本站原创【摘 要】由于钢材具有较高的强度、较好的延性及加工性能而被广泛应用于建筑领域,本文首先对钢结构设计工作中应予关注的问题进行了分析,然后提出了解决问题的指导思想及方法,以期对钢结构设计工作起到参考作用.
【关 键 词 】结构布置；边界假定；安全储备
前言
近年来,钢结构的应用范围越来越广,技术越来越成熟,国家相应出台了不少规则、手册、图集来规范设计、施工行业.但毕竟结构体系千变万化,设计、施工人员在应用过程中还是会产生诸多的问题.比如在设计阶段,由于项目工期紧、任务重,施工图设计采用程序自动生产或套用图集,未能深刻理解设计内容的关联性,特别对施工经验不足的人员来说,常会造成钢结构安装过程中产生问题.此外,设计人员水平参差不齐,在材料选用、节点做法等各方面没有深刻领会,也常会造成材料采购、钢结构加工、运输、安装等方面的困难,钢结构设计是一项系统性的工作,不仅要牢固的结构等相关专业知识,还要在设计工作中不断的积累经验,完善自身的知识体系,关注本文所述的各项问题,设计中要对结构的安全性、适用性、经济性、美观性以及制作安装等多方面的因素同时考虑,理论联系实际,脚踏实地一步一步提高自身的设计水平.
一、结构布置问题分析
进行结构计算之前,应首先从结构整体的稳定性,传力途径的明确性,结构布置的规则性,刚度分布的均匀性,抗震能力的优劣性等几方面入手确定结构布置方案,并本着布置方案与结构形式必须同时考虑的指导思想,初步选定几个方案.然后根据以往的设计经验或相关资料对各种方案进行结构和经济方面的分析和比较,最后选定一个综合最佳的结构布置方案进入下一步工作.结构布置的好坏直接关系到设计成果的优劣,以门式刚架为例,在满足建筑使用功能的前提下,应首先考虑结构体系的合理性和经济性,必要时还要对主次结构进行测算,在选择布置方案的过程中应避免片面的追求压低主结构或次结构的用钢量而忽略了整体用钢量的概念.优选方案的最终目的是保证安全度的前提下,达到结构整体用钢量最低的目标.
二、计算模型简化及构件协同工作分析
能否正确的对各种结构简化成能够用于计算的模型是结构设计工作成败的关键.结构设计中必须做到计算模型与最终实际结构相一致.例如进行刚架或桁架的平面内计算时,需要假定其平面外的计算长度,这个计算长度需要通过在结构的平面外设置支撑类等构件来实现,如果无法设置或采取措施保证,就须改变计算长度假定.再比如计算抗风柱时未考虑柱顶承受竖向荷载,而节点设计时却没有切断屋面梁与抗风柱的传力途径,既与计算假设不符,又很可能造成安全隐患.当计算中遇到某几个构件验算不满足规范要求时,可以直接调整相应构件,也可以从构件整体协同工作的角度分析原因.例如门式刚架计算中,会因为梁抗弯刚度的改变而影响到柱的验算结果,反之亦然.再如网架计算中也会遇到需要将个别杆件截面加的很大的情况下计算才能通过,这时候就要考虑整个结构协同工作时的力流问题,很有可能因为被加大杆件的存在而干扰了杆件内力的合理流向.故结构设计过程中适时地改变“头痛医头”,”“脚痛医脚”的做法会得到很多意想不到的收获.
三、边界条件假定问题分析
结构边界条件 （或称支座） 的假定关乎计算的结果是否能反映结构真实的受力状态.典型的例子如两端铰接的柱面双层网壳,在单独计算上述结构时,当假设两端的支座固定时,网壳更多的表现拱的特性,当释放一端支座的平面内水平位移约束时,网壳可能表现出曲梁的特性,即支座的侧移刚度假定会对计算结果产生较大影响,所以正确的设置结构的边界条件至关重要.比较妥当的做法是将下部结构同上部结构一起建模,赋予相关特性后进行整体分析、计算,以得到接近结构真实承载状态的结果.
四、节点设计问题分析
节点设计是结构设计过程中的重要一环,因为节点构造不合理导工程出现问题的事例很多.节点设计须从满足结构、构造、制作以及施工等方面的要求进行.首先结构的要求在门规、钢规、抗规中已有详细规定,这里不再赘述.其次构造的要求需要注意,比如在工作温度等于或低于零下20 摄氏度时,构件连接宜计成螺栓连接,不宜采用焊接；采用高强螺栓连接的节点,高强螺栓的数目不宜少于2 个.再次制作的要求也要考虑,节点过于复杂既增加了加工难度又因为质量难以保证而影响节点的力学性能.常见的不合理节点如门架牛腿处的加劲板间距离过近,导致相邻的加劲板有一侧没有施焊空间.框架结构中的小直径圆管柱与框架梁连接位置柱内加劲板与管口距离较大导致无法施焊.最后是施工的需要,比如螺栓的安装空间预留不足,导致螺栓无法安装或虽安装上了,却没有拧紧扳手的操作空间.再如只设置一个临时固定用的安装螺,导致构件吊装时没有辅助就位孔,浪费人工及机械费用.
五、结构安全储备问题分析
结构安全是整体安全,个别杆件的承载能力提高对提高整个结构的承载能力作用不大,对特定的结构而言还有可能起到相反的作用.很多人经常拿平米用钢量来衡量结构优化设计的好坏,却忽略了相同平米用钢量的结构安全储备却不一定相同.优化应首先考虑变化方案,简化结构传力模式和传力途径,做到大处节省,具体到杆件节点则要放宽.如果原结构各构件安全储备相差严重时,可以选择一个合适的安全储备标准来调整各构件型号,该加大的加大,该减小的减小,以达到结构中各构件的安全储备处于基本相同的水准为目的.有的设计人员为了节省钢材,在设计汇总将构件的应力指标用得很满,非常接近规范允许的限值.这种做法有两个弊端：一是牺牲了结构的安全储备,二是将功能限制得太死,适用范围太小.建筑的功能将因为省掉的有限造价而大大折扣,综合经济效益降低,得不偿失.条件允许的情况下,尽量将结构做成具有多道设防的超静定结构,超静定次数越多,结构的安全储备就越大.静定结构中单个构件在承载中失效,整个结构也随之失效.而超静定结构在承受荷载作用而失效的过程中,在结构成为可变体系之前,由于超静定次数逐渐减少时,结构会出现一系列的破坏征兆,便于被人们发现,从而延长人们在结构破坏时的反应时间,为减少人员伤亡及财产损失提供了有利条件.
六、地域行业发展水平分析
任何先进的设计方法都无法超越实际的制作安装水平来实现,设计要符合所在地域的行业发展水平,设计人员不能不考虑这个因素,应从设计角度调整相应的标准或要求以适应地区的行业发展水平.要注意设计图纸的深度,详细可参考《钢结构设计制图深度及表示方法》.2008 年,某钢结构工程的施工工地上,重钢格构柱不慎倾倒后摔得七零八落的事故发生后,对其鉴定为“不满足设计要求”不应该是作为设计人员考虑的唯一问题.
七、结语
由于我国的钢结构产业的相对发展时间比较短,钢结构设计从业人员的水平良莠不齐,致使因设计疏漏或失误引起钢结构质量问题的事例屡见不鲜.对于工程的结构设计来说,除“保证安全”这一最低要求外,还有其他许多内涵丰富的要求.本文根据自己多年参加钢结构设计工作的经验,就钢结构设计工作中应关注的一些问题在这里提出一些浅显的看法以供参考.钢结构虽然相对简单,但设计中仍有很多需要注意的问题,只有熟练地掌握规范,并具有良好的结构概念,才能设计出既安全又经济适用的优秀作品.