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建筑鋼結構工程設計中的幾個(gè)問(wèn)題

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )建筑鋼結構委員會(huì )專(zhuān)家組成員 薛發(fā)）

    近年來(lái)，隨著(zhù)我國鋼產(chǎn)量的迅猛增長(cháng)，再加上國家產(chǎn)業(yè)政策的調整，在建筑工程中，鋼結構應用越來(lái)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(wù)樓，大型展館、會(huì )展中心、體育館、飛機庫、機場(chǎng)候機樓等；同時(shí)出現許多新型結構體系，如索?梁、索?桁架、索穹頂，索?膜結構、開(kāi)合結構等等。網(wǎng)架和門(mén)式剛架為代表的輕鋼結構建設規模達到每年幾百萬(wàn)m2的速度發(fā)展。住宅鋼結構已進(jìn)入起步階段，鋼結構加工制造企業(yè)也如雨后春筍般涌現，更出現了像蕭山這樣的鋼結構產(chǎn)業(yè)基地，這些都是非?？上驳默F象。但是，由于歷史的原因，過(guò)去建筑鋼結構應用相對較少，設計人員鋼結構設計經(jīng)驗較少，實(shí)踐經(jīng)驗較缺乏，對鋼結構的加工制造方面知識了解不多。相對來(lái)說(shuō)，對鋼筋混凝土工程比較熟悉，做起來(lái)輕車(chē)熟路，也就不太愿意鉆研建筑鋼結構技術(shù)，再加上施工單位和制造業(yè)內，熟練的技術(shù)人員和技工相對匱乏，滿(mǎn)足不了發(fā)展形勢的需要，工程經(jīng)驗不足。因此，目前建筑鋼結構中存在一系列的問(wèn)題?，F在僅就鋼結構設計中的幾個(gè)問(wèn)題談點(diǎn)初淺看法：
    一、對規范的認識、理解、及使用上的問(wèn)題。國家頒布的各類(lèi)設計標準，像結構設計標準（規范、規程、標準、規定等）是一個(gè)時(shí)期內，一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)水平、工程經(jīng)驗及經(jīng)濟水平、綜合經(jīng)濟實(shí)力、自然資源狀況、社會(huì )財富的積累程度，以及設計水平、施工技術(shù)水平、材料供應保證水準等諸多因素的綜合反映。一個(gè)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(shù)要求，而不是較高的要求。是結構造價(jià)與安全風(fēng)險的綜合平衡。一個(gè)國家頒布的規范是一個(gè)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(guān)規范。更應該了解這些規范在整個(gè)國家規范體系中的位置以及相互關(guān)系?，F行的規范中，與建筑鋼結構工程有關(guān)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(lèi)型專(zhuān)用規范，其中有國標、行標、地方標準。有通用標準，也有專(zhuān)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(shù)性法律文件，廣大設計、施工工程技術(shù)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(gè)層次，見(jiàn)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(gè)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(guān)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(mén)式剛架技術(shù)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(shù)語(yǔ)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(mén)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(guān)標準執行。
    2、對通用規范和專(zhuān)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(wú)論哪一類(lèi)工程都必須遵守其原則，如與之相抵觸，必以它為準。這一類(lèi)規范，如《鋼結構設計規范》GB50017-2003，《冷彎薄型鋼結構技術(shù)規范》GB50018-2002；而有些標準是針對專(zhuān)門(mén)結構類(lèi)型及其構件的，如“門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程”CECS102-2002。同一類(lèi)型結構的標準中，也分不同的層次，“門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程”在門(mén)式剛架房屋中就是通用的，而“門(mén)式剛架輕型房屋鋼構件”TG144-2002就屬于低一層次的，是針對門(mén)式剛架構件制作的專(zhuān)用標準。一般來(lái)說(shuō)“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(lèi)型，在另一個(gè)層次上，屬于大的結構分類(lèi)中，必須遵守上一層的原則。如門(mén)式剛架是屬于框架結構中的一種，它除了遵守《門(mén)式剛架輕型型鋼結構技術(shù)規程》的規定外，還要遵守框架結構的有關(guān)規定，例如，當必需考慮抗震時(shí)，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(diǎn)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(shí)，還應按照《建筑抗震設計規范》第8章來(lái)控制板的寬厚比和長(cháng)細比，如表8.3.2-1的規定。
    4、構造問(wèn)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(mén)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(xiě)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(zhì)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(lái)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(wèn)題。6.6.1條也有些含混不夠準確。 在實(shí)際工程中，有時(shí)會(huì )出現下列問(wèn)題:
    A）我們看到實(shí)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(wú)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(fēng)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(shí)，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(shí)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(shí)也應設置隅撐。但實(shí)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(guān)于墻梁?jiǎn)?wèn)題,最近看到一個(gè)門(mén)式剛架工程，跨度30m，檐高8.5m，外墻板采用了長(cháng)度等于柱距的復合金屬面保溫板，大波高，制作安裝質(zhì)量都相當好，外形整美觀(guān)。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(gè)問(wèn)題，板的跨度太大，條板之間沒(méi)有連系，對結構整體性和構件平面外穩定性沒(méi)有保證的。門(mén)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(lái)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(guān)于這一點(diǎn)，《冷彎薄壁型鋼結構技術(shù)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(lái)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(lái)保證，而且墻梁的設置還必須通過(guò)計算。門(mén)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(shí)際剛架柱的內側翼緣受壓時(shí)，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(huì )危及工程的安全性。
    二、設計簡(jiǎn)圖與計算問(wèn)題
    在目前的工程中，門(mén)式剛架逐漸地發(fā)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(mén)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(diǎn)作為上部門(mén)式剛架的基座，在計算時(shí)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(jìn)行分析，考慮上下層的相互作用，相互影響，這樣才能較真實(shí)地反應結構的實(shí)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(gè)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?jì)H用混凝土樓板來(lái)傳遞，這里的彎矩是很大的，只靠樓板是無(wú)法抵抗的。應當指出：

    1、無(wú)論用那種方法計算，在構造上是不妥的。
    2、從受力情況看，產(chǎn)生了剛度不對稱(chēng)，在地震的作用下，必然產(chǎn)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(jìn)行鋼結構工程設計時(shí)，必須對方案及結構體系選型進(jìn)行周密的研究，力求在技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的基礎上，經(jīng)濟適用地選出最佳的方案，否則會(huì )造成極大的浪費和不安全。
    A.某工程的屋面上擬作屋頂觀(guān)賞花園，屋面采用了密排的22米長(cháng)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(jīng)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(guò)厚，既增加了自重，多用了材料，在受力上也無(wú)必要。
    B、 設計不要提出過(guò)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(jīng)明確的給出了適用范圍，設計中提的要求過(guò)高，既浪費了施工中能耗、人力和物力，在檢驗時(shí)也費時(shí)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(lái)加工，可以放松一下。
    四、 標準圖，包括，使用范圍，不能隨意改動(dòng)。

    參考文獻
    1、王仕統：淺談鋼結構的精心設計，工業(yè)建筑2003年增刊。
    2、姜學(xué)詩(shī)：鋼結構房屋結構設計中常見(jiàn)問(wèn)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(mén)式剛架設計施工中的一些問(wèn)題
    6、蔡益燕：關(guān)于門(mén)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(wèn)題探討
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