建筑钢结构中若干值得注意的问题及设计探讨
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摘 要：随着建筑类经济快速的发展，工业建筑应用钢结构的越来越多。防止结构失稳，是钢结构设计中应充分注意的问题。本文阐述了钢结构在建筑设计中注意的问题及设计，根据设计经验进行总结，为后续设计施工提供技术支持。
关键词：建筑钢结构设计
1建筑钢结构设计基本原则
建筑钢结构的设计必须符合一定的原则，确保所设计的结构合理，安全可靠。
1.1所做结构设计应符合建筑物的使用要求，有足够的强度、刚度和稳定性，有良好的耐久性；
1.2所设计结构应尽可能节约钢材，减轻钢结构重量；尽可能缩短制造、安装时间，应便于运输、便于维护，减少成本；
1.3尽量注意美观，对于外露结构有一定建筑美学要求。
2建筑钢结构设计中应注意的问题
2.1钢结构住宅的设计。钢结构住宅有低层和多层之分、低层一般用于别墅，而多层用于公寓、根据抗震规范GB50011对12层以下和以上房屋的不同要求，建造钢结构住宅一般不宜超过12层。钢结构住宅抗震性能受结构布置规则性影响、因此，其平面布置应力求规则、对称、不规则布置在地震时容易遭到损坏。
2.2钢结构稳定性设计的经验。
2.2.1借助于计算机技术和相关软件的发展，目前钢结构设计中结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可由计算机辅助完成，而由设计者对结构和构件的平面外强度及稳定计算，进行分析、计算和设计、为了提高效率和提供方便，在设计时可将整个结构按标高进行分解，简化成不同水平荷载作用下的多个布置形式的结构体系来进行强度和稳定的计算。
2.2.2受弯钢构件的板件局部稳定可以通过几种方式实现:①限制板件宽厚比，使之达到屈曲的极限承载能力，不在构件整体失效前屈曲；②允许板件在构件整体失效前屈曲，然后利用其屈曲后强度达到构件的承载能力；③对梁设置横向或纵向加劲肋，以解决不考虑屈曲后强度的梁的局部稳定问题。
2.2.3轴心受压构件和压弯构件局部稳定也可通过两种方式实现，分别是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比和控制腹板计算高度与其厚度之比，如果受压构件为圆管截面，则应控制外径与壁厚之比。
2.3节点和支撑构造要求
2.3.1节点设计应符合抗震规范和《高钢规程》的要求。
2.3.2柱通过小悬臂与梁拼接，可以绕过梁柱直接连接的构造困难，这是一个好办法。此时梁拼接大多采用翼缘焊接腹板拼接，也可采用全截面螺栓连接。在以上拼接中，腹板拼接要考虑弯矩。
2.3.3翼缘的坡口全熔透焊缝，要求用一级焊缝以确保焊接质量。有的标准规定压力容器才用一级焊缝。这是一种误解。压力容器很重要，梁翼缘与柱连接同样很重要，不能用二级。
2.3.4梁与钢管砼柱的刚性连接，现在用外加劲肋和内隔板的都有，都是可以的。但要注意钢管壁板与隔板或环板的厚度匹配。
2.3.5 7层以上时，框架－支撑体系中的框架梁柱应刚性连接。
2.3.6支撑与钢管砼连接时，不应将节点板焊在钢管管壁上，以防管壁拉开。
2.3.7不应在钢管支撑内灌砼，对抗震不利。
2.2.8 12层以下可以不设地下室，但此时柱脚的计算反力要加大，严格说来要做到承受大震时的反力而不破坏。6、7度区允许采用外包式柱脚，但8度及以上时应采用埋入式柱脚。不允许用铰接柱脚。
3建筑钢结构设计
3.1构件设计
构件的设计首先是材料的选择。比较常用的是Q235（类似A3）和Q345（类似16Mn）。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择Q345；稳定控制时，宜使用Q235.
构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。
当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级。并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。但是，初学钢至少应注意两点：
3.1.1软件在做构件（主要是柱）的截面验算时，计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以，尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件，结构师应该逐个检查。
3.1.2当上面第（三）条中预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。
3.1.2.1强度不满足，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。
3.1.2.2变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。
使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上，常常并不合适。
3.2节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。初学者宜选择可以简单定量分析的前两者。常用的参考书[2]有丰富的推荐的节点做法及计算公式。
连接的不同对结构影响甚大。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动，不符合结构分析中的假定。会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。
连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法，初学者可偏安全选用前者。设计手册中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用，比较方便。也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成。
具体设计主要包括以下内容：
3.2.1焊接：对焊接焊缝的尺寸及形式等，规范有强制规定，应严格遵守。焊条的选用应和被连接金属材质适应。E43对应Q235，E50对应Q345.Q235与Q345连接时，应该选择低强度的E43，而不是E50.
焊接设计中不得任意加大焊缝。焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近。其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。
3.2.2栓接：铆接形式，在建筑工程中，现已很少采用。普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。高强螺栓，使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级。根据受力特点分承压型和摩擦型。两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12.常用M16~M30.超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。国外在低层墙板式住宅中，也常用于主结构的连接。
3.2.3连接板：可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm.然后验算净截面抗剪等。
3.2.4梁腹板：应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。
3.2.5节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。
3.2.6节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。
3.3建筑钢结构的稳定性设计
钢结构的稳定性设计、在各种类型的钢结构中，由于结构失稳造成的伤亡事故时有发生、为了更好地保证钢结构稳定设计中构件不失稳定，保证工程质量及使用安全，有必要对钢结构的稳定性设计进行详细探讨。
3.3.1钢结构稳定性的概念。钢结构强度小或失稳都会造成结构破坏，但是强度与稳定的概念并不相同、钢结构的强度是一个应力问题，指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载引起的最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度、钢材以其屈服点作为极限强度、而稳定是一个变形问题，构件所受外部荷载与结构内部抵抗力间是不稳定的，关键是找出这一不稳定的平衡状态，避免变形急剧增长而发生失稳破坏。
3.3.2钢结构稳定性设计要点。在符合钢结构设计的一般原则前提下，要保证钢结构的稳定性还需满足以下条件：
3.3.2.1钢结构布置必须从体系和各组成部分的稳定性要求整体考虑，目前钢结构大多是按照平面体系进行设计，如桁架和框架、保证平面结构不出现平面外失稳，要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致，如增加必要的支撑构件等。
3.3.2.2实用计算方法所依据的简图与结构计算简图保持一致中层或多层框架结构设计框架稳定分析通常是省略的，只进行框架柱的稳定计算、由于框架各柱的杆件稳定计算的常用力法、稳定参数等是依据一定的简化典型情况或假设者得出的，因此设计者要能保证所有的条件符合假设时才能应用。
3.4卫生间、厨房设计
卫生间和厨房的设计是钢结构设计过程中比较重要的环节。因为钢结构材料的防腐能力相对较弱，而卫生间和厨房是住宅中用水最多的地方，所以这两处的防水处理十分重要。在其它建筑体系中，防水有两种方法：结构防水和材料防水。在钢结构中，结构防水的效果比较好。正如前文指出，框架-核心筒结构体系把卫生间和厨房放在核心筒内，具有良好的防水性能。对于其它结构体系要根据工程实际情况而定，比如对于框架-支撑体系采用压型钢板混凝土组合楼板时，通常在墙角处将混凝土上翻100~150mm。由于目前钢结构住宅的工程实例不是很多，故这方面还有待进一步研究、开发。
5结语
钢结构自重轻、强度高、工业化程度高等优点，在建筑工程中得到了广泛的应用，同时钢结构建筑还符合国家的可持续发展战略、发展钢结构建筑对提高城市建设水平有很大作用、在钢结构设计中要充分考虑材料的优缺点，综合考虑各方面的因素加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计，克服结构设计缺陷，避免出现失稳事故，加快钢结构应用领域的发展。
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