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钢结构工程设计中的问题分析

2019-04-10浏览:
  自工业革命和信息革命以来,现代科学的空间思维也融人到钢结构建筑里面,从根本上改变了人们对以前建筑的认识和创造方式,以钢结构为主的新产业新技术新工艺也逐渐增多。本文主要阐述钢结构工程设计中的问题及钢结构建筑的设计,供大家参考。
  钢结构工程设计院
  钢结构建筑其实很早就出现在了历史上,举世闻名的法国埃菲尔铁塔就是采用钢结构建造而成的。只是在当时的情况下,钢铁产量尚不高,钢铁冶炼技术也不是很成熟,不能应用普及到众多的日常建筑里面。所以在其初期,钢结构的应用多是以建筑零件诸如部分配件,部件,连接件等,早在十九世纪初期人们就已经开始使用熟铁建造房屋和桥梁,其发展历史更比钢筋混凝土悠久,一直到二十世纪六十年代钢结构建筑理论飞速发展与创新,才产生了现代钢结构工艺的建筑。
  
  1、钢结构工程设计问题分析
  
  1.1、设计方法方面
  
  我国钢结构建筑的设计步骤主要是:依据弹性方法计算钢结构各构件内力;依据弹塑性方法验算钢结构构件的极限承载力。由于钢结构达到极限状态时,就会进入弹塑性变形阶段,会造成结构内力的重分布,按现在的方法设计,不能保证构件承载力可靠度的一致性。
  
  1.2、钢结构体系方面
  
  钢结构工程低于6层的,可采用框架一支撑或框架体系,高于6层的采用框架一砼剪力墙或框架支撑体系;框架柱有H型钢柱、钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱。在6层以下钢结构工程中,组合柱要比H型钢柱型要省钢;钢支撑比剪力墙的延性高,在地震等级高时延性高的地震力小,延性差的地震力大,从抗高等级地震的性能来说,钢支撑比砼剪力墙好;钢框架一混凝土剪力墙体系属混合结构,抗震性方面目前研究还不够,选用时应慎重:
  钢结构工程设计图纸
  1.3、钢结构楼板设计方面
  
  楼板不仅承受竖向荷载并将其传给框架,还将水平力传到柱上,因此楼板的强度、承载力和整体性都十分重要。作为钢结构工程要求,楼板还应考虑隔音要求;目前钢结构工程上,压型钢板组合楼板,现浇楼板等应用较多;震级较高的震区或重要钢结构,在柱的设计方面,因考虑在柱子的周边宜设置钢箍筋,以免高水平力破坏楼板。
  
  1.4、钢结构抗震设计方面
  
  1.4.1、设计反应谱问题
  
  地震记录仪构造使得很多大于3秒的强震被削弱,因此计算的反应谱不真实,而建设部人为调整的谱曲线来保证钢结构安全性的抗震设计,可靠性需进一步验证
  
  1.4.2、弹塑性地震反应计算问题
  
  目前我国没有高层钢结构弹塑性地震反应计算程序,缺乏空间弹塑性地震反应分析软件。1.4.3、钢一砼结构高跨设计问题
  
  我国是一个多地震国家,国际上没有这方面的研究,需要解决抗震设计原则、设计指标和设计方法。
  
  1.5、钢结构节点和支撑构造方面
  
  1.5.1、节点设计
  
  钢结构设计中重要的内容是连接节点的设计,应该在结构分析前对节点的形式进行充分思考和确定。必须避免最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致的情况。此外,节点设计还必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序。
  
  1.5.2、焊接
  
  焊缝的尺寸及形式应严格遵守规范:选用的焊条应与金属材质相适应。焊接设计不得任意加大焊缝。焊缝与被连接构件重心应尽量接近。
  
  1.5.3、梁腹板
  
  栓孔处腹板的净截面抗剪性能应进行验算。承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。
  
  1.5.4、拼接
  
  柱应通过小悬臂与梁拼接,梁拼接大部分采用翼缘焊接腹板拼接,也可采用全截面螺栓连接。拼接设计时,腹板要考虑弯矩。
  
  1.5.5、厚度
  
  用外加劲肋和内隔板进行梁与钢管混凝土柱的刚性连接,但钢管壁板与隔板或环板的厚度应相互匹配。
  
  1.6、钢结构选型方面
  
  应根据钢结构不同的特点考虑结构选型。例如,在轻型钢结构工业厂房中,当有较大悬挂荷载或移动荷载,就采用网架结构。雪压较大的地区,屋面曲线应有利于积雪的滑落。降雨量大的地区可以与雪压较大的地区一样考虑。
  
  1.7、钢结构抗火设计方面
  
  钢结构在温度超过400摄氏度时,强度将降为原来的一半,达到600摄氏度时,将丧失全部强度。高层钢结构火源较多,很容易失火,因此,高层钢结构抗火方面的设计尤为重要。设计方面容易出现缺陷的方面:没考虑温度变形和应力的影响;没有考虑高温状态下钢结构内力的重分布;没有考虑钢结构构件相互作用的影响;
  
  1.8、设计指标方面
  
  1.8.1、钢结构高宽比限值问题。
  
  现在我国的规范对地震多发区高层钢结构的高度比为:钢一砼结构为5,纯的钢结构为6。现行规范的高宽比限制主要根据低于150m的高层砼结构提出的,能否适用于超高层的钢结构,还需要深入研究。
  
  1.8.2、钢结构层间变形限制问题。
  
  现在我国很多钢结构实际计算层间很难满足规范的要求,因此,目前钢结构设计标准的层间变形是不是合理,需要更进一步的解决。另外,很多高层钢一砼混合结构的层间变形也亟待解决。
  
  2、钢结构建筑的设计
  
  钢结构建筑的设计是钢结构成功地运用实例。为保证钢结构建筑合理有效的产生,良好精确的设计是至关重要的。现代钢结构设计最为关键的两大步骤是正确选择结构方案和正确计算结构的截面高度。
  
  2.1、钢结构预算的设计
  
  钢结构的设计需要十分准确的计算估计。以国家大剧院为例,国家大剧院由法国建筑师保罗・安德鲁主持设计,设计方为法国巴黎机场公司。国家大剧院建筑屋面呈半椭圆形,其结构:‘212m×143m,跨度>100m,结构方案选屋盖空间结构网壳。但在上机前,结构师把结构的截面高度选得太大,用钢量高达292kg/m2。根据1963年美国教授史密斯(SminlM.C)对166个已建大跨度屋盖进行的回归分析,这种跨度的网壳结构用钢量不超过80kg/m2。故而在采取建设的时候,需对其精确核实才能避免错误产生。   2.2、钢结构建筑整体与局部精细设计
  钢结构工程施工图纸
  建筑的设计不仅仅在于外观上的美感,还在于建筑间的互相协调能力。钢结构建筑也是建筑的一种,它在具有钢结构建筑特殊性的同时也具有普通建筑的一般性。所以在满足钢结构特个性设计的同时,也必须满足一般建筑的共性。由于钢结构的特殊性,通常在建造钢结构建筑的时候,会导致部分细节部位出现偏差或者裸露在外。因而在设计钢结构建筑的时候,为力求建筑形象和建筑功能的完美结合的同时,设计复杂化和工程精细化也更加严苛。
  
  2.3、钢结构的稳定设计
  
  钢结构建筑的稳定性是钢结构建筑设计的重难点,尽管针对设计而言他并不是需要考虑的前置条件,但是却是日后维护的重中之重,故而在建筑设计时,对其稳定性的设计也是着重的对象。钢结构建筑的失稳分为整体失稳和局部失稳。整体失稳是通过对整体框架构建的稳定作为探讨的,在计算时可以通过长细比稳定系数带人进行验证;而局部失稳则是框架构建内部的某一部零件产生的,他间接影响着整体稳定性。因此钢结构建筑的整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求来予以设计。
  
  2.4、钢结构稳定性设计需注意的问题:
  
  2.4.1、目前的钢结构建筑多用于跨度较大的建筑结构,整体稳定和局部稳定维持一个相对的状态,杆件牵涉整体设计时,需从整体稳定人手。
  
  2.4.2、对于日常其他设计,除须考虑结构的整体性,还需要考虑其他的设计点。因为目前的设计分析稳定性的时候,多采用经验数据引用的某一个范围区间作为其结构参数、负荷的计算点。而在实际操作过程中,由于结构参数的不稳定性,造成结构具有相对误差性。
  
  2.4.3、考虑建筑的稳定新的时候,还需考虑钢结构材料的弹性、赢利叠加等多方面因素。通常建筑使用的混凝土的计算公式在此时将不能运用。因为对于钢结构材料而言,其应力叠加应满足这两个条件即材料服从虎克定律应变成正比和结构的变形很小。
  
  随着国内经济突飞猛进地发展,钢结构在建筑业被越来越广泛的重视和应用,钢结构工程在我国将得到前所未有的发展。作为钢结构工程设计人员,面对钢结构建筑的大量涌现,应与时俱进,加强学习有关钢结构工程的专业知识与管理内容,特别对钢结构工程设计方面的一些问题应认真细致的分析,不出现丝毫纰漏,从而确保我国高层钢结构工程的经济性和安全性。

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