工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計淺議

　　[關(guān)鍵詞]工業(yè)建筑，鋼結(jié)構(gòu)，節(jié)點設(shè)計，鋼結(jié)構(gòu)方案，施工圖繪制

　　[前言]

　　隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，很多工業(yè)建筑要求跨度更大，施工周期更短，并且隨著我國的經(jīng)濟由粗放型經(jīng)濟向節(jié)能減排低碳環(huán)保的集約型經(jīng)濟的轉(zhuǎn)變，對于工程建筑材料的消耗要求更低，使得傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在很多時候無法滿足投資方的要求。

　　鋼結(jié)構(gòu)雖然在多次進行防腐和防火的維護以及鋼結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性保證方面存在局限性，使得很多時候鋼結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)本身的造價比混凝土結(jié)構(gòu)要高。但是鋼結(jié)構(gòu)在大跨度和施工周期方面的確較混凝土結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)勢，而且鋼材本身的強度較鋼筋混凝土更高，同等強度的鋼構(gòu)件較混凝土構(gòu)件更輕，使得鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)較混凝土結(jié)構(gòu)更小，總體投資較混凝土結(jié)構(gòu)相差不多（輕鋼結(jié)構(gòu)投資較混凝土結(jié)構(gòu)還要低一些）。因此鋼結(jié)構(gòu)被更廣泛的應(yīng)用于工業(yè)建筑的設(shè)計和施工中，取得了很好的經(jīng)濟效益。

　　筆者所在的設(shè)計院長年從事工業(yè)建筑的設(shè)計工作，接觸了大量的鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計工作。我們認為，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中首先應(yīng)該被強調(diào)的重點是鋼結(jié)構(gòu)方案的確定，結(jié)構(gòu)方案的選擇是否合理直接決定了工程設(shè)計的成敗；其次就是節(jié)點的設(shè)計，節(jié)點設(shè)計是否合理基本上決定了鋼結(jié)構(gòu)的安全性；最后就是施工圖的繪制，鋼結(jié)構(gòu)本身安裝精度高決定了鋼結(jié)構(gòu)施工圖繪制是一個很繁瑣的過程，完全依賴電腦成圖無法滿足構(gòu)件的下料和安裝要求。

　　下面我們就從這三個方面為切入點對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出一些個人看法。

　　鋼結(jié)構(gòu)方案的選擇及截面估算：

　　結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置與結(jié)構(gòu)分析在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該被強調(diào)的是“概念設(shè)計”，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學關(guān)系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設(shè)計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部措施。運用概念沒計可以在早期迅速有效地進行構(gòu)思、比較與選擇。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力、分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

　　工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、排架、輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架、普鋼門式鋼架、桁架等結(jié)構(gòu)型式。

　　結(jié)構(gòu)布置要根據(jù)體系特征、荷載分布情況及性質(zhì)綜合考慮。一般要剛度均勻，力學模型清晰；盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ)；柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻，其形心要盡量靠近側(cè)向力(風荷載、地震荷載)的作用線；否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線：比如有支撐框架結(jié)構(gòu)，柱子至少應(yīng)能單獨承受1／4的總水平力。

　　為了更精確分析結(jié)構(gòu)條件，新近的—些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能。正確使用結(jié)構(gòu)分析軟件，還應(yīng)對其輸出結(jié)果做“工程判定”。比如，評估各向總剪力、變形特征等。根據(jù)“工程判定”選擇修改模型重新分析還是修正其計算結(jié)果。不同的軟件會有不同的適用條件，工程設(shè)汁中的計算和精確的力學計算本身就有一定距離，為了獲得實用的設(shè)計方法有時會用誤差較大的假定，但對這種誤差會通過“適用條件、概念及構(gòu)造”的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，“適用條件、概念及構(gòu)造”與定量計算相比是更重要的內(nèi)容。

　　結(jié)構(gòu)概念性布置結(jié)束后，我們可以對構(gòu)件截面作初步估算。主要是粱柱和支撐的斷面形狀與尺寸的估算。鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1／20~50之間選擇。柱截面按長細比預(yù)估。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管、H型鋼截面等。對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，規(guī)范中對截面的構(gòu)造要求有很大的不同。如鋼結(jié)構(gòu)所特有的組成構(gòu)件的板件的局部穩(wěn)定問題，在普鋼規(guī)范和輕鋼規(guī)范中的限值有很大的區(qū)別。除此之外，構(gòu)件截面形式的選擇沒有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟美觀的截面。

　　構(gòu)件設(shè)計與節(jié)點設(shè)計：

　　構(gòu)件設(shè)計首先是材料的選擇。比較常用的鋼材標號是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn)。通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。從經(jīng)濟角度考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。構(gòu)件設(shè)計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這與結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配。當前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大—級，并自動重新分析驗算，直至通過。這就是常說的截面優(yōu)化設(shè)計功能之一，它大大減少了結(jié)構(gòu)師的工作量。

　　節(jié)點設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對節(jié)點的形式有充分的思考與確定。設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)最終設(shè)計的節(jié)點形式與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全—致，這種情況在設(shè)計過程中必須避免。節(jié)點按傳力特性可分為剛接、鉸接、半剛接，宜選擇前兩者進行簡單定量分析，因為半剛接節(jié)點在實際中的可操作性較差。節(jié)點連接兩種常用的方法是等強設(shè)汁和實際受力設(shè)計，設(shè)計手冊中通常有焊縫及螺栓連接表格供設(shè)計者方便查用。規(guī)范中對焊接焊縫的尺寸及形式有強制規(guī)定，應(yīng)嚴格遵守。焊條的選用應(yīng)與被連接金屬材質(zhì)相適應(yīng)，不得任意加大焊縫。焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近(詳細內(nèi)容可查閱規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定)。高強螺栓現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于工程實際中，根據(jù)受力特點分承壓型連接和摩擦型連接，兩者計算方法不同。高強螺栓最小規(guī)格M12，常用M16～M30，超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，實際施工過程中會存在無法擰緊的現(xiàn)象，設(shè)計中應(yīng)慎重使用。連接板選取厚度為梁腹板厚度加4mm，然后驗算凈截面抗剪。節(jié)點設(shè)計需考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序。節(jié)點設(shè)計還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平，比如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口需要數(shù)控機床等設(shè)備才能完成。

　　這里著重要提到的是鋼框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點抗震設(shè)計。對于抗震規(guī)范8.2.8條關(guān)于梁柱節(jié)點設(shè)計的規(guī)定對鋼框架的設(shè)計造成了很大的困擾。其規(guī)定連接焊縫的受彎承載力要大于相應(yīng)框架梁全塑性受彎承載力的1.2倍，此規(guī)定是為了使大震作用下節(jié)點域部分的連接仍處于彈性階段不發(fā)生破壞，而梁構(gòu)件端部首先進入塑性變形階段，即所謂塑性鉸內(nèi)移，此條文是為滿足抗震規(guī)范規(guī)定的“中震可修，大震不倒”而設(shè)定。我們知道塑性鉸的出現(xiàn)，會使框架結(jié)構(gòu)整體的剛度銳減，而其在水平力左右下的變形能力加強。在短期的大震作用下結(jié)構(gòu)整體吸收抵抗水平地震力的能力降低，而通過變形消耗地震力的能力提高。鋼構(gòu)件進入塑性變形階段以后，其繼續(xù)承載能力還是很強的，因為鋼材是一種延性很好的建筑材料，使得建筑物不會因為塑性鉸的出現(xiàn)而立刻垮塌。但如果破壞發(fā)生在節(jié)點區(qū)域，會造成結(jié)構(gòu)的脆性破壞，使得建筑物突然垮塌。這充分體現(xiàn)了“強節(jié)點弱構(gòu)件”的節(jié)點抗震設(shè)計思想。如果我們基于焊縫與母材等強連接的基礎(chǔ)上進行節(jié)點計算，其節(jié)點如不作加強處理基本上無法滿足本條文的規(guī)定，如節(jié)點作局部加強（加蓋板、局部增加梁高或局部增加梁翼緣寬度）在計算上倒是可以滿足本條文的規(guī)定，但這種對于節(jié)點部位的局部加強會導(dǎo)致框架節(jié)點域部分的剛度增大過多，其后果是如發(fā)生大震節(jié)點部分的地震力吸收會進一步增加，最后的結(jié)果會是加強了節(jié)點后會招致更大的地震力的作用，在更大的地震力作用下加強后的節(jié)點未必能滿足計算規(guī)定。對此如果我們轉(zhuǎn)換設(shè)計思路，將梁端部的適當位置進行人為的削弱，即所謂框架梁柱的骨形連接，如此在大震作用下削弱部分的框架梁肯定要先于節(jié)點部分進入塑性工作狀態(tài)，我們其實就實現(xiàn)了塑性鉸由節(jié)點域內(nèi)移的目的，從而使梁柱連接節(jié)點不會發(fā)生破壞，保證了建筑物整體的安全度，這其實就是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的耗能設(shè)計思想的體現(xiàn)。