【结构设计论文】钢结构设计常见问题分析

【结构设计论文】钢结构设计常见问题分析摘要：随着建筑产业的不断发展，钢结构体系得到了广泛应用。在钢结构建筑设计的过程中，经常会遇到一些工程细节问题需要解决。本文结合以往工程中的设计经验，针对工程中的具体问题，分析产生问题的原因，并提出有效的处理措施，以确保钢结构设计符合建筑结构的实际要求。本文着重于研究钢结构设计中的常见问题。关键词：钢结构；设计；常见问题钢结构具有强度高、自重轻、抵抗变形能力强的特点，且材料匀质性和各向同性好，属于理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定。同时，钢结构建筑施工工期短、工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产，由此可以获得更高的经济效益，所以在建筑物中得到广泛应用。与传统的建筑材料相比，钢结构存在诸多优势，但也存在一定的不足，如果不采取预防措施，很可能引起安全隐患。同时，建筑结构的自身复杂性和具体工程项目的独特性，对钢结构的设计要求也越来越高。所以，在钢结构设计中，应针对具体问题采取有效的措施加以解决。1钢结构设计中需要注意的内容1.1钢结构设计中要合理选择基本材料钢结构工程中普遍使用的钢材包括单轧钢板、连轧钢板。连轧钢板是由宽钢带进行剪切而成，在开平过程中，可根据用户的不同需求，经过不同的精整作业线加工而成为钢板等产品，其方便运输，经济性能好，长度可以自由决定。所以，连轧钢板在工程领域中得到广泛的应用。在钢结构工程中，一些厚度不大、尺寸较小的部件或对外观质量要求不高的部件也多使用连轧钢板作为焊接构件的腹板、翼缘板。但是，卷板在整平过程中很难达到规定的平整度，内应力较大，容易出现裂纹，在焊接的时候会产生很大的焊接变形，且很难调整。因此，考虑到连轧钢板有着不可靠的机械性能，在建筑工程中的厚板构件、大尺寸焊接构件以及对外观质量要求较高的部件，一般均不得使用连轧钢板，应优先采用机械性能更为稳定的单轧钢板。1.2钢结构设计中所选取的截面要科学在钢柱的截面设计中，宜优先选择宽翼缘热轧型钢，目的是使钢柱横截面的两个方向强度、刚度以及稳定性都尽量接近，由此可以优化截面，提高截面的利用率。箱形柱、十字形钢柱的横截面的双向参数、性能更为均匀，但是其构件的加工和安装相对较为麻烦，经济性能也较差，一般仅用在特别重要、受力复杂的部位。当建筑平面柱网双向柱之间的距离较大的时候，使用中翼缘热轧或焊接型钢效果更好一些，合理设置钢柱截面的双向参数，可以使得钢柱截面有较高的利用率，更易于优化设计。在钢梁的截面设计中，可以优先选取窄翼缘型钢，充分利用钢梁截面，提高钢梁的抗弯承载能力，钢材使用量上较为经济，所需的连接螺栓的排数也会少一些。从楼层净高考虑的话，窄翼缘型钢可能会对楼层净高产生一定的影响，若对楼层净高有一定要求，可以采用中翼缘型钢，其效果更好。在螺栓数量相等的情况下，截面相对较高的梁与截面小的梁相比，其螺栓具有更强的抗弯承载能力。通常情况下，在窄翼缘型钢作为框架梁时，框架梁柱节点使用两排螺栓就可以使其功能发挥出来。在中翼缘型钢作为框架梁时，框架梁柱节点可以使用三排螺栓，而框架梁为宽翼缘型钢时，可能需要使用三排螺栓甚至更多的排螺栓。随着螺栓数量的增加，连接节点的连接板规格也要相应地增大，板厚有所增加，在加工、制作、安装施工时会更加烦琐，成本也会增加。1.3钢结构设计中要做好柱间支撑工作在钢结构体系中，柱间支撑的设置是需要格外重视的。如果钢柱的自身刚度比较小，或柱与柱之间的距离较大、层高也相对较大，层间位移角就很难满足规范要求。在设计中如果采用柱截面加大的方式，钢结构的位移角值会有所减少，但这样就会导致成本增加，很不经济。通常的做法是充分考虑平面功能布置，选取合适的位置设置适当的柱间支撑，从而使规定的位移角满足规范要求，钢材的使用量虽然有所增加，但是不多。值得注意的是，柱间支撑的设置会影响结构主体各方向的刚度、特征周期等参数，这就需要在布置支撑时尽量做到科学合理。具体的工作中应着重考虑以下几点：柱与柱之间的支撑数量要合理，不能太多，这样会使结构整体刚度过大，导致地震力增大。钢结构整体使用的钢量过多，既无法满足实际需要，也会提高成本。合理布置支撑，要建立在建筑功能充分发挥的基础上，支撑的两边要对称布置，受力均匀。沿着竖向从底到顶通长布置，保证各个部位受力均匀。同一单体内的支撑最好使用同一柱间的支撑，柱间支撑所在的位置有较大的受力，若传给基础就会导致基础的受力增大，这就需要在支撑的位置设置基础梁，增加基础受力，保证基础有良好的稳定性，对上部结构产生支撑作用。1.4钢结构设计中的框架梁柱节点要满足施工要求在钢结构设计中，要重视框架梁柱节点。节点域影响着整个钢结构的稳定性。如果柱腹板相对较薄，梁柱连接节点域会存在抗剪承载力不足的问题。若柱截面采用热轧型钢时，最为方便的做法是在柱节点域补贴补强钢板。若柱腹板没有连接到钢梁，也可以将斜向加劲肋板设置在节点域腹板上，从而起到补强的作用，而且施工操作非常方便。若柱截面的组合使用型钢，可以使用较厚的钢板替换节点域处的腹板，这样施工更加方便。设计师在实现梁柱节点的塑性铰外移至梁端部时，需要在梁柱节点予以加强，做到强节点。具体方法如下：在钢梁与钢柱弱轴连接节点处，可以采用对梁端部上翼缘板和下翼缘板都加宽的做法；钢梁与钢柱强轴连接节点处，可以采用对梁端部上翼缘板和下翼缘板都加宽的做法，也可以采用对梁端的上翼缘板和下翼缘进行加强板加强处理，同样可以达到强节点的目的，但是此种做法在制作和安装施工的过程中，操作上要相对烦琐一些；钢梁连接到钢柱强轴时，还可以采用在梁端下翼缘处角部加腋的方法，这个操作比较简单，安装也方便，但是，由于梁底会存在竖向下凸角，整体的美观度会受到影响。建筑专业可以采取局部装饰处理手段进行处理，使之不影响使用及美观要求。2钢结构设计中常见问题的处理措施2.1钢结构的钢梁设计问题处理措施建筑的钢结构设计中，宜优先设计成直线梁，直线梁受力简洁、明晰，更能与计算假定相吻合，而折梁和弧梁在荷载作用下，产生的内力更为复杂，在扭力作用下更容易引起失稳破坏，宜尽量避免。在建筑设计中若有特殊要求，确实需要采用折梁或者弧梁的形式，则应在直线梁上布置外伸钢梁与弧形梁或折梁进行侧向连接，外伸钢梁对弧梁或折梁起到一定的侧向支撑作用，对弧梁或折梁的侧向弯曲予以约束控制，保证弧梁或折梁的稳定性，避免其过早失稳破坏。2.2钢结构的钢梁节点设计问题处理措施在钢结构的次梁与主梁连接、二级次梁与一级次梁连接处，通常在设计中均选用铰接节点进行连接，钢结构部件运输到施工现场之后，可以按照设计进行快速安装连接，不但便捷而且经济。在悬挑梁部位，悬挑段根部与支撑梁连接应按照刚接节点处理，这样可以将悬挑部分荷载传递到支撑横梁上。如果悬挑梁端部与弧梁或折梁相连，则此连接节点也应设计成刚接节点，这样可以减小弧梁或折梁在节点处的扭转角度，梁的应力也会大大减少，弧梁或折梁自身产生的变形幅度不会太大，从而降低弧梁扭转失稳破坏的风险。2.3钢结构的构件刚度偏小问题处理措施钢结构构件尺寸及刚度过小，其位移比、位移角一般均会偏大，构件的翼缘、腹板也极易发生屈曲失稳，进而导致整个构件的失稳破坏。为避免构件失稳破坏，首先，在进行钢结构梁与柱连接设计时，要尽可能地将构件中心对齐，目的是减少偏心荷载对构件产生的不利影响；其次，要采取必要措施，严格控制结构体系的位移比和位移角；再次，结构计算时宜考虑P-效应，充分考虑竖向荷载P在水平位移的情况下，结构内部各构件产生的附加内力对整体结构的不利影响。2.4钢结构的采用薄壁构件设计问题处理措施在一些钢结构设计中，结构体系中的主要构件应尽量避免采用薄壁构件。在受力较小的部位，薄壁构件的强度和稳定性很容易满足，但其他不利因素也应着重考虑，如在钢结构的安装过程中，采用焊接技术会导致容母材被烧伤，从而影响中板钢构件。钢结构设计中使用薄壁构件，还要做好防腐处理工作，一旦钢材被锈蚀，薄壁构件的强度就会快速下降，整体结构和构件的安全性能就会大大降低，导致钢结构的使用寿命缩短，所以，在严格做好日常维护工作的同时要充分考虑薄壁构件今后的易于更换性。2.5钢结构其他构件设计问题处理措施钢结构最大的隐患就是失稳问题，为了保证钢结构有足够的稳定性，就需要根据实际情况采取必要的构造措施，如对于钢构件型钢截面上的腹板可以使用波纹形腹板代替，使得钢截面增加，同时抗屈曲性能也得以增强，且可以减少钢材的使用量。楼板设计时采用钢筋桁架楼板，楼板底面更加平整，而且钢结构的成本也会降低，不再使用支模板，施工现场不需要绑扎钢筋，场地也不会被占用，施工的工作量也相应减少。这样不仅加快了建筑施工进度，而且提高了施工质量。3结语通过上面的分析可知，在钢结构工程设计过程中，设计师不但要考虑结构整体及相关构件应满足规范及计算要求，还要考虑施工的可行性、便捷性和经济性，以及今后使用过程中可能出现的诸多不利因素。参考文献1林涛钢结构在建筑结构设计中存在的问题及其应对措施J工程建设与设计，2018（13）：67-68，752郝际平，薛强，樊春雷装配式钢结构建筑体系及低能耗技术探索研究与应用J中国建筑金属结构，2018（11）：19-253董石麟中国空间结构的发展与展望J建筑结构学报，2010，31（06）：38-514杨尉彪，高小旺，张维岳，等高层建筑钢结构梁柱节点试验研究J建筑结构，2001（08）：3-8