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建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中的幾個問題

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會專家組成員 薛發(fā)）

    近年來，隨著我國鋼產(chǎn)量的迅猛增長，再加上國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，在建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛，各地相繼建成許多高層，大跨度的鋼結(jié)構(gòu)工程，像幾十層的辦公商務(wù)樓，大型展館、會展中心、體育館、飛機庫、機場候機樓等；同時出現(xiàn)許多新型結(jié)構(gòu)體系，如索?梁、索?桁架、索穹頂，索?膜結(jié)構(gòu)、開合結(jié)構(gòu)等等。網(wǎng)架和門式剛架為代表的輕鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)模達到每年幾百萬m2的速度發(fā)展。住宅鋼結(jié)構(gòu)已進入起步階段，鋼結(jié)構(gòu)加工制造企業(yè)也如雨后春筍般涌現(xiàn)，更出現(xiàn)了像蕭山這樣的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)基地，這些都是非?？上驳默F(xiàn)象。但是，由于歷史的原因，過去建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用相對較少，設(shè)計人員鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗較少，實踐經(jīng)驗較缺乏，對鋼結(jié)構(gòu)的加工制造方面知識了解不多。相對來說，對鋼筋混凝土工程比較熟悉，做起來輕車熟路，也就不太愿意鉆研建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)，再加上施工單位和制造業(yè)內(nèi)，熟練的技術(shù)人員和技工相對匱乏，滿足不了發(fā)展形勢的需要，工程經(jīng)驗不足。因此，目前建筑鋼結(jié)構(gòu)中存在一系列的問題?，F(xiàn)在僅就鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題談點初淺看法：
    一、對規(guī)范的認識、理解、及使用上的問題。國家頒布的各類設(shè)計標準，像結(jié)構(gòu)設(shè)計標準（規(guī)范、規(guī)程、標準、規(guī)定等）是一個時期內(nèi)，一個國家的科學(xué)技術(shù)水平、工程經(jīng)驗及經(jīng)濟水平、綜合經(jīng)濟實力、自然資源狀況、社會財富的積累程度，以及設(shè)計水平、施工技術(shù)水平、材料供應(yīng)保證水準等諸多因素的綜合反映。一個國家的結(jié)構(gòu)設(shè)計標準是對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)造價與安全風(fēng)險的綜合平衡。一個國家頒布的規(guī)范是一個完整的系統(tǒng)，是自成體系的，是分層次的。因此，要做好鋼結(jié)構(gòu)工程中的設(shè)計、加工、安裝工作，就必須全面地了解熟悉鋼結(jié)構(gòu)工作中有關(guān)規(guī)范。更應(yīng)該了解這些規(guī)范在整個國家規(guī)范體系中的位置以及相互關(guān)系?，F(xiàn)行的規(guī)范中，與建筑鋼結(jié)構(gòu)工程有關(guān)的，包括設(shè)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(jié)構(gòu)類型專用規(guī)范，其中有國標、行標、地方標準。有通用標準，也有專項工程標準。
    鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工規(guī)范、規(guī)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(shè)計、施工工程技術(shù)人員必須共同遵守。
    1、規(guī)范的使用是分層次的。鋼結(jié)構(gòu)工程所涉及的規(guī)范、標準大體上可劃分為五個層次，見圖1。在現(xiàn)行規(guī)范體系中，《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》GB50068-2001是最高層次的標準，它是制定《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》Gb50011-2001及各種結(jié)構(gòu)設(shè)計標準所遵守的準則。它不僅適用于建筑物（包括構(gòu)筑物）的整個結(jié)構(gòu)以及組成的構(gòu)件和基礎(chǔ)的設(shè)計，而且，也適用于結(jié)構(gòu)的使用階段以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作、運輸、與安裝等施工階段。因此，有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)施工及驗收規(guī)范以及其它標準均是按其規(guī)定的原則制定的。

    如門式剛架技術(shù)規(guī)程的1.0.3條：規(guī)程遵照國家標準“建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準”GB50068規(guī)定的原則，根據(jù)現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計術(shù)語和符號標準》…等的一般規(guī)定，立足于我國輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的具體條件編制而成。1.0.4條規(guī)定：門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制作、安裝和維護要求，本規(guī)程未作規(guī)定者的均應(yīng)按現(xiàn)行有關(guān)標準執(zhí)行。
    2、對通用規(guī)范和專項規(guī)范的理解涉及到鋼結(jié)構(gòu)工程中的許多規(guī)范，有的是通用規(guī)范，無論哪一類工程都必須遵守其原則，如與之相抵觸，必以它為準。這一類規(guī)范，如《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003，《冷彎薄型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018-2002；而有些標準是針對專門結(jié)構(gòu)類型及其構(gòu)件的，如“門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”CECS102-2002。同一類型結(jié)構(gòu)的標準中，也分不同的層次，“門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”在門式剛架房屋中就是通用的，而“門式剛架輕型房屋鋼構(gòu)件”TG144-2002就屬于低一層次的，是針對門式剛架構(gòu)件制作的專用標準。一般來說“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、有些工程類型，在另一個層次上，屬于大的結(jié)構(gòu)分類中，必須遵守上一層的原則。如門式剛架是屬于框架結(jié)構(gòu)中的一種，它除了遵守《門式剛架輕型型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定外，還要遵守框架結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)定，例如，當必需考慮抗震時，它就必須遵守《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第8.3.6條的規(guī)定，該條是強制性條文，要求組合柱在梁翼緣上下各500mm節(jié)點范圍內(nèi)，柱翼緣與柱腹板間或箱型柱壁板間的連接焊縫，應(yīng)采用坡口全熔透焊縫，不允許采用角焊縫。另外，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003的構(gòu)造規(guī)定是用于非抗震結(jié)構(gòu)的，而在抗震設(shè)計時，還應(yīng)按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第8章來控制板的寬厚比和長細比，如表8.3.2-1的規(guī)定。
    4、構(gòu)造問題：
    對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計施工規(guī)范，必須全面系統(tǒng)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(shè)計計算是一種手段，而不是設(shè)計的全部，而且規(guī)范中的構(gòu)造規(guī)定也是極為重要的。
    例如，門式剛架規(guī)程并未嚴格規(guī)定使用何種屋面，該規(guī)程6.6.1條只是寫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(fù)合板和玻璃纖維增強水泥板（GRC板）等輕質(zhì)材料。但此種結(jié)構(gòu)在整體剛度上是考慮存在“蒙皮效應(yīng)”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(wěn)定性，危及結(jié)構(gòu)的安全。如果不從規(guī)范的編制背景及結(jié)構(gòu)整體考慮，單純從1.0.2條和6.6.1條來機械理解，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題。6.6.1條也有些含混不夠準確。 在實際工程中，有時會出現(xiàn)下列問題:
    A）我們看到實際工程中，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(shè)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(shè)置或設(shè)置不當。按規(guī)程規(guī)定，當檁條或墻梁與剛架連接時，在斜梁下翼緣的受壓區(qū)和剛架柱內(nèi)側(cè)翼緣的受壓區(qū)應(yīng)設(shè)置隅撐，斜梁隅撐間距若不作計算時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(shè)置一根隅撐。采用雙層屋面時也應(yīng)設(shè)置隅撐。但實際工程中，有的未按要求設(shè)置，有的設(shè)置很少或設(shè)置不當。
    5、關(guān)于墻梁問題,最近看到一個門式剛架工程，跨度30m，檐高8.5m，外墻板采用了長度等于柱距的復(fù)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。但板是直接安裝在剛架柱上的，未設(shè)墻梁，這樣就出現(xiàn)了一個問題，板的跨度太大，條板之間沒有連系，對結(jié)構(gòu)整體性和構(gòu)件平面外穩(wěn)定性沒有保證的。門式剛架的蒙皮效應(yīng)是靠檁條、墻梁、隅撐和墻面板及屋面板來共同完成的，因為斜梁和柱子是工字形截面的，且平面外剛度較小，穩(wěn)定性是由墻梁隅撐俁證的。關(guān)于這一點，《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018-2002的10.1.1條明確指出：剛架在其平面內(nèi)的整體穩(wěn)定，可由剛架柱的穩(wěn)定計算來保證，變載面剛架梁、柱在剛架平面外的穩(wěn)定性可由檁條和墻梁設(shè)置隅撐來保證，而且墻梁的設(shè)置還必須通過計算。門式剛架規(guī)程中6.4.4條有詳細規(guī)定，只當外側(cè)設(shè)有壓型鋼板的實際剛架柱的內(nèi)側(cè)翼緣受壓時，可在內(nèi)側(cè)翼緣設(shè)置成對的隅撐，作為柱的側(cè)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?shù)?，會危及工程的安全性?br /> 二、設(shè)計簡圖與計算問題
    在目前的工程中，門式剛架逐漸地發(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作為上部門式剛架的基座，在計算時將上下層分別計算。這是不妥的，應(yīng)該將上下兩層作為整體進行分析，考慮上下層的相互作用，相互影響，這樣才能較真實地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實際受力情況。在某些多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中，采用框架?筒體結(jié)構(gòu)，筒體結(jié)構(gòu)是由樓梯間和衛(wèi)生間或廚房組成，用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，用于抵抗水平力的作用，而其余部分用鋼結(jié)構(gòu)框架。但是個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，局部僅用混凝土樓板來傳遞，這里的彎矩是很大的，只靠樓板是無法抵抗的。應(yīng)當指出：

    1、無論用那種方法計算，在構(gòu)造上是不妥的。
    2、從受力情況看，產(chǎn)生了剛度不對稱，在地震的作用下，必然產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。
    3、樓板與RC筒體連接構(gòu)造也難以傳遞力的作用。
    三、精心設(shè)計
    在進行鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計時，必須對方案及結(jié)構(gòu)體系選型進行周密的研究，力求在技術(shù)先進、安全可靠的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟適用地選出最佳的方案，否則會造成極大的浪費和不安全。
    A.某工程的屋面上擬作屋頂觀賞花園，屋面采用了密排的22米長鋼梁，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，腹板過厚，既增加了自重，多用了材料，在受力上也無必要。
    B、 設(shè)計不要提出過分高的要求
    ①、 對焊縫，應(yīng)該選用二級的不必要求一級，目前新修改后的規(guī)范中，已經(jīng)明確的給出了適用范圍，設(shè)計中提的要求過高，既浪費了施工中能耗、人力和物力，在檢驗時也費時費力。
    ②、 某工程采用內(nèi)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加工，可以放松一下。
    四、 標準圖，包括，使用范圍，不能隨意改動。

    參考文獻
    1、王仕統(tǒng)：淺談鋼結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計，工業(yè)建筑2003年增刊。
    2、姜學(xué)詩：鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題分析。建筑結(jié)構(gòu)2003、6
    3、陳肇元：要大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度。建筑結(jié)構(gòu)99、1
    4、揚正海、何玲：基于概念設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)CAD方法，建筑結(jié)構(gòu)2003、10
    5、蔡益燕：門式剛架設(shè)計施工中的一些問題
    6、蔡益燕：關(guān)于門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計
    7、楊鳳第：輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計的問題探討
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