摘要：鋼結(jié)構(gòu)是相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)比來(lái)說(shuō)的，根據(jù)實(shí)際，在超高層建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面積比率越來(lái)越大，鋼筋混凝土在超高層建筑中的優(yōu)越性受到很大質(zhì)疑，隨著現(xiàn)代化的鋼結(jié)構(gòu)材料以及建筑物的不斷誕生，鋼材的高強(qiáng)度越來(lái)越成為建筑選材的熱門，在超高層建筑中采用部分鋼結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu)的理論研究與設(shè)計(jì)建造正在同步前進(jìn)。本文就鋼材選材和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行淺議，不足之處有待提高。

　　關(guān)鍵詞：鋼筋,設(shè)計(jì),鋼結(jié)構(gòu),變形

　　一、鋼結(jié)構(gòu)中鋼材的特性研究

　　1.鋼材變形和校正

　　鋼結(jié)構(gòu)材料或構(gòu)件由于受外力或內(nèi)應(yīng)力作用會(huì)引起拉伸、壓縮、彎曲、扭曲或其他復(fù)雜變形。矯正工作的對(duì)象就是鋼材的變形件。因此了解變形及其原因，以便采取合理的矯正方法。

　　(1)鋼材原材料變形

　　鋼材原材料變形是由鋼材內(nèi)部殘余應(yīng)力及存放、運(yùn)輸、吊運(yùn)等不當(dāng)引起的。原材料殘余應(yīng)力引起的變形，產(chǎn)生于鋼鐵廠軋制鋼材的過程中。當(dāng)鋼鐵廠用坯料經(jīng)熱軋或冷軋方式在軋輥中沿鋼材長(zhǎng)度方向軋制時(shí)，軋輥的彎曲、間隙調(diào)整不一致等原因，會(huì)導(dǎo)致鋼材在寬度方向壓縮不均勻而形成鋼材內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力而引起變形;鋼材因?yàn)榇娣挪划?dāng)引起變形，是由于使用原材料大部分較長(zhǎng)、較大，且量多，鋼材堆放時(shí)鋼材的自重會(huì)引起鋼材的彎曲、扭曲等變形。特別是長(zhǎng)期堆放、地基的不平或鋼材下面墊塊墊得不平會(huì)引起鋼材產(chǎn)生塑性變形。對(duì)開長(zhǎng)期露天堆放，引起銹蝕嚴(yán)重的鋼材不宜進(jìn)行矯正;運(yùn)輸、吊運(yùn)不當(dāng)引起變形，鋼材在運(yùn)輸或吊運(yùn)過程中，安放不當(dāng)或吊點(diǎn)、起重工夾具選擇不合理會(huì)引起變形。

　　(2)成型加工后變形

　　鋼材在成型加工過程中工藝和操作方法等選擇不當(dāng)，極易引起成型件變形。主要有剪切變形，特別是剪切狹長(zhǎng)鋼板，由于一般采用斜口剪剪切，會(huì)引起鋼板彎曲、扭曲等變形。采用圓盤剪剪切會(huì)引起鋼板扭曲等復(fù)雜變形。另外沖切模具如設(shè)計(jì)不當(dāng)也會(huì)使沖切后的鋼材產(chǎn)生變形;氣割變形，目前我國(guó)鋼材氣割大多采用氧—乙炔，在氣割過程中，當(dāng)鋼材被氧氣和乙炔氣產(chǎn)生的混合預(yù)熱火焰預(yù)熱至高溫時(shí)，立即被高純度的氧氣流噴射，使鋼燃燒產(chǎn)生大量的化學(xué)熱而形成液態(tài)渣及少量溶化了的鐵，被高速氧氣流吹走，從而形成切口。氣割時(shí)切口處形成高溫，氣割后逐漸冷卻，由于金屬熱脹冷縮特性，在氣割時(shí)切口邊朝外彎曲，冷卻后由于內(nèi)應(yīng)力作用切口邊向里彎曲;這種情況在氣割狹長(zhǎng)鋼板時(shí)若只一邊有割縫時(shí)變形尤為嚴(yán)重;彎曲加工后變形，對(duì)鋼材彎曲加工成一定幾何形狀時(shí)，一般采用冷加工或熱加工的方法，并對(duì)鋼材施加外力使其產(chǎn)生永久性變形。冷加工時(shí)外力作用過大或過小，熱加工時(shí)由于鋼材內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用，而使鋼材未能達(dá)到所需弧度或角度等幾何狀所要求的范圍時(shí)，即變形過大或過小這即產(chǎn)生鋼材彎曲加工后的變形。

　　(3)焊接變形

　　鋼材焊接是一種不均勻的加熱過程，焊接通過的電弧或火焰熱源的高溫移動(dòng)進(jìn)行。焊接時(shí)鋼材受熱部分膨脹，而周圍不受熱部分在常溫下并不膨脹，相當(dāng)于剛性固定，它將迫使受熱部分膨脹受阻而產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后焊縫及其附近、鋼材因收縮而造成焊件產(chǎn)生應(yīng)力變形。焊接變形因焊接接頭形式、材料厚薄、焊縫長(zhǎng)短、構(gòu)件形狀、焊縫位置、焊接時(shí)電流大小、焊縫焊接順序等原因會(huì)產(chǎn)生不同形式的變形。焊接變形一般可分：整體變形和局部變形。焊接和焊縫附近鋼材收縮主要表現(xiàn)在縱向和橫向收縮二方面，因而形成了焊件的壓縮、彎曲、角變形等多種形式。

　　2.鋼材的變形校正

　　矯正的主要形式有矯直、矯平及矯形矯直。矯正是利用鋼材的塑性、熱脹冷縮的特性，以外力或內(nèi)應(yīng)力作用迫使鋼材反變形，消除鋼材的彎曲、翹曲、凹凸不平等缺陷。矯正按加工工序分有原材料矯正、成型矯正、焊后矯正等。

　　(1)火焰矯正

　　鋼材的火焰矯正是利用火焰對(duì)鋼材進(jìn)行局部加熱，被加熱處理的金屬由于膨脹受阻而產(chǎn)生壓縮塑性變形，使較長(zhǎng)的金屬纖維冷卻后縮短而完成的。影響火焰矯正效果的因素有三個(gè)：火焰加熱位置、加熱的形式和加熱的熱量。火焰加熱的位置應(yīng)選擇在金屬纖維較長(zhǎng)的部位。加熱的形式有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和三角形加熱三種。用不同的火焰熱量加熱，可獲得不同的矯正變形的能力。低碳鋼和普通低合金結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件用火焰矯正時(shí)，常采用600~800 °C的加熱溫度。

　　(2)機(jī)械矯正

　　鋼材的機(jī)械矯正是在專用矯正機(jī)上進(jìn)行的。機(jī)械矯正的實(shí)質(zhì)是使彎曲的鋼材在外力作用下產(chǎn)生過量的塑性變形，以達(dá)到平直的目的。它的優(yōu)點(diǎn)是作用力大、勞動(dòng)強(qiáng)度小、效率高。鋼材的機(jī)械矯正有拉伸機(jī)矯正、壓力機(jī)矯正、多輥矯正機(jī)矯正等。

　　(3)手工矯正

　　手工矯正是采用錘擊或小型工具進(jìn)行矯正的方法，其操作簡(jiǎn)單靈活，但矯正力較小僅適用于矯正尺寸較小的鋼材，有時(shí)在缺乏或不便使用矯正設(shè)備時(shí)也采用。

　　二、如何判斷構(gòu)件是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

　　1.構(gòu)件判斷

　　鋼結(jié)構(gòu)是由鋼板、型鋼拼合連接成基本構(gòu)件，如梁、柱、桁架等，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后通過安裝連接成整體結(jié)構(gòu)。 鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面(木行)架、網(wǎng)架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。

　　在鋼結(jié)構(gòu)施工中，連接占有很重要的地位無(wú)論是工廠加工，還是現(xiàn)場(chǎng)安裝，都會(huì)遇到連接問題。鋼結(jié)構(gòu)的連接通常有焊接、螺栓連接及鉚釘連接。前兩種應(yīng)用廣泛，鉚釘連接費(fèi)鋼費(fèi)工，現(xiàn)在已很少使用，但其韌性和塑性較好，傳力可靠，因此在一些重型結(jié)構(gòu)或承受動(dòng)力荷載作用的結(jié)構(gòu)中有時(shí)仍會(huì)采用。

　　2結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　(1)機(jī)構(gòu)選型

　　結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)考慮它們不同的特點(diǎn)。在輕鋼工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或移動(dòng)荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。基本雪壓大的地區(qū)，屋面曲線應(yīng)有利于積雪滑落。

　　結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征，荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮。一般的說(shuō)要?jiǎng)偠染鶆颉Ａ�學(xué)模型清晰。盡可能限制大荷載或移動(dòng)荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ)。

　　柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻。其形心要盡量靠近側(cè)向力(風(fēng)震)的作用線。否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線。比如有支撐框架結(jié)構(gòu)，柱子至少應(yīng)能單獨(dú)承受1/4的總水平力框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置，有時(shí)可以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會(huì)使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也有時(shí)會(huì)吃不消，此時(shí)把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

　　(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是“概念設(shè)計(jì)”，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對(duì)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(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想，從全局的角度來(lái)確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。

　　運(yùn)用概念設(shè)計(jì)可以在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。同時(shí)，它也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

　　三、預(yù)估截面與構(gòu)件相關(guān)設(shè)計(jì)

　　1.預(yù)估截面

　　結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對(duì)構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。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1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時(shí)，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。柱截面按長(zhǎng)細(xì)比預(yù)估。通常50<λ<150，簡(jiǎn)單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。除此之外構(gòu)件截面形式的選擇沒有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟(jì)美觀的截面。

　　2.構(gòu)件設(shè)計(jì)

　　構(gòu)件的設(shè)計(jì)首先是材料的選擇，比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn)。通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟(jì)考慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面。當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時(shí)，可選擇Q345;穩(wěn)定控制時(shí)，宜使用Q235，構(gòu)件設(shè)計(jì)中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來(lái)驗(yàn)算截面。這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的彈性方法并不匹配。

　　當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些軟件可以將驗(yàn)算時(shí)不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫(kù)里選擇加大一級(jí)。并自動(dòng)重新分析驗(yàn)算，直至通過，如sap2000等。這是常說(shuō)的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。

　　3.節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對(duì)節(jié)點(diǎn)的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免。按傳力特性不同，節(jié)點(diǎn)分剛接，鉸接和半剛接。初學(xué)者宜選擇可以簡(jiǎn)單定量分析的前兩者。常用的參考書有豐富的推薦的節(jié)點(diǎn)做法及計(jì)算公式。連接的不同對(duì)結(jié)構(gòu)影響甚大。比如，有的剛接節(jié)點(diǎn)雖然承受彎矩沒有問題，但會(huì)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)，不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定。所以在具體設(shè)計(jì)中要考慮幾種節(jié)點(diǎn)手段:

　　(1) 焊接:由于焊縫連接受材料、操作影響很大，施工后應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真的質(zhì)量檢查。鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量檢查分為三級(jí)，檢查項(xiàng)目包括外觀檢查、超聲波探傷以及X射線探傷等。

　　所有焊縫均應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，檢查其幾何尺寸和外觀缺陷。焊縫感觀應(yīng)達(dá)到：外形均勻、成型較好，焊道與焊道、焊道與基本金屬間過渡較平滑，焊渣和飛濺物基本清除干凈。焊縫表面不得有裂紋，焊瘤等缺陷.一級(jí)、二級(jí)焊縫不得有表面氣孔、夾渣，弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。且一級(jí)焊縫不得有咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷。

　　(2)栓接:螺栓作為鋼結(jié)構(gòu)連接緊固件，通常用于構(gòu)件間的連接、固定、定位等。鋼結(jié)構(gòu)中的連接螺栓一般分普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓兩種。普通螺栓或高強(qiáng)度螺栓而不施加緊固力，該連接即為普通螺栓連接;高強(qiáng)度螺栓并對(duì)螺栓施加緊固力，該連接稱高強(qiáng)度螺栓連接

　　(3)連接板:可簡(jiǎn)單取其厚度為梁腹板厚度加4mm。然后驗(yàn)算凈截面抗剪等。

　　(4)梁腹板:應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓。

　　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場(chǎng)焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法安裝是初學(xué)者長(zhǎng)犯的錯(cuò)誤。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位與臨時(shí)固定。

　　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平。

　　四、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下的圖紙編制

　　圖紙主要包括設(shè)計(jì)圖和施工詳圖兩種，設(shè)計(jì)圖，是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù)。深度及內(nèi)容應(yīng)完整但不冗余，在設(shè)計(jì)圖中，對(duì)于設(shè)計(jì)依據(jù)、荷載資料(包括地震作用)、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設(shè)計(jì)要求(包括制造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)的等級(jí)、涂裝及運(yùn)輸?shù)?、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面選用以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等均應(yīng)表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現(xiàn)設(shè)計(jì)的意圖。主要材料應(yīng)列表表示。施工詳圖，又稱加工圖或放樣圖等。深度須能滿足車間直接制造加工。不完全相同的另構(gòu)件單元須單獨(dú)繪制表達(dá)，并應(yīng)附有詳盡的材料表，設(shè)計(jì)圖及施工詳圖的內(nèi)容表達(dá)方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個(gè)設(shè)計(jì)單位之間及其與鋼結(jié)構(gòu)公司之間不盡相同。

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