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建筑钢结构工程设计中的几个问题

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会专家组成员 薛发）

    近年来，随着我国钢产量的迅猛增长，再加上国家产业政策的调整，在建筑工程中，钢结构应用越来越广泛，各地相继建成许多高层，大跨度的钢结构工程，像几十层的办公商务楼，大型展馆、会展中心、体育馆、飞机库、机场候机楼等；同时出现许多新型结构体系，如索?梁、索?桁架、索穹顶，索?膜结构、开合结构等等。网架和门式刚架为代表的轻钢结构建设规模达到每年几百万m2的速度发展。住宅钢结构已进入起步阶段，钢结构加工制造企业也如雨后春笋般涌现，更出现了像萧山这样的钢结构产业基地，这些都是非常可喜的现象。但是，由于历史的原因，过去建筑钢结构应用相对较少，设计人员钢结构设计经验较少，实践经验较缺乏，对钢结构的加工制造方面知识了解不多。相对来说，对钢筋混凝土工程比较熟悉，做起来轻车熟路，也就不太愿意钻研建筑钢结构技术，再加上施工单位和制造业内，熟练的技术人员和技工相对匮乏，满足不了发展形势的需要，工程经验不足。因此，目前建筑钢结构中存在一系列的问题。现在仅就钢结构设计中的几个问题谈点初浅看法：
    一、对规范的认识、理解、及使用上的问题。国家颁布的各类设计标准，像结构设计标准（规范、规程、标准、规定等）是一个时期内，一个国家的科学技术水平、工程经验及经济水平、综合经济实力、自然资源状况、社会财富的积累程度，以及设计水平、施工技术水平、材料供应保证水准等诸多因素的综合反映。一个国家的结构设计标准是对结构安全度的最低合格要求，它是保证在使用期间达到安全保证率的起码的技术要求，而不是较高的要求。是结构造价与安全风险的综合平衡。一个国家颁布的规范是一个完整的系统，是自成体系的，是分层次的。因此，要做好钢结构工程中的设计、加工、安装工作，就必须全面地了解熟悉钢结构工作中有关规范。更应该了解这些规范在整个国家规范体系中的位置以及相互关系。现行的规范中，与建筑钢结构工程有关的，包括设计、加工制造、施工、安装、材料标准、配件标准等不下几百种、主要的也有几十种，还有各种结构类型专用规范，其中有国标、行标、地方标准。有通用标准，也有专项工程标准。
    钢结构设计、施工规范、规程和材料及配件标准等都是国家的技术性法律文件，广大设计、施工工程技术人员必须共同遵守。
    1、规范的使用是分层次的。钢结构工程所涉及的规范、标准大体上可划分为五个层次，见图1。在现行规范体系中，《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001是最高层次的标准，它是制定《建筑结构荷载规范》Gb50011-2001及各种结构设计标准所遵守的准则。它不仅适用于建筑物（包括构筑物）的整个结构以及组成的构件和基础的设计，而且，也适用于结构的使用阶段以及结构构件的制作、运输、与安装等施工阶段。因此，有关建筑结构施工及验收规范以及其它标准均是按其规定的原则制定的。

    如门式刚架技术规程的1.0.3条：规程遵照国家标准“建筑结构可靠度设计统一标准”GB50068规定的原则，根据现行国家标准《建筑结构设计术语和符号标准》…等的一般规定，立足于我国轻型房屋钢结构设计和施工的具体条件编制而成。1.0.4条规定：门式刚架轻型房屋钢结构的设计、制作、安装和维护要求，本规程未作规定者的均应按现行有关标准执行。
    2、对通用规范和专项规范的理解涉及到钢结构工程中的许多规范，有的是通用规范，无论哪一类工程都必须遵守其原则，如与之相抵触，必以它为准。这一类规范，如《钢结构设计规范》GB50017-2003，《冷弯薄型钢结构技术规范》GB50018-2002；而有些标准是针对专门结构类型及其构件的，如“门式刚架轻型房屋钢结构技术规程”CECS102-2002。同一类型结构的标准中，也分不同的层次，“门式刚架轻型房屋钢结构技术规程”在门式刚架房屋中就是通用的，而“门式刚架轻型房屋钢构件”TG144-2002就属于低一层次的，是针对门式刚架构件制作的专用标准。一般来说“GB”字样多为必遵守的，而且是较为通用的，GB/T是属于推荐性的标准。
    3、有些工程类型，在另一个层次上，属于大的结构分类中，必须遵守上一层的原则。如门式刚架是属于框架结构中的一种，它除了遵守《门式刚架轻型型钢结构技术规程》的规定外，还要遵守框架结构的有关规定，例如，当必需考虑抗震时，它就必须遵守《建筑抗震设计规范》第8.3.6条的规定，该条是强制性条文，要求组合柱在梁翼缘上下各500mm节点范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱型柱壁板间的连接焊缝，应采用坡口全熔透焊缝，不允许采用角焊缝。另外，《钢结构设计规范》GB50017-2003的构造规定是用于非抗震结构的，而在抗震设计时，还应按照《建筑抗震设计规范》第8章来控制板的宽厚比和长细比，如表8.3.2-1的规定。
    4、构造问题：
    对钢结构设计施工规范，必须全面系统地理解，要知道它制定的原因、背景及其使用条件。必须认识到设计计算是一种手段，而不是设计的全部，而且规范中的构造规定也是极为重要的。
    例如，门式刚架规程并未严格规定使用何种屋面，该规程6.6.1条只是写了屋面板和墙板材料可选用建筑外用彩色镀锌或镀铝锌压型钢板、夹心压型复合板和玻璃纤维增强水泥板（GRC板）等轻质材料。但此种结构在整体刚度上是考虑存在“蒙皮效应”的，屋面板对檩条、墙梁的受力都很重要，否则，将影响刚架的整体稳定性，危及结构的安全。如果不从规范的编制背景及结构整体考虑，单纯从1.0.2条和6.6.1条来机械理解，既然是可选用提到的几种屋面板，那么也可以选用其他的轻型屋面，例如采用石棉瓦，在工程上就可能出问题。6.6.1条也有些含混不够准确。 在实际工程中，有时会出现下列问题:
    A）我们看到实际工程中，有的将屋面水平横向支撑与柱间支撑放在不同跨间，这对抗震和房屋整体刚性都是不利的，无法形成独立的空间支撑体系。
    B）有些工程中，屋面支撑和柱间支撑采用柔性的圆钢拉条，并未设张紧装置，这种支撑要松驰，将起不到支撑作用，对抗风和抗震都不起作用。
    C）隅撑未设置或设置不当。按规程规定，当檩条或墙梁与刚架连接时，在斜梁下翼缘的受压区和刚架柱内侧翼缘的受压区应设置隅撑，斜梁隅撑间距若不作计算时不得大于斜梁下翼缘宽度的16倍，若斜梁翼缘宽度为200mm,至少每隔一根檩条要设置一根隅撑。采用双层屋面时也应设置隅撑。但实际工程中，有的未按要求设置，有的设置很少或设置不当。
    5、关于墙梁问题,最近看到一个门式刚架工程，跨度30m，檐高8.5m，外墙板采用了长度等于柱距的复合金属面保温板，大波高，制作安装质量都相当好，外形整美观。但板是直接安装在刚架柱上的，未设墙梁，这样就出现了一个问题，板的跨度太大，条板之间没有连系，对结构整体性和构件平面外稳定性没有保证的。门式刚架的蒙皮效应是靠檩条、墙梁、隅撑和墙面板及屋面板来共同完成的，因为斜梁和柱子是工字形截面的，且平面外刚度较小，稳定性是由墙梁隅撑俣证的。关于这一点，《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002的10.1.1条明确指出：刚架在其平面内的整体稳定，可由刚架柱的稳定计算来保证，变载面刚架梁、柱在刚架平面外的稳定性可由檩条和墙梁设置隅撑来保证，而且墙梁的设置还必须通过计算。门式刚架规程中6.4.4条有详细规定，只当外侧设有压型钢板的实际刚架柱的内侧翼缘受压时，可在内侧翼缘设置成对的隅撑，作为柱的侧向支撑，隅撑的另一端连接在横梁上。因此，完全取消墙梁是不适当的，会危及工程的安全性。
    二、设计简图与计算问题
    在目前的工程中，门式刚架逐渐地发展到多层，如下面的图2所示：

    底层采用一般框架做法，采用10米左右的柱距，而上层为门式刚架，跨度达到30米左右，而边框柱上下是不贯通的，即边框把下部柱子的顶点作为上部门式刚架的基座，在计算时将上下层分别计算。这是不妥的，应该将上下两层作为整体进行分析，考虑上下层的相互作用，相互影响，这样才能较真实地反应结构的实际受力情况。在某些多高层钢结构住宅中，采用框架?筒体结构，筒体结构是由楼梯间和卫生间或厨房组成，用钢筋混凝土结构，用于抵抗水平力的作用，而其余部分用钢结构框架。但是个别工程在与筒体相连接的某些部分取消了框架的钢梁，如图3所示，局部仅用混凝土楼板来传递，这里的弯矩是很大的，只靠楼板是无法抵抗的。应当指出：

    1、无论用那种方法计算，在构造上是不妥的。
    2、从受力情况看，产生了刚度不对称，在地震的作用下，必然产生扭转。
    3、楼板与RC筒体连接构造也难以传递力的作用。
    三、精心设计
    在进行钢结构工程设计时，必须对方案及结构体系选型进行周密的研究，力求在技术先进、安全可靠的基础上，经济适用地选出最佳的方案，否则会造成极大的浪费和不安全。
    A.某工程的屋面上拟作屋顶观赏花园，屋面采用了密排的22米长钢梁，间距2.2米，梁高1.2米，其剖面如图4所示：翼缘板厚度12mm，宽150mm,腹板厚20mm。

    1、 显然采用密排大梁方案是不经济的，可以选用其他更合理的形式。
    2、 梁的断面也不合适，腹板过厚，既增加了自重，多用了材料，在受力上也无必要。
    B、 设计不要提出过分高的要求
    ①、 对焊缝，应该选用二级的不必要求一级，目前新修改后的规范中，已经明确的给出了适用范围，设计中提的要求过高，既浪费了施工中能耗、人力和物力，在检验时也费时费力。
    ②、 某工程采用内灌外包混凝土的多层钢骨砼框架柱，柱子钢骨采用箱型骨架，钢板又厚，很费工。
    （A） 不必作箱型骨架，加工、焊接，制作都很费事，可以用十字型截面钢骨。
    （B）既然包在砼中，不必按独立柱的要求来加工，可以放松一下。
    四、 标准图，包括，使用范围，不能随意改动。

    参考文献
    1、王仕统：浅谈钢结构的精心设计，工业建筑2003年增刊。
    2、姜学诗：钢结构房屋结构设计中常见问题分析。建筑结构2003、6
    3、陈肇元：要大幅度提高建筑结构设计的安全度。建筑结构99、1
    4、扬正海、何玲：基于概念设计的建筑结构CAD方法，建筑结构2003、10
    5、蔡益燕：门式刚架设计施工中的一些问题
    6、蔡益燕：关于门式刚架轻型房屋钢结构的抗震设计
    7、杨凤第：轻型钢结构房屋设计的问题探讨
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