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【摘 要】 随着国家经济建设的发展,长期以来混凝土和砌体结构一统天下的局面正在发生变化。钢结构产品在大跨度空间结构、轻钢门式结构、多层及小高层住宅领域的建筑日益增多,应用领域不断扩大。
【关键词】 建筑;钢结构设计;注意问题
引言:
中国经济的发展,带动建筑结构的历史性飞跨。建筑施工中最重要的一环就是钢结构设计,钢结构设计中,要综合考虑各方面的因素,才能减少施工中的不必要麻烦,才能以最严谨的结构设计,增加建筑房屋使用年限,减少建筑的残值率。
一、建筑鋼结构设计特点以及原则
1、建筑钢结构设计特点
1.1强度高
在建筑施工中,钢结构具有很高的强度特性,韧性和塑性相比其他建筑都好;如比砖石、木材等,强度都要高出很多。因此,被广泛应用于大荷载、大跨度的结构设计中。拥有较好的塑性,在一定条件下结构就不会因为超载出现断裂;韧性,则是结构适应动力荷载的主要因素。另外,钢结构拥有良好的吸能力和延伸性,也是抗震性良好的基础条件。极高的钢材强度,构件截面制作薄且小,当受到压力影响下,就能满足施工要求,有时也会让强度不能正常发挥。
1.2材质均匀
在钢结构内部,材质相对比较均匀,在应力范围内部,几乎处于完全弹性的状态,从而让钢结构受力状况满足工程力学计算结果。其次,在轧制以及冶炼过程中,钢材质量也有得到严密的控制,从而让材质在极小的区域波动。
1.3施工周期短,制造简单
在建筑结构设计中,构成钢结构的材料,几乎全部属于成材,非常单纯,加工便利,通过机械就能直接操作。在作为专业的金属结构构件时,也能拥有极高的精确度;在工地构件拼装中,通过安装方便的普通型螺栓或者强度很高的螺栓都能进行,有时甚至直接在地面进行拼装或者焊接成较大的单元进行吊装,从而为缩短施工周期创造条件。除了上述特点外,已经建成的钢结构建筑,在改建或者加固中也比较方便,如在结构螺栓连接钢结构建筑中,根据施工要求就能进行拆迁。
2、建筑钢结构设计原则
在建筑施工中,为了保障工程质量,钢结构设计必须拥有足够的稳定性、刚度和强度,在整体结构满足安全和可靠要求的同时,须达到建筑使用标准,并且具有良好的耐火性。在结构方案设计中,设计者必须以减小钢结构自重、节省材料为前提,方便结构构件运输、维护。在条件允许的情况下,尽量保障外部美观,特别是外露部分,必须满足建筑美学要求。在结构设计中,根据上述原则,再整合实际情况各种要求,让建筑钢结构拥有良好的施工合理性、设计特点以及经济性。
在梁柱体系中,建筑钢结构通常使用的是普通的梁柱体系,焊接柱为箱型钢柱,使用热轧式焊接整个钢梁,让整个设计结构为刚性框架,由板、梁、柱承担部分荷载。对于建筑钢结构框架中的柱和梁、基础和梁必须按照刚性结构进行连接设计,在现场施工中,通过焊接和高强螺栓逐步发挥连接作用。
在抗剪设计中,通过计算结果可以看出:在地震力以及水平荷载影响下,上述结构体系部分刚度较弱,进而就需要布置中心,有效抵抗水平荷载。对于建筑钢结构剪力墙中的电梯和楼梯间,通常使用钢筋混凝土的方式,就可以更好的控制水平外力对工程造成的冲击。
二、建筑钢结构设计要点
1、正确选用钢材与焊缝质量等级
按照国内现行的相关规范要求,在钢结构的设计方案中,应明确标注钢材与焊缝质量等级。在国内现阶段的钢结构设计中,对于焊缝质量等级的要求缺乏明确性,部分项目甚至并没有提及。在抗震要求较高钢结构建筑的设计时,钢板的厚度应≥40mm,在承受沿板厚方向的较大拉力时,要保证板厚方向的截面收缩率。在钢结构设计中,焊接连接是基本的钢结构连接方法,焊缝质量的优劣直接影响到结构的整体安全,所以,必须根据结构、构件的重要性与受力性能等,合理确定焊缝的质量等级。
2、结构选型
在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是”概念设计”,它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题,可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想,从全局的角度来确定控制结构的布置及细部构造措施。在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择,所得结构方案往往易于手算、力学行为清晰、定性正确,并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时,它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。结构选型时,应考虑不同结构形式的特点。在工业厂房中,当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载,就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区,屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50度外不需考虑雪载),建筑允许时,在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中,可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中,常采用钢混凝土组合结构,在地震烈度高或很不规则的高层中,不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。
3、结构计算
梁、柱的截面初选时,要考虑构造要求,如翼缘宽厚比、腹板高厚比、构件长细比等。不宜为了一味追求用钢指标,而采用把梁、柱截面高度加大、腹板厚度变薄、翼缘宽度变窄、厚度变薄等措施。如这样做后,将产生负面效应。首先,这将使得梁、柱自身的整体稳定性不易保证(尤其平面外的稳定)。其次,使得运输、施工中都难以保证构件不发生翘曲变形。结构分析中一定要注意结构分别在风荷载作用下、地震作用下的层间位移、顶点位移、自振周期。设计中常常不重视结构的自振周期,有时结构的层间位移、顶点位移都满足规范要求,但自振周期却比较长,这对于建筑物抗震是十分不利的。当建筑物遇到主要为低频的地震波时,地震波对这种周期长、高柔的建筑影响很大。梁、柱变形应该按照规范严格进行控制。当梁跨度很大时,梁变形验算要同时考虑相对变形和绝对变形。
三、建筑钢结构设计中应注意的问题
1、钢结构住宅的设计
钢结构住宅有低层和多层之分、低层一般用于别墅,而多层用于公寓、根据抗震规范GB50011对12层以下和以上房屋的不同要求,建造钢结构住宅一般不宜超过12层。钢结构住宅抗震性能受结构布置规则性影响,因此,其平面布置应力求规则、对称。不规则布置在地震时容易遭到损坏。
2、钢结构稳定性设计的经验。
2.1借助于计算机技术和相关软件的发展,目前钢结构设计中结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可由计算机辅助完成,而由设计者对结构和构件的平面外强度及稳定计算,进行分析、计算和设计,为了提高效率和提供方便,在设计时可将整个结构按标高进行分解,简化成不同水平荷载作用下的多个布置形式的结构体系来进行强度和稳定的计算。
2.2受弯钢构件的板件局部稳定可以通过几种方式实现:限制板件宽厚比,使之达到屈曲的极限承载能力,不在构件整体失效前屈曲;允许板件在构件整体失效前屈曲,然后利用其屈曲后强度达到构件的承载能力;对梁设置横向或纵向加劲肋,以解决不考虑屈曲后强度的梁的局部稳定问题。
2.3轴心受压构件和压弯构件局部稳定也可通过两种方式实现,分别是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比和控制腹板计算高度与其厚度之比,如果受压构件为圆管截面,则应控制外径与壁厚之比。
四、结束语
目前,随着城市经济的发展和高层建筑的增多,我国钢结构发展也开始迅速起来,钢结构住宅作为一种绿色环保建筑,已经开始做为重点推广项目。人们的生活水平越来越高,对钢建筑结构设计也提出了更高的要求。因此,加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用,使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中,我们要充分发挥结构工程师的创新能力,因为他们是结构设计革命的推动者和执行者。
参考文献:
[1]陈汉雄.体育场钢结构工程管理控制要点[J].江西建材,2011(04)
[2]冯骏.浅谈钢结构现场焊接质量控制[J].中国科技信息,201l(22)
[3]程立江.轻钢结构厂房的生产工艺及安装要求[J].中国西部科技,201l(32)
【关键词】 建筑;钢结构设计;注意问题
引言:
中国经济的发展,带动建筑结构的历史性飞跨。建筑施工中最重要的一环就是钢结构设计,钢结构设计中,要综合考虑各方面的因素,才能减少施工中的不必要麻烦,才能以最严谨的结构设计,增加建筑房屋使用年限,减少建筑的残值率。
一、建筑鋼结构设计特点以及原则
1、建筑钢结构设计特点
1.1强度高
在建筑施工中,钢结构具有很高的强度特性,韧性和塑性相比其他建筑都好;如比砖石、木材等,强度都要高出很多。因此,被广泛应用于大荷载、大跨度的结构设计中。拥有较好的塑性,在一定条件下结构就不会因为超载出现断裂;韧性,则是结构适应动力荷载的主要因素。另外,钢结构拥有良好的吸能力和延伸性,也是抗震性良好的基础条件。极高的钢材强度,构件截面制作薄且小,当受到压力影响下,就能满足施工要求,有时也会让强度不能正常发挥。
1.2材质均匀
在钢结构内部,材质相对比较均匀,在应力范围内部,几乎处于完全弹性的状态,从而让钢结构受力状况满足工程力学计算结果。其次,在轧制以及冶炼过程中,钢材质量也有得到严密的控制,从而让材质在极小的区域波动。
1.3施工周期短,制造简单
在建筑结构设计中,构成钢结构的材料,几乎全部属于成材,非常单纯,加工便利,通过机械就能直接操作。在作为专业的金属结构构件时,也能拥有极高的精确度;在工地构件拼装中,通过安装方便的普通型螺栓或者强度很高的螺栓都能进行,有时甚至直接在地面进行拼装或者焊接成较大的单元进行吊装,从而为缩短施工周期创造条件。除了上述特点外,已经建成的钢结构建筑,在改建或者加固中也比较方便,如在结构螺栓连接钢结构建筑中,根据施工要求就能进行拆迁。
2、建筑钢结构设计原则
在建筑施工中,为了保障工程质量,钢结构设计必须拥有足够的稳定性、刚度和强度,在整体结构满足安全和可靠要求的同时,须达到建筑使用标准,并且具有良好的耐火性。在结构方案设计中,设计者必须以减小钢结构自重、节省材料为前提,方便结构构件运输、维护。在条件允许的情况下,尽量保障外部美观,特别是外露部分,必须满足建筑美学要求。在结构设计中,根据上述原则,再整合实际情况各种要求,让建筑钢结构拥有良好的施工合理性、设计特点以及经济性。
在梁柱体系中,建筑钢结构通常使用的是普通的梁柱体系,焊接柱为箱型钢柱,使用热轧式焊接整个钢梁,让整个设计结构为刚性框架,由板、梁、柱承担部分荷载。对于建筑钢结构框架中的柱和梁、基础和梁必须按照刚性结构进行连接设计,在现场施工中,通过焊接和高强螺栓逐步发挥连接作用。
在抗剪设计中,通过计算结果可以看出:在地震力以及水平荷载影响下,上述结构体系部分刚度较弱,进而就需要布置中心,有效抵抗水平荷载。对于建筑钢结构剪力墙中的电梯和楼梯间,通常使用钢筋混凝土的方式,就可以更好的控制水平外力对工程造成的冲击。
二、建筑钢结构设计要点
1、正确选用钢材与焊缝质量等级
按照国内现行的相关规范要求,在钢结构的设计方案中,应明确标注钢材与焊缝质量等级。在国内现阶段的钢结构设计中,对于焊缝质量等级的要求缺乏明确性,部分项目甚至并没有提及。在抗震要求较高钢结构建筑的设计时,钢板的厚度应≥40mm,在承受沿板厚方向的较大拉力时,要保证板厚方向的截面收缩率。在钢结构设计中,焊接连接是基本的钢结构连接方法,焊缝质量的优劣直接影响到结构的整体安全,所以,必须根据结构、构件的重要性与受力性能等,合理确定焊缝的质量等级。
2、结构选型
在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是”概念设计”,它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题,可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想,从全局的角度来确定控制结构的布置及细部构造措施。在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择,所得结构方案往往易于手算、力学行为清晰、定性正确,并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时,它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。结构选型时,应考虑不同结构形式的特点。在工业厂房中,当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载,就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区,屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50度外不需考虑雪载),建筑允许时,在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中,可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中,常采用钢混凝土组合结构,在地震烈度高或很不规则的高层中,不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。
3、结构计算
梁、柱的截面初选时,要考虑构造要求,如翼缘宽厚比、腹板高厚比、构件长细比等。不宜为了一味追求用钢指标,而采用把梁、柱截面高度加大、腹板厚度变薄、翼缘宽度变窄、厚度变薄等措施。如这样做后,将产生负面效应。首先,这将使得梁、柱自身的整体稳定性不易保证(尤其平面外的稳定)。其次,使得运输、施工中都难以保证构件不发生翘曲变形。结构分析中一定要注意结构分别在风荷载作用下、地震作用下的层间位移、顶点位移、自振周期。设计中常常不重视结构的自振周期,有时结构的层间位移、顶点位移都满足规范要求,但自振周期却比较长,这对于建筑物抗震是十分不利的。当建筑物遇到主要为低频的地震波时,地震波对这种周期长、高柔的建筑影响很大。梁、柱变形应该按照规范严格进行控制。当梁跨度很大时,梁变形验算要同时考虑相对变形和绝对变形。
三、建筑钢结构设计中应注意的问题
1、钢结构住宅的设计
钢结构住宅有低层和多层之分、低层一般用于别墅,而多层用于公寓、根据抗震规范GB50011对12层以下和以上房屋的不同要求,建造钢结构住宅一般不宜超过12层。钢结构住宅抗震性能受结构布置规则性影响,因此,其平面布置应力求规则、对称。不规则布置在地震时容易遭到损坏。
2、钢结构稳定性设计的经验。
2.1借助于计算机技术和相关软件的发展,目前钢结构设计中结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可由计算机辅助完成,而由设计者对结构和构件的平面外强度及稳定计算,进行分析、计算和设计,为了提高效率和提供方便,在设计时可将整个结构按标高进行分解,简化成不同水平荷载作用下的多个布置形式的结构体系来进行强度和稳定的计算。
2.2受弯钢构件的板件局部稳定可以通过几种方式实现:限制板件宽厚比,使之达到屈曲的极限承载能力,不在构件整体失效前屈曲;允许板件在构件整体失效前屈曲,然后利用其屈曲后强度达到构件的承载能力;对梁设置横向或纵向加劲肋,以解决不考虑屈曲后强度的梁的局部稳定问题。
2.3轴心受压构件和压弯构件局部稳定也可通过两种方式实现,分别是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比和控制腹板计算高度与其厚度之比,如果受压构件为圆管截面,则应控制外径与壁厚之比。
四、结束语
目前,随着城市经济的发展和高层建筑的增多,我国钢结构发展也开始迅速起来,钢结构住宅作为一种绿色环保建筑,已经开始做为重点推广项目。人们的生活水平越来越高,对钢建筑结构设计也提出了更高的要求。因此,加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用,使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中,我们要充分发挥结构工程师的创新能力,因为他们是结构设计革命的推动者和执行者。
参考文献:
[1]陈汉雄.体育场钢结构工程管理控制要点[J].江西建材,2011(04)
[2]冯骏.浅谈钢结构现场焊接质量控制[J].中国科技信息,201l(22)
[3]程立江.轻钢结构厂房的生产工艺及安装要求[J].中国西部科技,201l(32)