隨著我國(guó)鋼材產(chǎn)量的增加,鋼結(jié)構(gòu)工程因鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,塑性韌性好、質(zhì)量輕和施工速度快等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的發(fā)展。本文論述了鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)注意的問(wèn)題,為更多更好的建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)工程提供一定的參考。

鋼結(jié)構(gòu)由于具有強(qiáng)度高、自重輕、施工速度快等特點(diǎn),故一直是人們喜愛(ài)采用的一種結(jié)構(gòu)。近百年來(lái)得到了快速的發(fā)展,尤其是在上世紀(jì)下半葉,隨著世界鋼產(chǎn)量大幅度增加,鋼結(jié)構(gòu)也相應(yīng)更加擴(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域,特別是在大跨度、高聳、超高層、重型、動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)大量被使用。伴隨國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,輕鋼結(jié)構(gòu)建筑也在中國(guó)建筑領(lǐng)域迅勐發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)建筑是繼鋼筋混凝土建筑之后的革命性建筑的新發(fā)展和新應(yīng)用。輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)突出:整體剛度和抗震性能好、施工速度快、結(jié)構(gòu)占有空間面積小、承載力高,在工業(yè)廠房中鋼結(jié)構(gòu)已逐漸代替了較多的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),以其大跨度、大空間的表現(xiàn)在建筑規(guī)模上相當(dāng)出色。

1.鋼結(jié)構(gòu)工程的優(yōu)點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)工程的主要優(yōu)點(diǎn)在于:首先,在施工速度方面:鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以工廠化批量生產(chǎn),施工簡(jiǎn)單,安裝快捷,大大縮短施工周期;其次,鋼結(jié)構(gòu)工程在自重方面:可減輕建筑物結(jié)構(gòu)質(zhì)量約30% ,特別在地基承載力低和地震設(shè)防烈度較高的地方,其綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系;從環(huán)保方面考慮:鋼結(jié)構(gòu)體系屬于環(huán)保型綠色建筑體系,鋼材本身是一種高強(qiáng)度高效能的材料,具有很高的再循環(huán)價(jià)值,并且不需要制模施工。

2.鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中需要注意的幾個(gè)方面

2.2溫度伸縮縫的設(shè)置

溫度變化將引起鋼結(jié)構(gòu)工程變形,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力,其大小與柱子剛度、吊車軌頂標(biāo)高和溫差有關(guān)。當(dāng)廠房平面尺度很大時(shí),為避免產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力,應(yīng)在廠房橫向或縱向設(shè)置溫度縫,將平面尺寸很大的廠房分成若干溫度區(qū)段(又稱結(jié)構(gòu)單元) 。溫度區(qū)段的長(zhǎng)度可根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行。溫度伸縮縫一般采用設(shè)置雙柱方法處理,也可采用設(shè)置單柱方法處理,對(duì)縱向溫度伸縮縫可在屋架支座處設(shè)置滾動(dòng)支座,對(duì)橫向溫度伸縮縫可在框架梁與檁條連接處采用橢圓孔滑動(dòng)方式或槽鋼夾板滑動(dòng)方式。

2.1保溫隔熱與防火設(shè)計(jì)

鋼材對(duì)溫度相當(dāng)敏感,但溫度升高與降低都使鋼材性能發(fā)生變化。鋼材具有非常好的導(dǎo)熱性能,其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到50W /(m? ℃ ) ,對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑,如果不進(jìn)行保溫隔熱處理,勢(shì)必會(huì)造成大量能源浪費(fèi)和消耗,同時(shí)還要滿足工藝性要求和舒適性要求。相比之下,低溫性能更重要。下圖為鋼材的機(jī)械性能與溫度間的關(guān)系曲線。

因此,當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)表面溫度處于150 ℃以上時(shí),必須做隔熱及防火設(shè)計(jì),做法一般有兩種:

高溫屈服強(qiáng)度與室溫屈服強(qiáng)度之比

高溫彈性模量與室溫彈性模量之比

(1)在鋼構(gòu)件外包耐火磚,混凝土或硬質(zhì)防火板材。

(2)采用厚涂型防火涂料,厚度按《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)》。

2.4屋蓋支撐系統(tǒng)及屋面設(shè)計(jì)

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、吊車設(shè)置及噸位大小、振動(dòng)設(shè)備情況等條件來(lái)決定。一般情況下無(wú)論有檁或無(wú)檁體系的屋蓋結(jié)構(gòu)均應(yīng)設(shè)置垂直支撐,在無(wú)檁體系中,大型屋面板有叁點(diǎn)和屋架焊接,可起到上弦支撐作用,但考慮到施工條件限制和安裝需要,無(wú)論有檁或無(wú)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(duì)于屋架間距不小于12 m的廠房或廠房?jī)?nèi)設(shè)有特重級(jí)橋式吊車或廠房?jī)?nèi)有較大振動(dòng)設(shè)備的均應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐。屋面設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是防水。屋面防水設(shè)計(jì)涉及屋面坡度、天溝形式、單坡屋面長(zhǎng)度等因素。

根據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定,屋面坡度小為5%。但在實(shí)際工程中,一些外資鋼構(gòu)公司屋面坡度經(jīng)常做到3 % ,甚至2 %?？紤]到目前國(guó)內(nèi)鋼構(gòu)廠家技術(shù)力量、節(jié)點(diǎn)的處理、材料性能方面參差不齊,人們將屋面坡度控制在5 %。在積雪較大的地區(qū),坡度應(yīng)適當(dāng)增大。單坡屋面長(zhǎng)度,主要取決于工程所在區(qū)域的溫差以及降雨所形成的很大水頭的高度。根據(jù)收集的資料和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),單坡屋面長(zhǎng)度宜控制在70 m以內(nèi),若超過(guò)70 m ,需做專題研究、特殊處理。

經(jīng)過(guò)調(diào)研了解,目前市場(chǎng)上常用的鋼結(jié)構(gòu)屋面做法有兩種: 1)雙層彩色壓型鋼板內(nèi)夾保溫棉,使用量很大,但溫差大、單坡長(zhǎng)造成的彩鋼板熱脹冷縮問(wèn)題很難解決。2)復(fù)合柔性鋼屋面系統(tǒng),由屋面彩鋼板內(nèi)板、隔汽層、保溫層、卷材防水層組成。由于外層鋪設(shè)柔性卷材,整個(gè)屋面為一個(gè)密閉系統(tǒng),熱脹冷縮問(wèn)題不突出,造價(jià)較國(guó)內(nèi)一般鋼構(gòu)廠家稍高。

3.鋼結(jié)構(gòu)工程的主要構(gòu)成部分:

3.1鋼屋蓋系統(tǒng)：首先鋼屋蓋承重構(gòu)件是由壁薄、細(xì)長(zhǎng)的桿件組成,截面形狀復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中又有偏心;其次設(shè)計(jì)屋蓋系統(tǒng)時(shí)計(jì)算荷載、計(jì)算簡(jiǎn)圖較正確,且接近計(jì)算極限狀態(tài),結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力安全儲(chǔ)備小,對(duì)超載、溫度和腐蝕作用十分敏感,容易因?yàn)榕既灰蛩囟?再加上制造、安裝和使用過(guò)程中出現(xiàn)的各種影響,鋼結(jié)構(gòu)屋蓋成為鋼結(jié)構(gòu)工程破壞中嚴(yán)重的部分。鋼屋蓋發(fā)生破壞包括屋蓋倒塌、桁架桿件斷裂(包括與節(jié)點(diǎn)板連接斷開(kāi)) 、屋蓋撓曲超標(biāo)準(zhǔn)、桿件彎曲、節(jié)點(diǎn)板彎曲或開(kāi)裂、屋蓋支撐屈曲等類型。

3.2吊車梁系統(tǒng):吊車梁系統(tǒng)是鋼結(jié)構(gòu)工程的重要組成部分,包括吊車梁、制動(dòng)結(jié)構(gòu)、吊車軌道和連接。吊車梁受力復(fù)雜,且吊車的垂直力和側(cè)向力具有動(dòng)力特征、沖擊和疲勞作用,比起屋蓋系統(tǒng)吊車梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖、計(jì)算方法與實(shí)際情況差異更大、不定性更多,結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性較低。

3.3柱系統(tǒng):按照不利荷載組合設(shè)計(jì)的柱子,由于荷載同時(shí)出現(xiàn)的概率很低,在正常工作條件下,實(shí)際應(yīng)力低于設(shè)計(jì)應(yīng)力很多,柱的安全儲(chǔ)備相當(dāng)大,出現(xiàn)破壞的可能性很小,發(fā)生柱整體承載能力不足的而導(dǎo)致破壞的情況很少。工業(yè)廠房的柱子常發(fā)生如下破壞(柱肢變形、柱肢體有切口、格構(gòu)式柱子腹桿彎曲和扭曲變形、柱頭與吊車梁支撐牛腿處焊縫開(kāi)裂、柱子垂直傾斜,圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)損壞,吊車軌道偏位) ,將會(huì)影響生產(chǎn)。

3.4地基基礎(chǔ):地基的強(qiáng)度問(wèn)題主要包括:地基承載力不足或地基喪失穩(wěn)定性,斜坡喪失穩(wěn)定性。地基變形問(wèn)題主要是指軟土、濕陷性黃土、膨脹土、季節(jié)性凍土等地區(qū)過(guò)大的變形和不均勻沉降。地基的破壞通常有叁種形式:整體剪切破壞、沖切剪切破壞和局部剪切破壞。

4.鋼結(jié)構(gòu)工程常見(jiàn)施工問(wèn)題及解決方法

4.1鋼結(jié)構(gòu)工程施工過(guò)程中應(yīng)該注意的施工問(wèn)題

牽系到整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量。涂層作業(yè)氣溫應(yīng)在5～38℃之間為宜,當(dāng)天氣溫度低于5℃時(shí),應(yīng)選用相應(yīng)的低溫涂層材料施涂。當(dāng)氣溫高于40℃時(shí),應(yīng)停止涂層作業(yè)。因構(gòu)件溫度超過(guò)40℃時(shí),在鋼結(jié)構(gòu)表面涂刷油漆會(huì)產(chǎn)生氣泡,降低漆膜的附著力。當(dāng)空氣濕度大于85% ,或構(gòu)件表面有結(jié)露時(shí),不宜進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)涂層作業(yè)。鋼構(gòu)件工程制作前,應(yīng)對(duì)構(gòu)件隱蔽部位、結(jié)構(gòu)夾層難以除銹的部位,提前除銹,提前涂刷。

4.2鋼結(jié)構(gòu)體系存在一些不容忽視的問(wèn)題。

目前在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中,主要問(wèn)題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)。在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關(guān)系也是一個(gè)值得探討的問(wèn)題,目前大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中取一個(gè)統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數(shù),未反映整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)性。鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性研究中存在許多隨機(jī)因素的影響,目前結(jié)構(gòu)隨機(jī)影響分析所處理的問(wèn)題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機(jī)荷載輸入這樣一個(gè)格局范圍,而在實(shí)際工程中,由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性,會(huì)引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異。所以應(yīng)著眼于考慮隨機(jī)參數(shù)的結(jié)構(gòu)極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問(wèn)題的研究曾對(duì)考慮隨機(jī)參數(shù)的穹頂網(wǎng)殼的穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行過(guò)有益的研究。