱上下是不貫通的，即邊框把下部柱子的頂點作為上部門式剛架的基座，在計算時將上下層分別計算。這是不妥的，應該將上下兩層作為整體進行分析，考慮上下層的相互作用，相互影響，這樣才能較真實地反應結構的實際受力情況。在某些多高層鋼結構住宅中，采用框架?筒體結構，筒體結構是由樓梯間和衛生間或廚房組成，用鋼筋混凝土結構，用于抵抗水平力的作用，而其余部分用鋼結構框架。但是個別工程在與筒體相連接的某些部分取消了框架的鋼梁，如圖3所示，局部僅用混凝土樓板來傳遞，這里的彎矩是很大的，只靠樓板是無法抵抗的。應當指出：

    1、無論用那種方法計算，在構造上是不妥的。
    2、從受力情況看，產生了剛度不對稱，在地震的作用下，必然產生扭轉。
    3、樓板與RC筒體連接構造也難以傳遞力的作用。
    三、精心設計
    在進行鋼結構工程設計時，必須對方案及結構體系選型進行周密的研究，力求在技術先進、安全可靠的基礎上，經濟適用地選出最佳的方案，否則會造成極大的浪費和不安全。
    A.某工程的屋面上擬作屋頂觀賞花園，屋面采用了密排的22米長鋼梁，間距2.2米，梁高1.2米，其剖面如圖4所示：翼緣板厚度12mm，寬150mm,腹板厚20mm。

    1、 顯然采用密排大梁方案是不經濟的，可以選用其他更合理的形式。
    2、 梁的斷面也不合適，腹板過厚，既增加了自重，多用了材料，在受力上也無必要。
    B、 設計不要提出過分高的要求
    ①、 對焊縫，應該選用二級的不必要求一級，目前新修改后的規范中，已經明確的給出了適用范圍，設計中提的要求過高，既浪費了施工中能耗、人力和物力，在檢驗時也費時費力。
    ②、 某工程采用內灌外包混凝土的多層鋼骨砼框架柱，柱子鋼骨采用箱型骨架，鋼板又厚，很費工。
    （A） 不必作箱型骨架，加工、焊接，制作都很費事，可以用十字型截面鋼骨。
    （B）既然包在砼中，不必按獨立柱的要求來加工，可以放松一下。
    四、 標準圖，包括，使用范圍，不能隨意改動。

    參考文獻
    1、王仕統：淺談鋼結構的精心設計，工業建筑2003年增刊。
    2、姜學詩：鋼結構房屋結構設計中常見問題分析。建筑結構2003、6
    3、陳肇元：要大幅度提高建筑結構設計的安全度。建筑結構99、1
    4、揚正海、何玲：基于概念設計的建筑結構CAD方法，建筑結構2003、10
    5、蔡益燕：門式剛架設計施工中的一些問題
    6、蔡益燕：關于門式剛架輕型房屋鋼結構的抗震設計
    7、楊鳳第：輕型鋼結構房屋設計的問題探討
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