高层建筑钢结构应用设计中的质量控制

雷圣义

湖北华顶建筑工程有限公司技术部（431700）

越来越多的标志性钢结构建筑，已经足够证明我国的钢结构建筑无论从设计施工，还是从设计到钢结构件的工业生产加工，专业钢结构设计人员的素质在实践中得到不断提高。如上海金茂大厦、深圳赛格大厦，上海卢浦大桥，跨长江输电铁塔，鸟巢国家体育中心，首钢钢结构厂房建筑等等许多彩钢结构体系的重要工程，标志着建筑钢结构正向高层重型和空间大跨度钢结构发展。

1 钢结构的特点

1.1 优点

钢结构构件较小，质量较轻，便于运输和安装，便于装拆、扩建。适用于跨度大、高度高，承载重的结构。钢材的材质均匀，质量稳定，可靠度高；钢材的强度高，塑性和韧性好，抗冲击和抗振动能力强；钢结构工业化程度高，工厂制造，工地安装，加工精度高，制造周期短，生产效率高，建造速度快；钢结构抗震性能好；用于施工的钢结构构件可以是行工厂化生产、现场安装，可以大大缩短施工周期；空间大：由于钢材的抗压、抗侧弯强度均为混凝土的1.5倍，因此在相同强度的条件下可以缩小截面从而增大了有效空间；可循环利用:钢结构建筑物的施工材料可以实现钢材再生利用，同其它结构建筑物相比减少了大量的建筑垃圾[1-2]。

1.2 缺点:耐腐蚀和耐火性差

钢材的导热系数远大于钢筋混凝土的导热系数，其耐火性能远差于混凝土结构，在温度达到600℃时，钢结构基本丧失了其全部的刚度和强度。因此在钢结构建筑设计中结构抗火被视为重要一环；由于钢材表面的铁原子与空气中的氧化合生成氧化铁锈，锈蚀能够引起应力集中，危害钢结构的使用安全，使钢结构提前破坏，因此对钢结构进行有效的防腐才能确保其使用年限。

2 原材料钢材供应的质量控制

进场的钢材应检查质量合格证明文件、中文标志及检验报告,对下列情况之一的钢材应进行抽样复验:1）国外进口材料。2）钢材。3）建筑结构等级为一级大跨度中主要受力构件所采用的钢材。4）设计有复验要求的钢材。5）对质量有疑义的钢材。

3 钢结构设计中的质量控制

3.1 钢构件的焊接

必须从焊接准备，施工过程和成品检验各个环节做好质量控制工作。目前钢结构加工生产单位绝大部分采用自动弧焊机，仅在个别部位采用手工焊接，重点检查焊接问题较多的手工焊缝，如:焊瘤、夹渣、气孔、咬边、焊缝厚度不足等现象，质量控制要点包括检查焊接原材料出厂质量证明书、检查上岗证(焊工)、督促进行必要的焊接工艺试验、施焊过程中加强巡视检查、严格检查焊缝的外观质量和督促进行焊缝的探伤检验。

3.2 钢结构建筑的防火设计质量控制

钢结构在火灾烈焰下,构件温度迅速升高，而钢材的屈服强度和弹性模量却急剧下降，结构变形迅速增大，最终导致结构倒塌。因此需要对钢结构中的梁、柱、支撑等承重构件和组合楼盖体系的压型钢板作防火处理。常见的处理方式有防火板包裹，防火喷涂，复合防火等。目前应用最多、最方便的是喷涂防火涂料。目前防火涂料成本高达钢结构工程成本的20%，是钢结构防火设计中亟待解决的主要问题。

3.3 钢结构建筑的防腐设计质量控制

钢材如果长时间暴露在室外受到风雨等自然力的侵蚀，必然会生锈老化，其自身承载力会下降，建筑的美观也会受影响。因此防腐问题也是需要解决的常见问题，目前的做法主要是采用新型防腐和构造材料。但是目前的防腐技术最多能保证20年左右，对于常规设计基准期为50年的建筑而言，后期第二次防腐处理是相当困难的，尤其是一些前期隐蔽工程。所以钢结构防腐需要一次彻底的技术革新。

4 钢结构建筑的稳定性质量控制

稳定性质量控制是钢结构设计中的一个突出问题[3]，在各种类型的钢结构设计中，都会遇到稳定问题。钢结构中的稳定问题也是钢结构设计中亟待解决的主要问题，一旦出现钢结构的失稳事故,不但对经济造成严重的损失,甚至会造成人员的伤亡,这方面的教训也很多。所以我们在钢结构设计中，一定要把好这一关。目前，钢结构中出现的失稳事故大多是由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚，对如何保证结构稳定缺少明确的认识，造成结构设计中出现不应有的薄弱部位。因此,在设计中应该明确钢结构稳定的一些基本概念，才能更好地处理钢结构的稳定问题。

4.1 围护结构中檩条的设计

檩条通常是风荷载作用下对工况起控制作用，设计时常忽略验算风吸力作用下的稳定，导致大风时很容易失稳破坏。为了保证风吸力作用下的整体稳定，通常在檩条之间设置拉条。计算中已考虑拉条的作用而施工图中忽略了布置拉条或拉条布置不当都将导致檩条失稳破坏。正确的拉条布置位置是根据计算结果在檩条上下翼缘附近，在上下稳定均需要拉条约束时，也可设一根拉条从一檩条的下翼缘处连接于相邻檩条的上翼缘处。在实际工程设计中有些设计者对屋面或墙架最上端檩条的侧向支撑，如拉条、斜拉条、撑杆能正确设置，但对中间墙面或屋面，如门窗洞口、屋面风机开孔处、屋面天窗(采光窗)等处，经常只设拉条，而漏设斜拉条和撑杆等,根本无法将拉条上的拉力传至承重结构上。其根本原因是对拉条、斜拉条、撑杆的传力作用及途径不清楚，同时也是对规范条文只知其然，不知其所以然，从而给围护结构的设计带来安全隐患。

4.2 隅撑的设计

设置隅撑是保证梁柱构件整体稳定的主要措施，隅撑间距是梁柱计算时确定的，大小规格也需通过计算确定。若因特殊原因不能设置隅撑，应采取可靠措施保证梁柱翼缘不会因失稳而屈曲，否则存在安全隐患。所以在轻钢结构和多高层框架结构的一些关键部位均要设计隅撑。

4.3 钢构件的抗扭设计

对于一般钢结构构件(除箱形截面外)，其抗扭的能力是较弱的，截面面积完全相同的工字形截面和箱形截面梁，其扭转常数之比为1∶500，最大扭转剪应力之比近于30∶1。且受扭构件的受力状态复杂，除因弯矩产生的弯曲正应力、剪应力外，还要承受因扭转产生的正应力和剪应力，处于这种复杂受力状况的构件支座处理也很困难。因此在实际的工程设计中，通常是从结构布置上尽量避免使构件受扭，或采取各种有效的措施阻止其受扭。若无法避免时宜采用闭合式的箱形截面梁。

4.4 柱脚的锚栓设计

规范规定,钢结构柱脚锚栓按承受拉力计算，水平力由柱脚底板与混凝土的摩擦或设置底板抗剪键来承受，锚栓不得承受水平力。目前设计师一般按设计软件的信息设计抗剪件，基本能保证规范要求，但是对于抗剪件的设计和计算却缺乏相应的规定。另外，对有些承受拉力柱脚的锚栓设计目前也没有相应的设计规定。

5 结语

“钢结构是环保住宅，钢结构符合可持续发展概念”——21世纪钢结构将占领广阔的建筑市场。在我国目前大力推广住宅产业化的时代背景下，钢结构体第必将成为住宅体系的主流。展望未来，随着经济等建筑物的需求十分旺盛。这将为钢结构的发展提供更多机会，钢结构产来兴旺的新局面就在眼前。现在我国钢结构已进入一个新阶段，有关规范和标准已出台，国内钢产量充足，为钢结构住宅的发展提供了较好的物质和技术基础[4-5]。应及时把握其发展趋势，结合我国国情，积极借鉴并吸纳国外成熟技术，注意各专业间的相互配合，促进钢结构住宅产业化发展，相信我国钢结构住宅的发展前景是美好的。

[1] 陈昌民,刘志平.工程质量监控与通病防治全书[M].北京:中国建材工业出版社,1998:639～650.

[2] 戎建开.钢筋焊接质量通病及防治[J].山西建筑,2004,30(3):36～37.

[3] 申立林.钢结构工程施工监理要点探讨[J].山西建筑,2007,33(31):215～216.

[4] 中国建筑监理协会.建设工程监理规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[5] 冶金工业部建筑研究总院.钢结构工程施工质量验收规范[M].北京:中国计划出版社,2001.