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時間：2022-11-04 14:04:04
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2加建工程的現(xiàn)狀
我國加建設(shè)計起步比較晚，與世界先進國家之間存在著一定的差距。隨著社會的不斷發(fā)展與進步，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，加建工程得到了很大的發(fā)展空間，并且在我國各地都開展了一些舊房挖潛、改造、加建等工程，并且在上海、重慶、廣州、貴陽、昆明等地都將舊房改造工程列入到了城市規(guī)劃項目當(dāng)中，頒布了相應(yīng)的文件與規(guī)章制度。由此可以看出，我國加建工程得到了很大的發(fā)展空間。1)由以往的單個房屋加建發(fā)展為成片住宅區(qū)的加建工程;2)各種新材料、新工藝應(yīng)用到了加建工程當(dāng)中;3)輕鋼結(jié)構(gòu)加建技術(shù)得到了深入的分析與研究，并且在加建工程中得到了廣泛的應(yīng)用。
3鋼結(jié)構(gòu)加建的優(yōu)缺點
開展鋼結(jié)構(gòu)加建工程的時候，具有以下優(yōu)點:1)節(jié)約土地，提高土地面積的使用效率，縮短建設(shè)工期;2)因為鋼結(jié)構(gòu)的自重比較輕，因此，加建部分的荷載作用對原結(jié)構(gòu)的影響非常小，不需要單獨對地基進行加固處理，這樣不僅可以減少工作量，還可以縮短工期，節(jié)省部分施工成本;3)鋼結(jié)構(gòu)具有較強的多樣性，在進行加建的時候，可以充分發(fā)揮空間的優(yōu)勢，降低對原建筑結(jié)構(gòu)的影響;4)鋼結(jié)構(gòu)加建的適用范圍比較廣，不僅可以對房屋建筑進行加建，還可以對工業(yè)建筑進行加建，因此，在建筑加建工程中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，其也存在著一些缺點:1)在進行鋼結(jié)構(gòu)加建之后，其整體建筑結(jié)構(gòu)就會呈現(xiàn)一種上柔下剛、上輕下重的質(zhì)量與剛度分布，導(dǎo)致建筑整體性較差，缺乏一定的抗震性能;2)鋼結(jié)構(gòu)耐久性較差，在進行加建的時候，需要進行防腐、防火等措施的考慮，這樣就會增加一些建筑材料的使用，此時不僅會涉及到原材料的質(zhì)量問題，還要考慮原材料的成本問題，因此，存在著一定的不足。
4混凝土框架頂層加建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計
1)樓板設(shè)計。在設(shè)計樓板的時候，現(xiàn)階段一般選用的都是現(xiàn)澆灌技術(shù)。目前，現(xiàn)澆灌技術(shù)是樓板設(shè)計中最為常用與有效的方法，在采用此種方式進行鋼結(jié)構(gòu)施工的時候，可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性、牢固性與安全性。同時，在鋼結(jié)構(gòu)施工中，此種方法可以對出現(xiàn)的問題進行靈活的處理與調(diào)整，根據(jù)實際情況，提出有效的解決辦法，保證樓板設(shè)計與施工的順利進行，確保建筑工程的整體施工質(zhì)量。2)梁設(shè)計。在進行梁設(shè)計的時候，一定要結(jié)合國際設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與實際設(shè)計情況，制定合理、科學(xué)的鋼構(gòu)設(shè)計要求:首先，在進行梁設(shè)計的時候，一定要保證其截面寬度不會低于200mm，同時寬度與高度之間的比值不要超過4。其次，在梁設(shè)計中必然要使用一些鋼筋，對其使用鋼筋也要進行一定的規(guī)定，保證梁結(jié)構(gòu)具有一定的硬度與抗震性能，進而確保建筑工程整體結(jié)構(gòu)的牢固性與安全性。最后，在設(shè)計扁梁的時候，一定要保證梁中線和柱中線重合，采用雙向布置結(jié)構(gòu)。同時對扁梁進行嚴(yán)格的計算與設(shè)計，保證其結(jié)構(gòu)的合理性與科學(xué)性，增強建筑工程整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。3)柱設(shè)計。在進行柱設(shè)計的時候，一定要保證其截面符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):通常情況下，柱截面寬度與高度均不可低于300mm，柱直徑一定要超過350mm，截面短邊與長邊的比值不可以超過3，柱縱向鋼筋配比不可以低于0．2%等。在設(shè)計柱的時候，一定要嚴(yán)格遵照以上要求，這樣才可以保證柱設(shè)計的合理性與科學(xué)性，同時增強鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證建筑工程施工的順利完成。4)基礎(chǔ)承載重量構(gòu)件設(shè)計。在進行基礎(chǔ)承載重量構(gòu)件設(shè)計的時候，一定要綜合考慮各方面的因素，結(jié)合建筑負(fù)荷、結(jié)構(gòu)形式、施工狀況等，加強基礎(chǔ)設(shè)計的合理性與科學(xué)性，使其達(dá)到建筑工程整體設(shè)計要求。針對設(shè)計不合理、不符合要求的部分，一定要進行相應(yīng)的修改，保證其設(shè)計的合理性與科學(xué)性，這樣才可以保證建筑工程整體的施工質(zhì)量。
1．前言
《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》公布以來已經(jīng)快三年。這幾年，這類工程發(fā)展，《規(guī)程》起了很大推動作用，但也陸續(xù)聽到一些令人不安的情況。今冬雨水較大，降雪較多，有些地方雪特別大，結(jié)構(gòu)壓壞恐怕很難避免，但有的地方雪不大房子也有垮的，漏水的更多。最近某廠屋頂漏水解決不了，找到鋼結(jié)構(gòu)委員會來了，不是雨水，是冷凝水，以前還沒有碰到過。另外，也看到一些工程，有的框架梁太細(xì)，令人擔(dān)心，遇到大雪很可能出問題。有的骨架立起來搖搖幌幌，沒有支撐，說裝上墻板就好了，好象有了墻板就可以不要支撐?，F(xiàn)在排架多起來。用鋼筋砼柱、輕鋼梁，造價較低，但有的嚴(yán)重不合規(guī)定?，F(xiàn)在是市場驅(qū)動，有些企業(yè)搞承包能省就省，盡量壓低造價，管它是否符合規(guī)定。有的連規(guī)定也不清楚。利用開年會的機會，結(jié)合了解到的一些情況，就門式剛架房屋設(shè)計施工中的問題，作一個發(fā)言，拋磚引玉，希望和與會代表交流，取得一致看法。
2．設(shè)計方面
1）屋面活荷載取值
框架荷載取0.3kN/m2已經(jīng)沿用多年，不打算修改。但屋面結(jié)構(gòu)，包括屋面板和檁條，其活荷載要提高到0.5kN/m2?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》征求意見稿規(guī)定不上人屋面的活荷載為0.5kN/m2，但構(gòu)件的荷載面積大于60m2的可乘折減系數(shù)0.6。門式剛架一般符合此條件，所以可用0.3kN/m2，與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范保持一致。國外這類，要考慮0.15-0.5N/m2的附加荷載，而我們無此規(guī)定，遇到超載情況，就要出安全問題?，F(xiàn)在有的框架梁太細(xì)，檁條太小，明顯有克扣荷載情況，今后應(yīng)特別注意，決不允許在有限的活荷載中“挖潛”。
2）屋脊垂度要控制
框架斜梁的豎向撓度限值一般情況規(guī)定為1/180，除驗算坡面斜梁撓度外，是否要驗算跨中下垂度？過去不明確，它可能講課時說過不包括屋脊點垂度?，F(xiàn)在了解到，美國是計算的。他們作框架分析，一般是將構(gòu)件分段，用等截面程序計算，每段都要計算水平和豎向位移，不能大于允許值，等于要驗算跨中垂度。跨中垂度反映屋面豎向剛度，剛度太小豎向變形就大。要的度本來就小，脊點下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面豎向剛度過小，第一榀剛架與山墻間的屋面出現(xiàn)斜坡，使屋面變形。現(xiàn)在打算做個規(guī)定，剛架側(cè)移后，當(dāng)山尖下垂對坡度影響較大時（例如使坡度小于1/20），要驗算山尖垂度，以便對屋面剛度進行控制。
3）鋼柱換砼柱
少數(shù)單位設(shè)計的門式剛架，采用鋼筋混凝土柱和輕鋼斜梁組成，斜梁用豎放式端板與砼柱中的預(yù)埋螺栓相連，形成剛接，目的是想節(jié)省鋼材和降低造價。在廠房中，的確是有用砼柱和鋼桁架組成的框架，但此時梁柱只能鉸接，不能剛接。多高層建筑中，鋼梁與墻的連接也是如此。因為混凝土是一種脆性材料，雖然構(gòu)件可以通過配筋承受彎矩和剪力，但在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能很并，在外力作用下很容易松動和破壞。還有的單位，在門式剛架設(shè)計好之后，又根據(jù)業(yè)主要求將鋼柱換成砼柱，而梁截面不變。應(yīng)當(dāng)指出，砼柱加鋼梁作成排架是可以的，但將剛架的鋼柱換成砼柱，而鋼梁不變，是不行的。由于連接不同，構(gòu)件內(nèi)力也不同，要的工程斜梁很細(xì)，可能與此有關(guān)。建筑結(jié)構(gòu)是一門科學(xué)，如果不按科學(xué)辦事，是要吃苦頭的。今后國家要執(zhí)行建筑法，實行強制性條款，違反其中一項，出了工程事故，是要受罰的。
4）檁條計算不安全
檁條計算問題較大。檁要是冷彎薄壁構(gòu)件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，在受力時要屈曲，強度計算應(yīng)采用有效寬度，對原有截面要減弱，不能象熱軋型鋼那樣全截面有效。有效寬度理論是在《冷彎薄壁型鋼構(gòu)件技術(shù)規(guī)程》中講的，有的設(shè)計人員恐怕還不了解，甚至有些設(shè)計軟件也未考慮。但是，設(shè)計光靠軟件不行，還要能判斷。軟件未考慮的，自己要考慮，否則就不需要高級工程師了。再有，設(shè)計人員往往忽略強度計算要用凈斷面，忽略釘孔減弱。這種減弱，一般達(dá)到6-15%，對小截面窄翼緣的梁影響較大。剛架整體分析采用的是全截面，如果強度計算不用凈截面，實際應(yīng)力將高于計算值?！兑?guī)程》3.1.7條規(guī)定：“結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受拉強度應(yīng)按凈截面計算，受壓強度應(yīng)按有效截面計算，穩(wěn)定性應(yīng)按有效截面計算，變形和各種穩(wěn)定系數(shù)均可按毛截面計算”。曾有人問，這條規(guī)定是什么意思？如果有人再提這樣的問題，我想問他，鋼結(jié)構(gòu)學(xué)過沒有？因為這是鋼結(jié)構(gòu)的基本概念問題。如果這樣的問題都簽不出，說明他還不具備鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計資格的。有的單位看到國外資料中檁條很薄，也想用薄的。國外檁條普遍采用高強度低合金鋼，但我國低合金鋼Q345的沖壓性能不行，只有用Q235的。人家是按有效截面計算承載力的。如果用Q235的，又想用得薄，計算時還不考慮有效截面，荷載稍大時檁條就要垮。
3．施工方面
1）柱子拔出
有的剛架在大風(fēng)時柱子被拔起，這是實際中常出現(xiàn)的事故。主要原因不是剛架計算失誤，而且設(shè)計柱間支撐時，未考慮支撐傳給柱腳的拉力。尤其是房屋縱向尺度較小時，只設(shè)置少量柱間支撐來抵抗縱向風(fēng)荷載，支撐傳給柱腳的拉力很大，而柱腳又沒有采取可靠的抗拔措施，很可能將柱子拔起。，因此，在風(fēng)荷載較大的地區(qū)剛架柱受拉時，在柱腳應(yīng)考慮抗拔構(gòu)造，例如錨栓端部設(shè)錨板等。
2）沒有柱間支撐
這種情況最近較多，需要大聲疾呼，這樣不行。蒙皮作用雖然各國都在研究，但沒有任何一本規(guī)范允許不設(shè)支撐。蒙皮作用的影響因素太多，并非在任何情況多能發(fā)揮作用。特別是柱間支撐，受力較大，絕不能省略。蒙皮作用最多只能視為一種剛度儲備。
3）端板合不上
端板連接是結(jié)構(gòu)的重要部位。由于加工要求不嚴(yán)，而腹板與端板間夾角又，有的工程兩塊端板完全對不上，合不起來。強行用螺栓拉在一起，仍留下很寬縫隙，嚴(yán)懲影響工程質(zhì)量。
4）錨栓不鉛直
框架柱柱腳底板水平度差，錨栓不鉛直，柱子安裝后不在一條直線上，東倒西歪，使房屋外觀很難著，這種情況不少。錨栓安裝應(yīng)堅持先將底板用下部調(diào)整螺栓調(diào)平，再用用無收縮砂漿二次灌漿填實，國外此法施工。最近在上海討論輕鋼施工驗收規(guī)程，不少專家強調(diào)了這種方法。
5）保溫材吸水超重
有些房屋雪不大就垮了，究其原因，是屋面防水施工太差，雪融化后水逐漸滲入，為保溫村所吸收。今年冬季落雪多次，遷延時間較長。屋面的設(shè)計荷載很小時，當(dāng)吸水量達(dá)至一定程序，超過了結(jié)構(gòu)的承載能力，就要倒塌。
6）保溫材料胡亂安裝
保溫材料一般采用玻璃棉，其厚度根據(jù)熱功計算確定。正規(guī)做法是采用背面帶鋁箔隔汽層的玻璃棉，有的不用鋁箔，用牛皮紙，我不清楚牛皮紙是否可作隔汽層，如果可以，也比不用任何隔汽層好。防止冷凝水向室內(nèi)滴水，是房屋的使用要求之一。有人以為鋁箔只是為了美觀，或承受拉力，實際上它的主要作用是作隔汽層。承受懸掛時的拉力還可以用玻璃纖維布或鋼絲網(wǎng)。現(xiàn)在看到有些工程，玻璃棉不用任何隔汽層。另外，當(dāng)采用內(nèi)層鋼板吊頂時，不是將保溫卷材壓在檁條上，而是為了施工方便，將保溫材剪斷，放在檁條之間的吊頂上，形成冷橋。某工程在這樣處理的同時，又將吊頂鋼板搭接方向弄反。加之，冬季混凝土地坪施工作業(yè)時，將周邊門窗關(guān)閉，由于室內(nèi)外溫差大，大量水汽在屋頂凝集，由吊頂鋼板搭接處流下，形成了“外面不下里面下”的狀況，使工程不能交工。經(jīng)驗告訴我們，當(dāng)保溫卷材有隔汽層并保持接縫處密封時，卷材是干燥的，無隔汽層時卷材是濕的。在水份的長期浸泡下，隨著時間的推移，保溫棉將被逐漸壓實，最終失去應(yīng)有的保溫作用，因此安裝方法是否對頭，關(guān)系很大。
2深化設(shè)計內(nèi)容及方法
2.1空間坐標(biāo)及平面定位
由于本工程“扭轉(zhuǎn)上升并內(nèi)斂”的結(jié)構(gòu)特點，塔樓框架鋼柱每一層坐標(biāo)都在變化，結(jié)構(gòu)控制點坐標(biāo)的定位是關(guān)鍵，根據(jù)設(shè)計院提供的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)在CAD中放樣再局部修正并導(dǎo)入Tekla軟件中。在雨篷和裙房深化中，建筑外形呈空間扭曲造型，結(jié)構(gòu)定位相當(dāng)困難，只能根據(jù)建筑三維模型及幕墻預(yù)留空間找結(jié)構(gòu)坐標(biāo)，再進行結(jié)構(gòu)布置及優(yōu)化，并提交設(shè)計院審核。
2.2節(jié)點設(shè)計及優(yōu)化
1)柱腳節(jié)點設(shè)計考慮到現(xiàn)場安裝方便，增加橫向固定鋼板將14件直徑為30mm的錨栓固定，同時也起到加強錨栓和混凝土結(jié)合力的作用，使整體受力更加可靠。2)梁柱節(jié)點設(shè)計梁柱連接采用強節(jié)點弱構(gòu)件設(shè)計，環(huán)向牛腿板使整體強度更加可靠，與鋼柱和鋼梁全熔透焊接能有效傳遞彎矩、防止局部變形。梁與牛腿腹板高強螺栓連接按照抗剪等強配置，若螺栓過多無法排布可適當(dāng)折減保證抗剪承載力≥600kN(設(shè)計值)。3)鋼梁與混凝土剪力墻連接實際施工過程中混凝土澆筑及鋼結(jié)構(gòu)安裝累積誤差可能在10～20mm或更大。在鋼梁與剪力墻連接時深化設(shè)計要充分考慮，一方面將鋼梁端與剪力墻間隙設(shè)計到20mm，另一方面連接板在加工時再留20mm余量，現(xiàn)場安裝時可根據(jù)實際情況切割，此方法可避免擴孔，保證高強螺栓有效傳力。4)屈曲支撐節(jié)點設(shè)計屈曲支撐節(jié)點設(shè)計時節(jié)點承載力應(yīng)大于屈曲支撐的極限承載力，以保證強節(jié)點的要求。屈曲約束支撐與框架結(jié)構(gòu)鉸接，因此節(jié)點構(gòu)造應(yīng)減小轉(zhuǎn)動剛度，盡量減少二次彎矩。根據(jù)建筑外觀的要求，節(jié)點采用銷軸連接方式。5)橢圓Y形柱節(jié)點設(shè)計橢圓Y形柱作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，必須提供更直接、更有效的傳力方式。深化時對原設(shè)計的節(jié)點做了一些優(yōu)化:將變截面管的上端尺寸增大，這樣分叉的兩圓管柱間就有足夠的間隙，并取消原設(shè)計的現(xiàn)場焊縫，將現(xiàn)場焊縫移至上一層樓面以上。優(yōu)化后的節(jié)點可以避免焊縫集中、方便混凝土澆筑、傳力簡潔、加工制作簡單。
2.3參數(shù)化節(jié)點建模
對于高層鋼結(jié)構(gòu)來說，一般標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置和荷載相對變化不會太大，再加上結(jié)構(gòu)對稱性等原因，在同一層不同位置或不同層同一位置構(gòu)件截面及連接形式會相似甚至相同，可直接利用Tekla自帶節(jié)點庫，這會給建模工作帶來很多方便。寧波中銀大廈從下到上旋轉(zhuǎn)內(nèi)收，和以往高層有很大不同，特別是在梁柱連接上沒有一個完全相同的節(jié)點。塔樓中間為混凝土核心筒，由一圈鋼管混凝土柱和環(huán)向梁組成，徑向梁一端連接鋼柱，另一端與核心筒連接。節(jié)點主要有徑向梁、環(huán)梁與鋼柱的剛接節(jié)點、徑向梁與核心筒埋件的鉸接節(jié)點、主次梁鉸接節(jié)點、主梁開孔節(jié)點。雖然節(jié)點類型不多，但是截面種類繁多，若每個節(jié)點一一放樣則工作量較大。對于鋼柱現(xiàn)場拼接節(jié)點、主梁開孔節(jié)點、鋼梁吊耳碼板等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點可以做成自定義節(jié)點。對于主次梁鉸接、鋼管柱與鋼梁剛接等節(jié)點形式類似，只是具體節(jié)點板厚、螺栓數(shù)量不同，因此節(jié)點可以做成帶參數(shù)的自定義節(jié)點。例如鋼管柱與鋼梁剛接節(jié)點，可以按照節(jié)點計算結(jié)果把每種截面對應(yīng)的節(jié)點板厚度與螺栓大小、間距、數(shù)量、等級等信息做成文件或表格，再利用自定義節(jié)點中的函數(shù)把節(jié)點需要的信息從文件讀取進去，從而生成正確的節(jié)點。也可以把節(jié)點計算的過程寫成文件，通過自定義節(jié)點提供的原始數(shù)據(jù)直接算出結(jié)果返回給節(jié)點。這樣大大節(jié)約了節(jié)點建模時間，且能保證準(zhǔn)確率。
2.4圖紙設(shè)計
深化設(shè)計圖紙包括設(shè)計說明、布置圖、構(gòu)件圖、零件圖及各類清單。鋼柱及鋼梁構(gòu)件圖表達(dá)的內(nèi)容較多，包括每個零件裝配定位信息、焊縫形式及等級、零件尺寸、零件材料表等，每一項內(nèi)容都需要技術(shù)人員精心、細(xì)心地編制，都需要有豐富的技術(shù)經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，技術(shù)人員設(shè)計出來的圖紙必須滿足工廠制作和現(xiàn)場安裝的需要，確保圖紙的準(zhǔn)確性、完整性、適用性、可行性。
2.5材料排版
利用Tekla自身優(yōu)勢進行材料排版，為材料采購和工廠數(shù)控下料提供了有力的技術(shù)支持，有效控制了材料損耗。
2.6數(shù)字化信息技術(shù)
在進行三維建模同時將現(xiàn)場焊縫、工廠焊縫建入模型中，每一條焊縫有一個獨立的編號，可直接生成焊接地圖及焊縫報表，Tekla提供先進的數(shù)字化制造平臺為高效率工廠制作提供了技術(shù)支持，同時為焊接質(zhì)量控制和檢測提供了簡單直觀的數(shù)據(jù)資料。
提起鋼結(jié)構(gòu)用鋼大家并不陌生,像Q235和Q345這樣的鋼材是最常用的,也是生活中接觸最多的。的確,從材性、材質(zhì)方面看,現(xiàn)在市場充分供應(yīng)的Q235及Q345號鋼的各類鋼材,可以保證建筑鋼結(jié)構(gòu)的基本需求。鋼結(jié)構(gòu)是以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu),是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。它的基本特點是強度高、自重輕、剛度大、材料勻質(zhì)性和各向同性好。
因此,用什么類型的鋼材對鋼結(jié)構(gòu)的影響很大。下面就從鋼結(jié)構(gòu)用鋼的鋼種鋼號及版帶鋼中的鋼結(jié)構(gòu)用鋼這兩方面對鋼結(jié)構(gòu)的選用做一介紹。
一、鋼結(jié)構(gòu)用鋼的鋼種鋼號
1.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼
普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,按用途可以分為:一般用途普通的普通碳素和專用普通碳素鋼。
按含碳量及屈服強度高低分為5種牌號:Q195,Q215,Q235,Q255,Q275.QISH其中鋼結(jié)構(gòu)主要用Q235號鋼。Q215和Q255也可作結(jié)構(gòu)用,但是產(chǎn)量和用量相對較少。
使用該標(biāo)準(zhǔn)鋼號要注意一下幾點:
(1)該標(biāo)準(zhǔn)鋼號主要用作工程用和一般結(jié)構(gòu)用鋼。
(2)該標(biāo)準(zhǔn)鋼在在使用品種方面主要有鋼板,鋼帶和型鋼。
(3)該標(biāo)準(zhǔn)鋼號可用作焊接和栓接結(jié)構(gòu)用鋼。但焊接結(jié)構(gòu)不宜選用A級鋼,除非有含碳量<0.0022的保證,以保證良好的可焊性。
(4)該標(biāo)準(zhǔn)鋼號一般在熱軋狀態(tài)下交貨和使用。
2.焊接結(jié)構(gòu)耐候鋼
在鋼中加入少量合金元素,其耐候性較焊接結(jié)構(gòu)耐候鋼更好。其牌號為Q295GNH,Q295NHL,Q345GNHL。
3.低合金鋼
低合金鋼,按用途可以分為:低合金結(jié)構(gòu)鋼:耐腐蝕用鋼:低溫鋼:鋼筋鋼:耐磨鋼:特殊用途的專用鋼。按屈服強度高低分為5種牌號,每牌號鋼中分別包含了若干鋼種,其中鋼結(jié)構(gòu)用為Q345,Q390,Q420三個牌號。
二、板帶鋼中的鋼結(jié)構(gòu)用鋼
結(jié)構(gòu)用的板帶鋼主要有:熱軋鋼板和鋼帶,冷軋鋼板和鋼帶,花紋鋼板以及高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板。
三、鋼材選用的標(biāo)準(zhǔn)
1.用于承重的冷彎薄壁型鋼、輕型熱軋型鋼和鋼板,應(yīng)采用先行國家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700規(guī)定的Q235鋼和《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591規(guī)定的Q345鋼。
2.門式剛架、吊車梁、和焊接的檁條、墻梁等構(gòu)件宜采用Q235B或Q345A及以上等級的鋼。非焊接的檁條和墻梁等構(gòu)件可采用Q235A鋼。當(dāng)有根據(jù)時,門式剛架、檁條和墻梁可采用其他牌號的鋼制作。
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003中3.3.1規(guī)定,承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼,其質(zhì)量應(yīng)分別符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700和《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591的規(guī)定。當(dāng)采用其他牌號的鋼材時,尚應(yīng)符合相應(yīng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求。
這些都是鋼結(jié)構(gòu)的一些用鋼,當(dāng)然還有其他的。以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu),是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。鋼材的特點是強度高、自重輕、剛度大,故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜;材料勻質(zhì)性和各向同性好,屬理想彈性體,最符合一般工程力學(xué)的基本假定;材料塑性、韌性好,可有較大變形,能很好地承受動力荷載;建筑工期短;其工業(yè)化程度高,可進行機械化程度高的專業(yè)化生產(chǎn);加工精度高、效率高、密閉性好,故可用于建造氣罐、油罐和變壓器等。其缺點是耐火性和耐腐性較差。主要用于重型車間的承重骨架、受動力荷載作用的廠房結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)、高聳電視塔和桅桿結(jié)構(gòu)、橋梁和庫等大跨結(jié)構(gòu)、高層和超高層建筑等。鋼結(jié)構(gòu)今后應(yīng)研究高強度鋼材,大大提高其屈服點強度;此外要軋制新品種的型鋼,例如H型鋼(又稱寬翼緣型鋼)和T形鋼以及壓型鋼板等以適應(yīng)大跨度結(jié)構(gòu)和超高層建筑的需要。由于鋼結(jié)構(gòu)的這些特點,它將會在建筑方面占有很重要的地位。
參考文獻(xiàn):
[1]中華人民共和國建設(shè)部和中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.
一、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及特點
鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的另外一個特點是截面多樣性：一方面，鋼材的各向勻質(zhì)性使得它可以被加工成各種形狀，這與木材的各向非勻質(zhì)性區(qū)別顯著：同為線性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)的截面多樣性是木結(jié)構(gòu)所無法比擬的，這也是有工字鋼而沒有“工字木”的原因，桿件結(jié)構(gòu)中連接構(gòu)件幾乎全部是鋼也說明了這一點；另一方面，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面形狀也對連接設(shè)計也產(chǎn)生強烈的影響。在受力范圍允許的情況下，不同型鋼的選擇可以導(dǎo)致不同形式的連接。
二、連接設(shè)計受到的約束
鋼材種類繁多，耐受力也不盡相同，連接設(shè)計通常受到以下因素的制約：
1．構(gòu)件的來源：理論上鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或是連接構(gòu)件具有任意加工性，但在各具體項目中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接構(gòu)件總會受到現(xiàn)實條件的制約。有經(jīng)驗的設(shè)計師通常選擇容易獲得，方便安裝的型鋼，并設(shè)計出簡單有效的連接方式與連接構(gòu)件。
2．連接手段的限制：鋼結(jié)構(gòu)的施工特點之一是采用工廠加工、現(xiàn)場裝配。這是區(qū)別于傳統(tǒng)砌筑方式而產(chǎn)生大量節(jié)點的原因。各種型鋼之間的連接，主要有三種手段：鉚接、焊接和栓接。鋼結(jié)構(gòu)建筑的早期多采用鉚接，施工簡單但需要在構(gòu)件上挖出洞口而降低了斷面性能，容易在節(jié)點處產(chǎn)生集中應(yīng)力，近來較少采用。采用焊接的節(jié)點，外觀簡潔而荷載傳遞效率連續(xù)，但施工作業(yè)要求較高。后期出現(xiàn)的高強度螺栓連接，同樣可以達(dá)到類似焊接的強度要求，在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中大量采用。
3．連接構(gòu)件具有層級性：鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系之間存在復(fù)雜而邏輯的層級關(guān)系，在連接層面，這種層級關(guān)系反映為構(gòu)件尺寸與安裝先后的差異。連接的目的是實現(xiàn)層級轉(zhuǎn)換，也是實現(xiàn)力由三維向二維轉(zhuǎn)化、最終傳遞到一維構(gòu)件的關(guān)鍵。復(fù)雜的連接通常由立體連接構(gòu)件、平面連接構(gòu)件組合完成。
4．連接構(gòu)件所處的平面：兩個線性結(jié)構(gòu)構(gòu)件總是處在一個平面內(nèi)，該平面為構(gòu)件應(yīng)力的發(fā)生平面，連接構(gòu)件為了有效抵抗這個平面內(nèi)的應(yīng)力、彎矩或剪力，常常設(shè)計在此平面內(nèi)，如鋼管與拉索的焊片總處在這兩者構(gòu)成的平面中；在多個構(gòu)件的連接情況下，組合的平面構(gòu)件可以與立體的受力情況相對應(yīng)。
三、連接對象的原型與連接的分類
鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)建包括桿件與索兩種基本類型，由此產(chǎn)生的連接方式可分作索與索的連接，桿件與桿件的連接，索與桿件的連接。無論平面結(jié)構(gòu)或是空間結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)件單體的線性特質(zhì)，結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜與否并不會導(dǎo)致更多類型的連接，而復(fù)雜的連接可看作由這三種基本類型組合而成。
1．索與索的連接
索在結(jié)構(gòu)體系中只承受拉力，內(nèi)力沿索的軸線不變，索的截面不會因長度變化而變化。其連接特點如下：
a.位于端部的連接必須通過索套來實現(xiàn)。（圖1）
b.位于索中部的連接可由各類夾具來完成。
c.多根索的連接需要設(shè)計新的節(jié)點，根據(jù)索與索結(jié)合方式的不同而各有差異：如常見的單層或雙層索結(jié)構(gòu)，根據(jù)布置方式的不同又可以出現(xiàn)平行或輻射等形式。索網(wǎng)的輕質(zhì)有效，迎合了人們對輕巧與透明的普遍追求。皮亞諾設(shè)計的位于意大利的BancaPopolarediLodi總部室外廣場的玻璃頂（圖2），受力結(jié)構(gòu)由上下兩組索網(wǎng)相互拉接而成，玻璃夾在結(jié)構(gòu)中間，并由水平向的聯(lián)系索加強穩(wěn)定，固定于四周混凝土墻體之上，所有節(jié)點均為索－索連接，輕盈而透明的屋頂表現(xiàn)了索在特定場合的優(yōu)勢。
2．桿件與桿件的連接
桿件較索更早出現(xiàn)，應(yīng)用也更廣泛，由于桿件既可受拉也可受壓，這使得桿件之間的連接設(shè)計也較索更為復(fù)雜多變。決定桿件連接設(shè)計的因素主要有以下兩個方面：a．桿件之間的交角，b．桿件各自的截面形式。前者由結(jié)構(gòu)體系決定，后者可以在連接設(shè)計階段選擇不同型鋼或進行組合，以方便連接構(gòu)件的設(shè)計。
在交角非垂直的情況下應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇構(gòu)件截面，降低節(jié)點設(shè)計難度。在柏林某信息中心（圖3）的梁柱連接中，圓鋼管柱被突兀地截斷，然后與多塊鋼板焊接于工字鋼梁，交接顯得十分機械而僵硬。與之形成對比，赫佐格設(shè)計的漢諾威展覽大廳（圖4）屋頂處梁柱連接設(shè)計中，一方面，選擇拉索避免了桿件間的非垂直交接；另一方面，方形鋼管柱在連接處的分解與圓形變化，使其與圓形鋼管梁之間的連接過渡的自然合理。
在貝聿銘設(shè)計的美秀博物館（圖5）屋頂構(gòu)架中，多根桿件的立體交接沒有采用常規(guī)球形節(jié)點做法，而是設(shè)計了一個多方向板式鑄鋼節(jié)點構(gòu)件，橫向鋼管貫穿其間且保持截面不變，其余構(gòu)件在節(jié)點處轉(zhuǎn)化為鋼板與節(jié)點構(gòu)件用螺栓連接，從而保證了結(jié)構(gòu)面與屋頂面平行，取得簡潔平整的效果。如若用普通球形節(jié)點，那么龐大的節(jié)點勢必使屋頂構(gòu)架顯得沉重，也無法反映傳統(tǒng)木構(gòu)建筑中榫卯連接的簡潔，更難以取得這樣的藝術(shù)效果。
3．索與桿件的連接
雖然索最符合鋼材的材料性能，但由于它是只具備單向抗拉性能的柔性構(gòu)件，所以索與桿件結(jié)合組成的結(jié)構(gòu)體系可以取得輕盈與穩(wěn)定的雙重優(yōu)勢，如近年來在大跨領(lǐng)域十分流行的張拉弦結(jié)構(gòu)。即使在較小跨度建筑中，索與桿件組合的方式也相當(dāng)普遍。
連接設(shè)計根據(jù)索的連續(xù)與否，須采用不同的連接件以對應(yīng)：位于索端部的連接，需要通過索套、螺栓、焊片一系列構(gòu)件與桿件固定，此種連接程序構(gòu)造簡單合理，應(yīng)用也十分普遍，同時可以選擇索套夾焊片或是焊片夾索套兩種不同的方式。如意大利熱那亞舊海港的重新開發(fā)項目中（圖6），索膜與桿件的連接在分別涂以灰色和白色的不同的層級中采用了上述兩種方式。但也可以通過索套的特殊設(shè)計與桿件直接結(jié)合，需要注意的是焊片的省略意味著索套必須承擔(dān)轉(zhuǎn)化索與桿件所成角度的功能，如吉芭歐文化中心（圖7）拉索與基座的連接：尺度夸張有力且旋轉(zhuǎn)了一定角度的索套整合了焊片的功能，使得這一節(jié)點在此類連接中獨樹一幟。位于索中部的連接，可以采用索夾，索卡（少數(shù)情況下也可采用焊接的辦法）來固定索與桿件的位置。漢諾威貿(mào)易交易大廳（圖8）魚腹梁中，上弦桿與下弦索的連接設(shè)計采用了索卡固定。
四、連接設(shè)計的方法
在相當(dāng)一部分的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)對于構(gòu)件形式與尺寸的要求并不十分苛刻，這就給構(gòu)件與連接設(shè)計帶來相當(dāng)大的設(shè)計余地。建筑師對于構(gòu)件形式與尺寸的選擇與連接設(shè)計或者說連接形式息息相關(guān)。對國內(nèi)設(shè)計師而言，實際情況常常是有限的型鋼選擇與為數(shù)不多的成型連接構(gòu)件，所以設(shè)計方法就顯得尤為重要，即使這些方法或手段常常帶有純粹表現(xiàn)的色彩。
1.分解分解的對象是結(jié)構(gòu)概念中抽象的單一構(gòu)件，在實際連接中常表現(xiàn)為構(gòu)件數(shù)量的分解或截面形式的分解。這一手法在包括了鋼結(jié)構(gòu)的桿件體系的連接設(shè)計中頗為常見，如懸掛結(jié)構(gòu)中的受壓桿常分解成幾根桿的組合；柱子常分解為束柱等等。這些分解有的是出于結(jié)構(gòu)受力的需要，有的僅僅是為了在構(gòu)件中制造間隙，方便連接。復(fù)雜節(jié)點采用分解設(shè)計有利于提煉出連接的基本形式，從而達(dá)到簡化連接概念，整合節(jié)點設(shè)計的目的。
位于美國休斯敦名為CyTwombly畫廊（圖9，圖10）的鋼結(jié)構(gòu)屋頂連接設(shè)計中，大量運用了分解的概念，巧妙地將多層的屋頂結(jié)構(gòu)與遮陽系統(tǒng)結(jié)合起來。首先是由工字鋼組成的網(wǎng)格狀遮陽結(jié)構(gòu)，天窗結(jié)構(gòu)懸掛在遮陽結(jié)構(gòu)之下。由于受拉構(gòu)件更符合鋼材力學(xué)性質(zhì)而尺寸較小，因此懸掛的拉桿沒有分解，而鋼梁受力較為復(fù)雜（受彎、剪），故尺寸較大且由一根分解作兩根。整個屋頂設(shè)計邏輯清晰，與屋頂功能上的分層概念相得益彰。
2.轉(zhuǎn)化截面形式的考量與尺寸的轉(zhuǎn)化也是連接設(shè)計的主要問題。轉(zhuǎn)化的目的是為了縮小構(gòu)件截面，方便連接設(shè)計。構(gòu)件截面一般可分為兩大類：管狀類截面（如圓鋼管）及非管狀類截面（如工字鋼）。前者之間的連接往往需要縮小截面，如網(wǎng)架球節(jié)點處的縮小了的實心鋼管。后者之間的連接通常對構(gòu)件做簡化處理，如去掉寬翼，只保留型鋼的高度部分，而且常與分解設(shè)計相結(jié)合。除了改變構(gòu)件截面形狀外，沿垂直于構(gòu)件軸線的面將構(gòu)件切斷后，再設(shè)計新的節(jié)點去連接也是經(jīng)常使用的方法。如前面討論過的美秀博物館（圖2）屋頂構(gòu)架節(jié)點中，鋼管截面的轉(zhuǎn)化不僅帶來連接的便利，也使得節(jié)點設(shè)計的靈活性得以體現(xiàn)，在表達(dá)傳力的同時，利用雕塑似的造型設(shè)計將力的流動視覺化、藝術(shù)化。
3.整合整合設(shè)計立足于減少構(gòu)件種類及數(shù)量，簡化連接方式，強調(diào)結(jié)構(gòu)形式方面的整體性，使得這類設(shè)計作品往往具有優(yōu)雅的形象。這種方法有兩個前提：1）各節(jié)點受力方式相同。2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面形狀類似、尺度近似。受力方式相同保證了選擇相似截面的科學(xué)性，截面形式相似、尺度近似則保證了視覺的整體性。
福斯特設(shè)計的由鋼和玻璃組成的英國劍橋法律系樓（圖11）的外表皮，模糊了窗、墻、屋頂之間的概念，構(gòu)件間的連接采用整合設(shè)計正好表達(dá)了這一思想。編織狀的表皮是由許多高度極小的拱型空腹梁交織而成的結(jié)構(gòu)，所有構(gòu)件皆為圓形鋼管焊接，整個結(jié)構(gòu)顯得勻質(zhì)而典雅。無獨有偶，OMA設(shè)計的西雅圖中央圖書館（圖12）的表皮設(shè)計運用了同樣原理。為了達(dá)到整合的效果，整個建筑的所有表面完全由相交成菱形的工字鋼組成，工字鋼截面形狀、尺度大小完全一致，聯(lián)結(jié)方式也統(tǒng)一采用鉚接，經(jīng)過受力分析計算，在受力較大、需要加大截面高度的地方采用了兩根或三根工字鋼疊加完成，手法理性而又浪漫，成就了圖書館安靜祥和的氣氛。
結(jié)語
盡管類型可以分析歸納，方法可以分類總結(jié)，但這并不意味著設(shè)計成了教條，也不意味著獲得優(yōu)秀設(shè)計有了方程式。由于對鋼材性能的挖掘與對形式極致的追求，導(dǎo)致連接設(shè)計包含了大量的技術(shù)性因素，即使這樣，連接構(gòu)件的設(shè)計也不應(yīng)成為工程師或構(gòu)件商的責(zé)任，因為技術(shù)的扎實儲備始終是建筑師獲得優(yōu)秀連接設(shè)計的無法超越的漸進步驟。雖然符合鋼材性質(zhì)的連接方式（鉚接、焊接、拴接）必須要遵循這些定律并在鋼材的允許范圍內(nèi)進行設(shè)計，但是優(yōu)秀的設(shè)計仍然能夠找到優(yōu)美的連接的形式而不會因為受到約束而產(chǎn)生刻板的機械產(chǎn)品。即使美觀在各個時代的評價標(biāo)準(zhǔn)存在差異，但一種內(nèi)在的、符合材料邏輯的吸引力必然會突破風(fēng)格或理論的限定而達(dá)到美的真諦。
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1 引言
鋼結(jié)構(gòu)由于其高強度和良好的抗震性在建筑中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)不僅能夠節(jié)省空間，而且還能降低工程成本，但是穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個突出問題。鋼結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中以待解決的主要問題，一旦出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對經(jīng)濟造成嚴(yán)重的損失，而且會造成人員的傷亡，是目前亟待解決的首要問題。
2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則
根據(jù)穩(wěn)定問題在實際設(shè)計中的特點提出了以下三項原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中構(gòu)件不會喪失穩(wěn)定。
（1）結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求
目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。
（2）結(jié)構(gòu)計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致
目前設(shè)計單層和多層框架結(jié)構(gòu)時，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù)，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算。然而，實際框架多種多樣，而設(shè)計中為了簡化計算工作，需要設(shè)定一些典型條件。在實際工程中，框架計算簡圖和實用方法所依據(jù)的簡圖不一致的情況還可舉出以下兩種，即附有搖擺拄的框架和橫梁受有較大壓力的框架。這種情況若按規(guī)范的系數(shù)計算，都會導(dǎo)致不安全的后果。所以所用的計算方法與前提假設(shè)和具體計算對象應(yīng)該相一致。
（3）設(shè)計結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計算必須相互配合，使二者有一致性。
結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造設(shè)計相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計者處理構(gòu)造細(xì)部時經(jīng)?？紤]到的。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時，構(gòu)造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。
3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的主要特點
（1）失穩(wěn)和整體剛度： 現(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法。
（2）穩(wěn)定性整體分析：桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。穩(wěn)定分析必須從整體著眼。
（3）穩(wěn)定計算的其它特點：在彈性穩(wěn)定計算中，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性外，還有一些其他特點需要引起重視。首先要做的就是二階分析，這種分析對柔性構(gòu)件尤為重要，這是因為柔性構(gòu)件的大變形量對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了不能忽視的影響；其次，普遍用于應(yīng)力問題的迭加原理，在彈性穩(wěn)定計算中不能應(yīng)用。這是因為迭加原理的應(yīng)用應(yīng)以滿足材料變形服從虎克定律，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，結(jié)構(gòu)的變形很小等兩個條件為前提。
而彈性穩(wěn)定計算一般均不能滿足結(jié)構(gòu)變形很小的條件，非彈性穩(wěn)定計算則兩個前提都不符合。
了解了在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該明確的一些基本概念，有助于我們在設(shè)計中更好地處理穩(wěn)定方面的問題，隨著新型鋼結(jié)構(gòu)體系的不斷發(fā)展，我們對穩(wěn)定問題的研究要求也必須不斷地提高，之所以在設(shè)計中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，另一個重要原因就是我們對新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知之甚少，這也是目前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究中存在的問題。
4 鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件設(shè)計
（1）柱
鋼結(jié)構(gòu)住宅一般為大開間，框架柱在兩個方向都承受較大的彎矩，同時應(yīng)該考慮強柱弱梁的 要求。而目前廣泛使用的焊接H型鋼或I字熱軋鋼截面，強弱軸慣性矩之比3～10，勢必造成材料浪費。因 此對于軸壓比較大，雙向彎矩接近，梁截面較高的框架柱采用雙軸等強的鋼管柱或方鋼管混凝土柱是適宜的。對于方鋼管混凝土柱，不僅截面受力合理，同時可以提高框架的側(cè)向剛度，防火性能好，而且結(jié) 構(gòu)破壞時柱體不會迅速屈曲破壞。因此，盡管平面受力結(jié)構(gòu)中，選用H型鋼或I字鋼在受力上還是合理的但總體上，箱形鋼管柱尤其是方鋼管混凝土柱應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。方鋼管混凝土柱將是鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展 的 主要方向，但由于缺乏相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程，目前在住宅中應(yīng)用還很少。尤其鋼管砼梁、柱的連接較為復(fù)雜，不利于工廠制作和現(xiàn)場施工，應(yīng)加大力度開發(fā)研究。
（2）樓蓋
在多層輕鋼房屋中，樓蓋結(jié)構(gòu)的選擇至關(guān)重要，它除了將豎向荷載直接分配給墻柱外，更主要的作用是 保證與抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)調(diào)作用；另外從抗震角度來看，還應(yīng)采用相應(yīng)的技術(shù)和構(gòu)造措施減輕樓板自重。常用的樓蓋結(jié)構(gòu)有：壓型鋼板-現(xiàn)澆混凝土組合樓板，現(xiàn)澆鋼筋混凝土板以及鋼-混凝土疊合板， 而以第一種最為常用。目前，在多層輕鋼房屋整體分析時，還普遍不考慮樓蓋與鋼梁的組合作用，即使設(shè)置抗剪鍵，也偏保守地假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)承受全部荷載，這樣不僅增加材料用量和結(jié)構(gòu)自重，反而會造成強 梁弱柱的不利情況。有一6層算例，考慮樓蓋組合作用對梁剛度以及結(jié)構(gòu)整體剛度的影響。 算例表明，考慮組合作用后主梁的剛度大大增加，使得梁的撓度和地震作用下柱頂?shù)膫?cè)移大為減少，此考慮組合作用應(yīng)予關(guān)注。為使樓層高度減到最小，提供更大的空間，組合扁梁樓蓋也成為一種趨勢。
（3）支撐體系
支撐分軸交支撐和近年發(fā)展起來的偏交支撐兩種，前者耐震能力較差，后者在強震作用下具有良好的吸能 耗能性能，而且為門窗洞的布置提供了有利條件，目前國內(nèi)用的還很少，建議在高烈度區(qū)首選偏交支撐。常用的EBF偏交支撐形式此所示。剪切型耗能梁段，加勁肋按以下公式設(shè)計：a=29tw-d/5，（γp=±0.09rad）（1）a=38tw-d/5，（γp=±0.06rad）（2）a=56tw-d/5，（γp=±0.03rad）（3）式中，a―加勁肋間距，d―梁高，tw―腹板厚度，γp―塑性轉(zhuǎn)角；彎曲型耗能梁段還需在 梁段端點外1.5bf處加設(shè)加勁肋。
（4）節(jié)點抗震計
框架梁柱節(jié)點一般采用兩種連接方法，根據(jù)“常用設(shè)計法”，即翼緣連接承受全部彎矩，梁腹板只承受全部剪力的假定進行設(shè)計。震害表明，這種設(shè)計不能有效滿足"強節(jié)點弱桿件"的抗震要求，在高烈度區(qū)隱患很大。改進框架節(jié)點設(shè)計，在梁端上下翼緣加焊楔形蓋板或者將梁端上下翼緣局部加寬蓋板面積或加大的翼緣截面面積主要由大震下的驗算公式確定：式中：為基于極限強度最小值的節(jié)點連接最大受彎承載力，全部由局部加大后的翼緣連接承擔(dān)；為梁件的全塑性受彎承載力；為基于極限強度最小值的節(jié)點連接最大受剪承載力，僅由腹板的連接承擔(dān)；為梁的凈跨；為梁在重力荷載代表值作用下按簡支梁分析的梁端截面剪力設(shè)計值。
5 結(jié)語
2鋼柱拼接節(jié)點
圓管柱的工地拼接，采用全熔透坡口對接焊縫，焊縫質(zhì)量等級為一級。根據(jù)《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造詳圖》規(guī)定，下段圓管柱成品應(yīng)在現(xiàn)場拼接節(jié)點位置設(shè)置內(nèi)襯墊管，并在鋼管的四個方向上設(shè)置安裝耳板。待上段鋼柱吊裝就位后，用安裝螺栓將耳板鏈接，使待拼接的上、下兩段圓管柱對接固定后，進行現(xiàn)場焊接作業(yè)。焊接部位上下各100mm范圍的區(qū)域內(nèi)，不得涂刷防腐油漆。
3梁、柱連接節(jié)點
梁、柱的連接節(jié)點構(gòu)造應(yīng)與連接類別的受力特征假定相符，根據(jù)強柱弱梁的原理，通常采用柱貫通的形式。梁、柱的連接構(gòu)造主要有以下幾種形式：全焊接節(jié)點、栓焊混合節(jié)點及全螺栓連接節(jié)點。全焊接節(jié)點的缺點在于焊接工作量過大，并且在同一節(jié)點處焊縫數(shù)量過多的話，宜造成節(jié)點區(qū)焊接應(yīng)力過大，甚至變形，影響其他鋼構(gòu)件的連接。全螺栓連接節(jié)點，螺栓的數(shù)量可通過梁柱連接節(jié)點產(chǎn)生的內(nèi)力來計算螺栓的數(shù)量。采用此方法，首先應(yīng)先確定梁柱連接節(jié)點所產(chǎn)生的內(nèi)力，包括彎矩、剪力、軸力，再根據(jù)內(nèi)力來計算節(jié)點區(qū)螺栓的數(shù)量。全螺栓連接往往需要大量的連接螺栓，因此大量的螺栓孔洞會對母材強度產(chǎn)生削弱。并且對螺栓孔位的精度要求較高，孔位稍有偏差既可能影響多個構(gòu)件的連接。本工程采用栓焊混合節(jié)點，梁翼緣與柱采用剖口全熔透焊，主要承擔(dān)節(jié)點彎矩；梁腹板與柱采用高強螺栓連接，主要承擔(dān)節(jié)點剪力及軸力。栓焊混合節(jié)點的優(yōu)點是既減少了工地焊接的工作量，又避免了由螺栓承擔(dān)彎矩的弊端，因此被廣泛采用。
4梁、梁連接節(jié)點
主、次梁的連接主要有兩種連接方式，即剛接和鉸接。當(dāng)采用鉸接連接時，次梁可視為簡支梁，設(shè)計時主要考慮次梁腹板所承受的剪力，并根據(jù)螺栓等強連接的模型計算所需螺栓數(shù)量。常見的梁梁鉸接節(jié)點如下圖1、圖2所示。圖2所示的連接節(jié)點，螺栓孔對主梁易產(chǎn)生偏心距使主梁局部承受扭矩，且外伸的連接板在構(gòu)件的運輸過程中易損壞、變形。因此建議將梁梁連接的鉸接節(jié)點采用圖1的節(jié)點形式。
隨著我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的迅速發(fā)展，輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展也是如火如荼，特別在工業(yè)廠房的建設(shè)中則更為迅猛。其特點有：其整體剛度和抗震性能好、施工速度快、自重輕、承載力高，在大跨度及超高層建筑中代替了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本文擬就輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點、材料選擇和設(shè)計中的注意點、在設(shè)計中根據(jù)其特點揚長避短才能更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的作用，就鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在設(shè)計中的幾個問題作簡單闡述。
一、輕鋼結(jié)構(gòu)及其適用范圍
所謂輕鋼結(jié)構(gòu)通常是指由下列鋼材所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)：①冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)；②熱軋輕型鋼結(jié)構(gòu)；③焊接或高頻焊接輕型鋼結(jié)構(gòu)；④輕型鋼管結(jié)構(gòu)；⑤板壁較薄的焊接組合梁及焊接組合柱而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。
1. 適用范圍
根據(jù)我國目前情況來看，這種結(jié)構(gòu)由于其用度廣、優(yōu)勢明顯，已大量應(yīng)用于單層工業(yè)廠房、多層工業(yè)廠房、辦公樓以及高層建筑中的非承重構(gòu)件等。對單層工業(yè)廠房而言，通常以H型鋼，采用焊接連接作為梁柱，以C形或Z形輕鋼板作檁條，屋蓋系統(tǒng)或樓面系統(tǒng)用壓型彩色鋼板作面層，上面可澆混凝土，壓型鋼板既可作為鋼筋，必要時也可以再配鋼筋。墻面圍護也可采用單層或夾層壓型鋼板，夾層板內(nèi)部可充填各種保溫層。
2. 主要優(yōu)點
⑴施工周期短：輕鋼結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是所有構(gòu)件均可以由工廠制作現(xiàn)場拼接安裝，對一般規(guī)模較小的工業(yè)廠房僅需2個月左右。
⑵綜合經(jīng)濟效益好：由于施工周期短，可以提前投入使用，提前獲取投資效益；更由于采用色彩鮮艷的彩色壓型鋼板，美觀華麗，改善了周邊環(huán)境的動態(tài)感；因為建筑物本身的自重輕，一般情況下不需要做樁基，可以節(jié)省投資；由于采用了聚苯已烯泡沫夾心板或單板加保溫棉等措施后，使保溫、隔熱和隔章等效果良好。彩色鋼板是以鍍鋅為基板又用硅酮作為表面，經(jīng)兩除兩烘加工而成，耐久性也較好，根據(jù)目前我國的市場價格，輕鋼結(jié)構(gòu)的造價已經(jīng)低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)廠房的跨度越大時，其優(yōu)勢更為明顯，這也是它賴以競爭的一大優(yōu)勢。
⑶抗震性能好：由于鋼結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)、自重輕，因而能有效地降低地震響應(yīng)及災(zāi)害影響程度，極有利于抗震。我國是一個多地震區(qū)國家，在地震區(qū)建筑中應(yīng)多多推廣應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，必可大大減少地震災(zāi)害和人員傷亡。唐山地震的慘痛教訓(xùn)應(yīng)予記起。目前，天津市已正式啟動輕鋼結(jié)構(gòu)住宅。
⑷宜于拆卸搬遷：一旦業(yè)主對所造廠址不滿意或外界環(huán)境發(fā)生意想不到的變化，則整個建筑可在很短時間內(nèi)拆遷，損失極小，而所有這些是鋼筋混凝土建筑所無法具備的。
正是由于輕鋼結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點，而且隨著近年來防火、防腐新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，已較好地解決了輕鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕性差的缺點，使得它在工業(yè)廠房以及民用設(shè)施中獲得了廣泛的應(yīng)用。
二、材料選擇和設(shè)計中的注意事項
輕鋼結(jié)構(gòu)作為普通鋼結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)，以提高構(gòu)件的截面剛度和整體穩(wěn)定承載力，為此，不得不突破鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中對板件寬厚比限值的規(guī)定，允許板件產(chǎn)生局部失穩(wěn)，進而利用屈曲后強度的提高。
輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架是主要的承重結(jié)構(gòu)，一般是采用實腹型變截面的柱和梁組成。門式剛架的形成可以單坡、雙坡和多坡，多跨建筑的中間柱多采用較接的搖擺柱。門式剛架工字截面鋼構(gòu)件中腹板以受剪為主，抗彎作用不如翼緣有效，增大腹板的高度，可使翼緣抗彎能力發(fā)揮得更為充分。但是，在增大腹板高度的同時，如果厚度增之過大，則腹板耗鋼量太多，也是不經(jīng)濟的。因此，先進的設(shè)計方法是采用高而薄的腹板，而是還有相當(dāng)可觀的屈曲后強度可以利用。在主要為均布荷載起控制作用的結(jié)構(gòu)中，在允沖擊、疲勞、振動等荷載的條件下，可充分利用結(jié)構(gòu)受力板件的屈曲有效截面來分析壓彎桿件腹板的穩(wěn)定性，從而使其腹極高厚比限值可以大幅度提高。根據(jù)天津大學(xué)所作的試驗證明，當(dāng)荷載超過理論計算的屈曲臨界載限多時腹板才呈現(xiàn)凸曲變形，且凸曲變形都不大，故適當(dāng)利用屈曲后強度是可行的。
當(dāng)前，我國鋼結(jié)構(gòu)（含輕鋼結(jié)構(gòu)）發(fā)展的形勢很好， 21世紀(jì)是鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展時期，長期以來，由混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的格局將被打破，從事鋼結(jié)構(gòu)制造、施工企業(yè)前景寬闊，建筑設(shè)計技術(shù)人員也面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。筆者認(rèn)為，以下幾點仍需我們加以重視。
1．鋼材的保溫隔熱與防火
鋼材具有很高的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)為50w(m.℃)，當(dāng)受熱達(dá)到100℃以上時，其抗拉強度就會降低，塑性增大；溫度達(dá)到250℃時，鋼材抗拉強度會稍提高，但塑性卻降低，出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象；溫度達(dá)到500℃時，鋼材強度降至很低，會致使鋼結(jié)構(gòu)塌落。所以當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度達(dá)到150℃以上時，就必須做隔熱防火設(shè)計。其做法一般為：鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)包耐火磚、混凝土或硬質(zhì)防火板材?；蛘咪摻Y(jié)構(gòu)刷厚涂型防火涂料，厚度按《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料技術(shù)規(guī)程》計算。
2．屋面支撐系統(tǒng)及屋面設(shè)計
屋蓋支撐系統(tǒng)的布置應(yīng)根據(jù)廠房跨度、高度、柱網(wǎng)布置、屋蓋結(jié)構(gòu)形式、吊車噸位和所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結(jié)構(gòu)均應(yīng)設(shè)置垂直支撐；在無檁體系中，大型屋面板有三點和屋架焊接，可起到上弦支撐作用，但考慮到施工條件的限制和安裝需要。無論有檁或無檁體系屋蓋均應(yīng)在屋架上弦和天窗架上弦設(shè)置上弦橫向支撐。對于屋架間距不小于12m的廠房或廠房內(nèi)設(shè)有特重級橋式吊車或廠房內(nèi)有較大振動設(shè)備的均應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐。
屋面的排水及防水設(shè)計在屋面設(shè)計中需重點考慮，根據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，屋面坡度最小為5％，在積雪較大的地區(qū)，坡度應(yīng)適當(dāng)加大。單坡屋面的長度主要取決于所在地區(qū)的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗，單坡屋面長度宜控制在70m以內(nèi)。目前，市場上鋼結(jié)構(gòu)屋面的做法常用的有兩種：①剛性屋面：雙層彩色壓型鋼板內(nèi)夾保溫棉；②復(fù)合柔性屋面：由屋面彩鋼板內(nèi)板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。
3．溫度伸縮縫的設(shè)置
溫度變化將引起鋼結(jié)構(gòu)廠房的變形，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)廠房平面尺度較大時，為避免產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，應(yīng)在廠房縱橫兩個方向設(shè)置溫度伸縮縫，區(qū)段的長度可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范來執(zhí)行。溫度伸縮縫一般采用設(shè)置雙柱的方法來處理，對縱向溫度伸縮縫可在屋架支座處設(shè)置滾動支座。
4．防銹處理
鋼結(jié)構(gòu)表面直接暴露在大氣中就會銹蝕，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)廠房空氣中有侵蝕性介質(zhì)或鋼結(jié)構(gòu)處在潮濕環(huán)境中時，鋼結(jié)構(gòu)廠房銹蝕就會更加明顯和嚴(yán)重。鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕不僅會使構(gòu)件截面減小，還會使鋼構(gòu)件表層局部產(chǎn)生銹坑，當(dāng)構(gòu)件受力時將引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)過早破壞。因此，對鋼結(jié)構(gòu)廠房構(gòu)件的防銹蝕問題應(yīng)予以足夠的重視，并應(yīng)根據(jù)廠房侵蝕介質(zhì)情況和環(huán)境條件在總圖布置、工藝布置、材料選擇等方面采取相應(yīng)對策和措施，以確保廠房結(jié)構(gòu)的安全。一般鋼結(jié)構(gòu)的防腐常采用防銹底漆和面漆，涂裝層數(shù)及厚度常根據(jù)其使用環(huán)境和涂層性質(zhì)來決定。一般室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)在自然大氣介質(zhì)作用下，要求涂層厚度100μm，即底漆兩道，面漆兩道。露天鋼結(jié)構(gòu)或在工業(yè)大氣介質(zhì)作用下的鋼結(jié)構(gòu)，要求漆膜總厚度為150μm～200μm。且在酸環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)要求使用氯磺化防酸漆。鋼柱柱腳在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹，其保護層厚度不小于50mm。
5．立面設(shè)計
1引言
隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的日趨成熟和新型建筑材料的發(fā)展，許多國家的工程師都在對大跨徑橋梁的主梁輕型化問題進行研究。在上世紀(jì)八十年代，法國首先設(shè)計并建造了以波形鋼腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型組合結(jié)構(gòu)橋梁－Cognac橋，其后又相繼建造了Maupre高架橋、Asterix橋和Dole等數(shù)座波形鋼腹板的組合結(jié)構(gòu)橋梁，該形式箱梁的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。自上世紀(jì)九十年代起，日本也對該類形式的橋梁進行了研究，在參考法國同類橋梁的基礎(chǔ)上，先后修建了新開橋、本谷橋、松木七號橋等一系列橋梁，其中有連續(xù)梁橋，也有連續(xù)剛構(gòu)橋，拓寬了其使用范圍，發(fā)展了設(shè)計和施工技術(shù)。
波形鋼板即折疊的鋼板，具有較高的剪切屈曲強度，用它作為混凝土箱梁的腹板，不但充分滿足了腹板的力學(xué)性能要求，而且大幅度減輕了主梁自重，縮減了包括基礎(chǔ)在內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)所承受的上部恒載，還省去了施工時在腹板中布置鋼筋、設(shè)置模板等繁雜的工作。此外，波形鋼板縱向伸縮自由的特點使得其幾乎不抵抗軸向力，能更有效地對混凝土橋面板施加預(yù)應(yīng)力，提高了預(yù)應(yīng)力效率。這種組合結(jié)構(gòu)能減少工程量、縮短工期、降低成本，在施工性能和經(jīng)濟性能方面都具有很大的吸引力。
2設(shè)計方法
當(dāng)橋梁上部采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的結(jié)構(gòu)形式時，和普通的鋼筋混凝土箱梁橋一樣，其設(shè)計需要針對施工和使用階段的不同要求。施工階段的計算要結(jié)合具體的施工形式，比如，連續(xù)梁橋可以采用懸臂施工、頂推法施工或其它的方法，主要的計算荷載有自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土不同齡期的收縮徐變、施工荷載等。使用階段則要考慮汽車荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載等。箱梁內(nèi)通常同時設(shè)置體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力，由混凝土頂板和底板內(nèi)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力抵抗施工荷載和恒載，箱內(nèi)的體外預(yù)應(yīng)力用來抵抗活載。這樣考慮的原因之一，是為了滿足更換體外預(yù)應(yīng)力鋼束時結(jié)構(gòu)的受力要求。
2．1縱向抗彎計算
波形鋼腹板在軸向力的作用下，軸向變形很大，表現(xiàn)出來的等效彈性模量很小。波形鋼板在縱向的等效彈性模量和板厚、波紋形狀有關(guān)，可由下式計算
Ex＝αE(t／h)2（1）
式中，Ex為等效軸向彈性模量；E為鋼材的彈性模量；t為鋼板厚度；α為波紋的形狀系數(shù)。根據(jù)此式，日本新開橋Ex＝E／617。已進行的模型實驗和有限元計算的結(jié)果，進一步證實波形鋼腹板在受彎時縱向正應(yīng)力、正應(yīng)變很小，可以忽略，即在進行截面抗彎設(shè)計時，只考慮混凝土頂板和底板的作用，并近似的認(rèn)為混凝土頂板和底板內(nèi)的縱向正應(yīng)變符合線性分布規(guī)律，仍然按照平截面假定計算應(yīng)力、布置預(yù)應(yīng)力鋼束。
2．2抗扭計算
箱梁在偏心荷載作用下，截面將發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在混凝土腹板箱梁中，扭轉(zhuǎn)的影響并不大，但在波形鋼腹板箱梁中，由于腹板的彎曲剛度和混凝土頂板、底板相比小得多，這對截面扭轉(zhuǎn)變形的影響顯著增大，會在混凝土板內(nèi)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力。到目前為止，關(guān)于波形鋼腹板箱梁扭轉(zhuǎn)剛度的計算還沒有明確的結(jié)論。通過對建成的該類橋梁的技術(shù)總結(jié)和研究，日本工程師上平等人提出了一種計算其抗扭剛度的方法(2)式中，Jt為抗扭剛度；Am為箱梁的橫截面面積；b1為箱體的寬度；h1為波形鋼腹板的高度；ns為鋼材和混凝土剪切模量的比值；t為構(gòu)件的厚度；α為修正系數(shù)(3)實際設(shè)計當(dāng)中，鑒于截面扭轉(zhuǎn)剛度和橫隔板布置有密切關(guān)系，在不過于增加主梁自重的前提下，適當(dāng)增加橫隔板數(shù)量并調(diào)整間距可以有效的保證箱梁抗扭剛度。
2．3波形鋼腹板的應(yīng)力計算
波形鋼腹板主要承受剪應(yīng)力。在設(shè)計中可以偏保守地假定結(jié)構(gòu)所有的剪應(yīng)力都由波形鋼腹板承受，忽略混凝土頂板和底板對剪應(yīng)力的抵抗作用，從而計算出波形鋼腹板所需的最小厚度。
波形鋼腹板不僅承受上述剪應(yīng)力，同時也承受橫向彎曲所引起的彎曲應(yīng)力，因此必須對波形鋼腹板的合成應(yīng)力進行驗算，公式為(4)式中，σb為拉應(yīng)力；σa為抗拉強度；τb為剪應(yīng)力；τa抗剪強度；γ為安全系數(shù)，建議取值為1．2。
2．4波形鋼腹板的屈曲穩(wěn)定性計算
波形鋼腹板的屈曲破壞主要有三種模式(如圖2所示)。
（1）局部屈曲模式
波形鋼腹板的某一個波段部分出現(xiàn)屈曲破壞的現(xiàn)象。局部屈曲強度的計算可按下式
(5)
式中，τcr?熏L為局部屈曲強度；E為鋼材的彈性模量；ν為鋼材的泊松比；b為腹板的高度；a為波段長；K為屈曲系數(shù)，有
(6)
（2）整體屈曲模式
波形鋼腹板整體出現(xiàn)屈曲破壞的現(xiàn)象。整體屈曲強度的計算可按照下式
(7)
式中，τcr?熏G為整體屈曲強度；β為波形鋼腹板兩端的固定度系數(shù)；E為鋼材的彈性模量；Iy為y軸的慣性矩；Ix為x軸的慣性矩，t為鋼板的厚度；b為腹板的高度。
（3）合成屈曲模式
波形鋼腹板同時出現(xiàn)局部屈曲破壞和整體屈曲破壞的現(xiàn)象，是處于局部屈曲和整體屈曲中間的屈曲模式。合成屈曲強度由下式計算
(8)式中，τcr為合成屈曲強度；τcr?熏L為局部屈曲強度；τcr?熏G為整體屈曲強度。
2．5波形鋼腹板和混凝土頂板、底板的連接
模型實驗表明，在加載后期，除了底板橫向開裂外，波形鋼腹板與底板交界處沿縱向開裂，隨著裂縫的發(fā)展，結(jié)構(gòu)剛度迅速降低，最終導(dǎo)致破壞，破壞特征為腹板和底板的連接部碎裂（如圖3所示）。波形鋼腹板和混凝土頂板、底板的連接直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的承載力，是設(shè)計此類橋梁中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。
對于連接部的設(shè)計，通常的做法是在波形鋼腹板的上下端焊接鋼制翼緣板，翼緣板上焊接剪力釘，使之與混凝土板結(jié)合在一起（圖4－a）。還可以采用在鋼腹板上鉆孔，穿過鋼筋，再在鋼板的上下端部焊接縱向約束鋼筋后埋入混凝土板的做法（圖4－b）。在此基礎(chǔ)上，還可衍生出其它的連接方法。
3工程實例
自1993年起，日本從法國引進了波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)，目前，日本大力鼓勵設(shè)計人員在主要高速公路中采用這種結(jié)構(gòu)形式。
正在建設(shè)中的中野高架橋是日本關(guān)西地區(qū)阪神高速公路段的一部分，為采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的四跨連續(xù)梁橋。全橋的立面布置見圖5。主梁為單箱單室的變高度箱梁，同時設(shè)置了體外和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系。支點梁高4．0～4．6m，跨中梁高2．0～2．2m，梁高按照二次拋物線變化。波形鋼腹板采用抗拉強度490MPa、抗剪強度205MPa的耐腐蝕鋼板，波長1．2m，波高200mm，鋼板厚度9～19mm。為了提高主梁的橫向抗變形能力，除在支點和體外預(yù)應(yīng)力的轉(zhuǎn)向處設(shè)置橫隔板，還在縱向的不同位置加設(shè)了橫隔板。主梁截面和波形鋼腹板的一般構(gòu)造見圖6。
該橋的上部結(jié)構(gòu)采用懸臂澆筑法施工，墩頂?shù)?號節(jié)段長12m，在墩架上現(xiàn)澆。其余節(jié)段分別長3．6m和4．8m，均在掛籃上懸臂澆筑混凝土及拼裝鋼腹板。
4結(jié)語
鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計和建造在國內(nèi)起步比較晚，尤其是本文介紹的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋在國內(nèi)尚無實橋。與此同時，法國、德國，尤其是日本相繼建設(shè)了數(shù)座此種類型的橋梁，設(shè)計和施工技術(shù)日益成熟。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，特別適合于中、大跨徑的連續(xù)梁橋。隨著國內(nèi)對這種結(jié)構(gòu)的研究分析工作的開展，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋?qū)谖覈臉蛄航ㄔO(shè)中得到應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
〔1〕劉嵐，崔鐵萬編譯．本谷橋的設(shè)計與施工．國外橋梁，1999（3）：18－25
〔2〕劉磊，錢冬生．波形鋼腹板的受力行為．鐵道學(xué)報，2000（增）：53－56
2我國目前規(guī)范對鋼筋混凝土排架設(shè)計的不足
在鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方面，GB50191—2012構(gòu)筑抗震設(shè)計規(guī)范和GB50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范指導(dǎo)規(guī)范不同地域、不同排架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。本文結(jié)合《構(gòu)筑抗震設(shè)計規(guī)范》的具體條文，闡述了目前規(guī)范中鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)中設(shè)計的不足和缺陷。有關(guān)排架結(jié)構(gòu)上部屋架結(jié)構(gòu)計算的規(guī)定有:
1)《構(gòu)筑抗震設(shè)計規(guī)范》6．2．19條規(guī)定，針對Ⅲ，Ⅳ類場地和8度、9度時，應(yīng)該考慮屋架下弦的拉壓效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響并核算屋架承載力;
2)《構(gòu)筑抗震設(shè)計規(guī)范》6．2．22條規(guī)定，針對Ⅲ，Ⅳ類場地和8度、9度時，應(yīng)驗算變形產(chǎn)生的附加內(nèi)力。上述兩點敘述，規(guī)范使用“應(yīng)”字，因此應(yīng)考慮建立合適的屋架和支撐的桿系模型，否則無法得出上述內(nèi)力值。在鋼結(jié)構(gòu)排架設(shè)計方面，鋼排架結(jié)構(gòu)施工進度快，造價低，但以后要經(jīng)常維護保養(yǎng)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)施工復(fù)雜，造價高，后期維護工作量低。在工程建設(shè)中，鋼架也就是在排架柱方向通過設(shè)置聯(lián)系梁或桁架的方式使排架柱方向形成可以抵抗縱向力下變形的鋼框架(局部開間或連續(xù)開間)，具體做法可采用實腹聯(lián)系梁或格構(gòu)桁架———根據(jù)可設(shè)置高度選用，采用門式柱間支撐，可以留出工藝空間，還能對柱平面外予以加強。但我國處于高度使用水泥的情況，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，從節(jié)能減排方面講，鋼排架結(jié)構(gòu)應(yīng)作為首選，但規(guī)范未給具體說明。
圖1建筑剖面圖
2基礎(chǔ)設(shè)計
2.1地質(zhì)條件
根據(jù)巖土工程勘察報告，工程地質(zhì)情況見表1，建筑場地類別為Ⅲ類。
表1地基各巖土層設(shè)計計算指標(biāo)推薦使用值表
層
號
指項
標(biāo)目
值
巖土層
名稱
天然
容重
壓縮模量
內(nèi)聚力
內(nèi)摩擦角
承載力特征值
樁端阻力特征值qsa和樁側(cè)阻力特征值qsa
樁側(cè)負(fù)摩阻力系數(shù)
層厚（米）
預(yù)制樁
r
Es1-2
Es2-3
Es3-4
C
φ
fak
qsa
qsa
ζ
kN/m3
Mpa
Kpa
度
Kpa
Kpa
0.25
1.6~2.2
①-1
素填土
17.5
70-80
0.25
0.4~2.5
①-2
填中砂
17.0
80-90
0.4~0.9
②
粘土
18.7
4.0-5.0
15
7.5
110-120
10-13
0.20
15.2~37.3
③
淤泥
15.6
1.5-20.
2.0-2.5
3
3.1
40-45
6-7
0.25
1.1~12.10
④
粘土
19.1
5.5-6.5
7.0-9.0
31
11.6
170-190
18-20
1088-2000
1.2~1.8
⑤
淤泥質(zhì)土
16.1
2.0-2.5
2.5-3.0
5
6.5
55-60
9-10
2.8~4.9
⑥
粘土
19.3
7.0-8.0
9.0-10.0
40
11.0
180-190
18-20
5.5~
2.2樁基礎(chǔ)設(shè)計
根據(jù)工程地質(zhì)條件及電算結(jié)果，由于業(yè)主工期要求快，故采用PHC預(yù)應(yīng)力高強管樁，以粉質(zhì)粘土④為持力層。樁身進入持力層0.8m。單樁豎向承載力特征值R=500kN，由于柱腳固接，吊車作用下，柱底彎矩較大，為使樁不出現(xiàn)拉力，而形成抗撥樁，因此必須采用雙樁，而且樁距不能按常規(guī)取3.5d。本工程邊柱最大軸壓力N=653kN，M=-364.8kN，V=-77.8kN，兩樁樁距取3.2m，承臺高1.2m。墻體傳來4.1×4.5×6=110.7kN
樁最小反力Nmin=(653+110.7+0.8×4.220)/2－(364.8+77.8×1.0)/3.2=262kN＜R=600kN
Nmax=568.35＜1.2R
中柱，N=1137kN，V=35.4kN，M=225.6kN算得Nmin=513.9＜R=600kN
Nmax=690.3＜1.2R=720kN經(jīng)計算滿足要求，可滿足抗沖、抗剪要求。
3上部結(jié)構(gòu)設(shè)計
本工程為兩跨21m，兩臺10t+15t重級工作制吊車，柱距6m，共有39跨固接的門式剛架，為保證吊車正常運轉(zhuǎn)，廠房穩(wěn)定，滿足位移變形要求加強支撐設(shè)計和吊車制動桁架來增加廠房的整體空間剛度，全長234m，不設(shè)伸縮縫，墻體采用壓型鋼板。選用熱軋H型鋼經(jīng)選用電算定下，用鋼量最低的剛架尺寸，見圖2
圖2剛架圖
3.1柱間支撐設(shè)計
若支撐設(shè)置不當(dāng)，吊車行走時，就會造成剛架晃動，存在安全隱患，因此支撐的設(shè)置非常關(guān)鍵，因選用用鋼量小的窄翼緣H型鋼，因此柱平面外計算長度僅能取4m，在高4m處設(shè)置一道焊接鋼管側(cè)向水平支撐。交叉支撐采用角鋼，在廠房的頭、尾跨設(shè)置柱間支撐，中間跨每隔4跨設(shè)置一道。在設(shè)置柱間支撐的同一跨并設(shè)屋面支撐，為能更好傳遞風(fēng)荷載在屋面每隔4米設(shè)一道水平鋼管剛性系桿。
3.2抗震措施
工程地處設(shè)防烈度7度區(qū)，房屋自重小，承載力不受地震作用效應(yīng)組合控制，可不進行抗震計算。僅針對輕鋼結(jié)構(gòu)的特點采取抗震構(gòu)造措施。
構(gòu)件之間的連接均采用螺栓連接，斜梁下翼緣與剛架柱的連接均加腋，柱腳底板設(shè)抗剪鍵。增設(shè)吊車制動桁架。
3.3隅撐的設(shè)計
隅撐可以用來提高屋面梁式柱的受壓翼緣穩(wěn)定能力，因此在檐口位置，剛架斜梁與柱內(nèi)翼緣交接點附近的檁條和墻梁處，各設(shè)置一對隅撐。在斜梁下翼緣受壓區(qū)隔一檁條設(shè)隅撐，并使其間距不大于相應(yīng)受壓翼緣寬度的16倍，見圖3。
圖3隅撐的設(shè)計
3.4高強螺栓連接設(shè)計
由于屋面荷載很輕，在設(shè)計荷載作用下，斜梁與柱的連接部位主要承受彎矩作用，剪力很小，高強螺栓以受拉為主。剪力由連接構(gòu)件間的摩擦力傳遞剪力。本工程建筑大量采用陽光板，開窗面積少，風(fēng)順力大減少，相應(yīng)剪力也小，選用摩擦型高強螺栓，因此表面可不作專門處理。不必進行摩擦而抗滑移試驗，這有助于提高效益和降低成本。
3.5檁條設(shè)計
檁條的設(shè)計計算是最為困難的。首先，在目前設(shè)計規(guī)范或規(guī)程中尚無簡單實用的計算公式供設(shè)計人員采用，其次，為節(jié)省鋼材，輕鋼結(jié)構(gòu)中的檁條除用于承擔(dān)梁的功能外往往兼作支撐體系中的壓桿，同時還通過隅撐對門式剛架的梁和柱提供側(cè)向支承。如果考慮門式剛架房屋中的蒙皮效應(yīng)，則檁條的構(gòu)造和受力計算更為復(fù)雜。檁條通常由薄鋼板冷彎成型，計算中還需考慮屈曲后的有效截面等問題，因此，精確計算檁條的承載力非常困難。在豎向荷載作用下，檁條的自由翼緣受拉，受壓翼緣由于和屋面有可靠的連接面不存在穩(wěn)定問題。
由于Z型連續(xù)檁條是拱接而成的連續(xù)檁條，其內(nèi)力分布較均勻剛度大，能節(jié)省用鋼量，同時在制作、運輸、安裝諸方面都很便利，因此本工程采用Q345Z型檁條，內(nèi)力計算按如下一種簡單通用的模式考慮：按等截面連續(xù)梁計算模式，考慮活荷載按不利分布作用，光按50%活載均勻滿布得到一個效應(yīng)值S1，再用50%活荷載按最不利隔跨分布得到一個效應(yīng)S2。兩者相加即為最不利活荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)S。另外再考慮在支座處因搭接嵌套松動所產(chǎn)生的彎矩釋放10%。
在風(fēng)吸力作用下，檁條的自由翼緣受壓。因此，當(dāng)檁條下翼緣無面板側(cè)向支撐時，必須對檁條的下翼緣進行穩(wěn)定性驗算。福州地區(qū)基本風(fēng)壓為0.7kN/m2，按門式剛架技術(shù)規(guī)程附錄E公式計算結(jié)果得知，是風(fēng)吸力作用下穩(wěn)定計算起控制作用。選用Z180×70×22.2Q345，檁距1.2m，可以滿足要求。
4結(jié)語
本工程至今已竣工投產(chǎn)近一年，吊車運轉(zhuǎn)正常，經(jīng)歷幾次強臺風(fēng)和冬夏大溫差的考驗，均能滿足正常使用要求，取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。
輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是節(jié)材高效，耗鋼少，自重輕，制造安裝運輸簡便，工期短，可拆遷，定型批量生產(chǎn)易于實現(xiàn)商品化等。近年來發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。本工程采用剛接柱腳和Q345鋼使用鋼量減少了許多，經(jīng)對比驗算采用Q345鋼的用鋼量比采用Q235鋼的用鋼量下降16%左右，采用較平緩坡度（1/10）的門式剛度也可節(jié)約鋼材。為達(dá)到進一步減少鋼耗，降低成本的目的，還可以采用各種先進的科技手段，如引入預(yù)應(yīng)力技術(shù)以加強結(jié)構(gòu)剛度和承載力，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，若能在檁條中張拉板材可以防止風(fēng)吸力下的局部失穩(wěn)和提高彈性受力幅值，將可大大減少檁條的用鋼量。為此，在謀求改進方面希望本文能起到拋磚引玉的作用，同時我們期待著與專家同行的合作。請大家共同關(guān)注與探討并指正。
參考文獻(xiàn)
[1]陸賜麟，輕鋼結(jié)構(gòu)的重量應(yīng)該更輕，建筑結(jié)構(gòu)[J]，2003（10）
