工業(yè)建筑鋼結構設計淺議
[關鍵詞]工業(yè)建筑，鋼結構，節(jié)點設計，鋼結構方案，施工圖繪制
[前言]
隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，很多工業(yè)建筑要求跨度更大，施工周期更短，并且隨著我國的經(jīng)濟由粗放型經(jīng)濟向節(jié)能減排低碳環(huán)保的集約型經(jīng)濟的轉(zhuǎn)變，對于工程建筑材料的消耗要求更低，使得傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構在很多時候無法滿足投資方的要求。
鋼結構雖然在多次進行防腐和防火的維護以及鋼結構自身的穩(wěn)定性保證方面存在局限性，使得很多時候鋼結構上部結構本身的造價比混凝土結構要高。但是鋼結構在大跨度和施工周期方面的確較混凝土結構有很大的優(yōu)勢，而且鋼材本身的強度較鋼筋混凝土更高，同等強度的鋼構件較混凝土構件更輕，使得鋼結構的基礎較混凝土結構更小，總體投資較混凝土結構相差不多（輕鋼結構投資較混凝土結構還要低一些）。因此鋼結構被更廣泛的應用于工業(yè)建筑的設計和施工中，取得了很好的經(jīng)濟效益。
筆者所在的設計院長年從事工業(yè)建筑的設計工作，接觸了大量的鋼結構廠房的設計工作。我們認為，在鋼結構設計的整個過程中首先應該被強調(diào)的重點是鋼結構方案的確定，結構方案的選擇是否合理直接決定了工程設計的成�。黄浯尉褪枪�(jié)點的設計，節(jié)點設計是否合理基本上決定了鋼結構的安全性；最后就是施工圖的繪制，鋼結構本身安裝精度高決定了鋼結構施工圖繪制是一個很繁瑣的過程，完全依賴電腦成圖無法滿足構件的下料和安裝要求。
下面我們就從這三個方面為切入點對鋼結構的設計提出一些個人看法。
鋼結構方案的選擇及截面估算：
結構選型、結構布置與結構分析在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調(diào)的是“概念設計”，它在結構選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念沒計可以在早期迅速有效地進行構思、比較與選擇。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力、分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。
工業(yè)建筑鋼結構通常有框架、排架、輕型鋼結構門式剛架、普鋼門式鋼架、桁架等結構型式。
結構布置要根據(jù)體系特征、荷載分布情況及性質(zhì)綜合考慮。一般要剛度均勻，力學模型清晰；盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎；柱間抗側支撐的分布應均勻，其形心要盡量靠近側向力(風荷載、地震荷載)的作用線；否則應考慮結構的扭轉(zhuǎn)。結構的抗側應有多道防線：比如有支撐框架結構，柱子至少應能單獨承受1／4的總水平力。
為了更精確分析結構條件，新近的—些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能。正確使用結構分析軟件，還應對其輸出結果做“工程判定”。比如，評估各向總剪力、變形特征等。根據(jù)“工程判定”選擇修改模型重新分析還是修正其計算結果。不同的軟件會有不同的適用條件，工程設汁中的計算和精確的力學計算本身就有一定距離，為了獲得實用的設計方法有時會用誤差較大的假定，但對這種誤差會通過“適用條件、概念及構造”的方式來保證結構的安全。鋼結構設計中，“適用條件、概念及構造”與定量計算相比是更重要的內(nèi)容。
結構概念性布置結束后，我們可以對構件截面作初步估算。主要是粱柱和支撐的斷面形狀與尺寸的估算。鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1／20~50之間選擇。柱截面按長細比預估。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管、H型鋼截面等。對應不同的結構，規(guī)范中對截面的構造要求有很大的不同。如鋼結構所特有的組成構件的板件的局部穩(wěn)定問題，在普鋼規(guī)范和輕鋼規(guī)范中的限值有很大的區(qū)別。除此之外，構件截面形式的選擇沒有固定的要求，結構工程師應該根據(jù)構件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟美觀的截面。
構件設計與節(jié)點設計：
構件設計首先是材料的選擇。比較常用的鋼材標號是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn)。通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。從經(jīng)濟角度考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。構件設計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這與結構內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配。當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構件，從給定的截面庫里選擇加大—級，并自動重新分析驗算，直至通過。這就是常說的截面優(yōu)化設計功能之一，它大大減少了結構師的工作量。
節(jié)點設計是鋼結構設計的重要內(nèi)容之一。在結構分析前，就應該對節(jié)點的形式有充分的思考與確定。設計中經(jīng)常出現(xiàn)最終設計的節(jié)點形式與結構分析模型中使用的形式不完全—致，這種情況在設計過程中必須避免。節(jié)點按傳力特性可分為剛接、鉸接、半剛接，宜選擇前兩者進行簡單定量分析，因為半剛接節(jié)點在實際中的可操作性較差。節(jié)點連接兩種常用的方法是等強設汁和實際受力設計，設計手冊中通常有焊縫及螺栓連接表格供設計者方便查用。規(guī)范中對焊接焊縫的尺寸及形式有強制規(guī)定，應嚴格遵守。焊條的選用應與被連接金屬材質(zhì)相適應，不得任意加大焊縫。焊縫的重心應盡量與被連接構件重心接近(詳細內(nèi)容可查閱規(guī)范關于焊縫構造方面的規(guī)定)。高強螺栓現(xiàn)已廣泛的應用于工程實際中，根據(jù)受力特點分承壓型連接和摩擦型連接，兩者計算方法不同。高強螺栓最小規(guī)格M12，常用M16～M30，超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，實際施工過程中會存在無法擰緊的現(xiàn)象，設計中應慎重使用。連接板選取厚度為梁腹板厚度加4mm，然后驗算凈截面抗剪。節(jié)點設計需考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構件吊裝順序。節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平，比如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口需要數(shù)控機床等設備才能完成。
這里著重要提到的是鋼框架結構的節(jié)點抗震設計。對于抗震規(guī)范8.2.8條關于梁柱節(jié)點設計的規(guī)定對鋼框架的設計造成了很大的困擾。其規(guī)定連接焊縫的受彎承載力要大于相應框架梁全塑性受彎承載力的1.2倍，此規(guī)定是為了使大震作用下節(jié)點域部分的連接仍處于彈性階段不發(fā)生破壞，而梁構件端部首先進入塑性變形階段，即所謂塑性鉸內(nèi)移，此條文是為滿足抗震規(guī)范規(guī)定的“中震可修，大震不倒”而設定。我們知道塑性鉸的出現(xiàn)，會使框架結構整體的剛度銳減，而其在水平力左右下的變形能力加強。在短期的大震作用下結構整體吸收抵抗水平地震力的能力降低，而通過變形消耗地震力的能力提高。鋼構件進入塑性變形階段以后，其繼續(xù)承載能力還是很強的，因為鋼材是一種延性很好的建筑材料，使得建筑物不會因為塑性鉸的出現(xiàn)而立刻垮塌。但如果破壞發(fā)生在節(jié)點區(qū)域，會造成結構的脆性破壞，使得建筑物突然垮塌。這充分體現(xiàn)了“強節(jié)點弱構件”的節(jié)點抗震設計思想。如果我們基于焊縫與母材等強連接的基礎上進行節(jié)點計算，其節(jié)點如不作加強處理基本上無法滿足本條文的規(guī)定，如節(jié)點作局部加強（加蓋板、局部增加梁高或局部增加梁翼緣寬度）在計算上倒是可以滿足本條文的規(guī)定，但這種對于節(jié)點部位的局部加強會導致框架節(jié)點域部分的剛度增大過多，其后果是如發(fā)生大震節(jié)點部分的地震力吸收會進一步增加，最后的結果會是加強了節(jié)點后會招致更大的地震力的作用，在更大的地震力作用下加強后的節(jié)點未必能滿足計算規(guī)定。對此如果我們轉(zhuǎn)換設計思路，將梁端部的適當位置進行人為的削弱，即所謂框架梁柱的骨形連接，如此在大震作用下削弱部分的框架梁肯定要先于節(jié)點部分進入塑性工作狀態(tài)，我們其實就實現(xiàn)了塑性鉸由節(jié)點域內(nèi)移的目的，從而使梁柱連接節(jié)點不會發(fā)生破壞，保證了建筑物整體的安全度，這其實就是結構抗震設計中的耗能設計思想的體現(xiàn)。
