钢结构设计中的常见问题分析与对策

童公明

【摘 要】本文是作者近几年的工作经验总结的，主要的论述了钢结构设计中常出现的问题，并且提出了一些参考和建议。

【关键词】钢结构；设计；问题分析

1.设计注意事项

1.1基本材料的选用

钢结构工程中采用的钢材种类有开平板（卷板）、中板、型钢等。开平板比较经济，在钢板不太厚的组焊钢结构构件中，作为腹板和翼缘板也能达到结构设计的要求；但是在由较厚的钢板或者Q345-B钢板组焊的钢结构构件中，作为翼缘板和腹板不太好，因为开平板在卷板整平过程中不太容易达到和型钢一样的平整，且整平过程中板材有裂纹内应力等。在作为细长受压杆件时，比型钢更容易变形，更易因变形而造成失稳破坏，所以较厚的钢板或者Q345-B钢板最好不用开平板，用热轧型钢。

1.2钢结构构件截面的选取

（1）钢柱：截面形式优选宽翼缘热轧H型钢，或相近的焊接H型钢，尽量使钢柱的双向强度、刚度和稳定性相近，使截面达到优化设计的截面利用率。虽然箱形截面很容易实现双向性能相近，但是构件加工制作不太方便。如果建筑平面柱网双向柱距差别较大，也可以选用中翼缘热轧H型钢或相近的焊接H型钢，双向性能都使截面的利用率达到优化设计的要求。（2）钢梁：截面形式优选窄翼缘H型钢，充分利用钢梁截面高度对钢梁抗弯承载能力的显著效果。另一方面，窄翼缘H型钢，由于同样的用钢量，梁高相对较高，排放螺栓可以减少排放排数。一般框架梁柱节点2排螺栓足够（而中翼缘H型钢很可能为三排，宽翼缘H型钢一般在三排，甚至四排）；次梁节点，窄翼缘H型钢一般为一排（而中翼缘和宽翼缘H型钢有可能为两排），如果考虑楼层净高的影响，也可采用中翼缘H型钢。螺栓数量增多的原因：a.为满足最大螺栓间距构造要求而配置多余计算要求的螺栓；b.同样的螺栓数量，截面高的梁布置的螺栓抗弯承载能力比截面高度小的梁布置的螺栓抗弯承载能力强。螺栓数量的增多，使连接节点的连接板尺寸需要增大，板厚也可能增加，而且加工制作和安装也更费工。这些因素均会导致工程造价的增加。

1.3柱间支撑

钢框架结构因钢柱的刚度小整体位移偏大，如果柱间距比较大，层高比较大时，一般不能满足规范要求的位移角要求，如果通过加大柱截面来减小结构的位移角值，则不太经济。一般在结构中要布置柱间支撑，可以比较容易满足规范要求的位移角，对钢材用量的增加不大。所以设置柱间支撑既能比较容易达到规范位移角的要求，而且较经济。由于柱问支撑布置对结构刚度的影响很大，所以要合理的布置柱间支撑，从而满足适当增大结构整体刚度和刚度布置合理两方面的要求。要做到以上要求，首先，柱间支撑不能布置太多，使得结构整体刚度过大，从而导致整体地震力也增大及结构整体用钢量的增加，这样既不经济也不实际。其次，合理布置柱间支撑需要考虑以下几个方面：（1）不影响建筑功能布置；（2）尽量对称均匀布置；（3）沿竖向应从底到顶均匀通长布置；（4）同一单体内最好采用同一柱间支撑类型。还应注意的是柱间支撑处受力较大，传给基础的受力较大，所以柱问支撑处应设置基础梁，增大基础受力较大处的基础整体稳定性。

1.4框架梁柱节点

（1）节点域：柱腹板比较薄时，梁柱连接节点域有可能抗剪承载力不够。a.如果柱截面采用热轧型钢，则采用柱节点域补贴补强钢板比较方便；如果柱腹板另一侧不与钢梁连接，则可采用节点域补加斜向加劲肋板更方便施工。b.如果柱截面采用组合H型钢，则采用节点域处腹板直接换为较厚的钢板更方便施工。

（2）为实现梁柱节点塑性铰外移到梁端部，离梁端一定的距离，则梁端节点采用加强措施：a.采用加宽梁端部上下翼缘板：常用在钢梁与钢柱弱轴方向连接；b.采用梁端上下翼缘补贴加强板：一般用在钢梁与钢柱强轴方向连接，制作和安装比较繁琐；c.采用梁端腹板加腋：一般用在钢梁与钢柱强轴方向连接，制作和安装比较简单，但是梁底由于有竖向下凸角，不太美观。建议采用同截面梁下外加腋制作，更方便。

2.工作经验

在实际设计工作中为满足建筑美观的要求，由于钢结构一般跨度较大，设计中往往要考虑顶层大跨度结构或顶层大跨度层的预留。多层钢框架结构，如果每层均设置大跨度大空间，结构的用钢量会增大许多，而且由于跨度大，梁高也大，净高会减小。如果把大跨度大空间功能用房移到顶层，这个问题便可以迎刃而解。

钢结构材料决定了钢结构房屋的韧性很好，抗弹性变形能力强，结构自重轻，地震作用小，抗震性能好等等。决定了钢结构房屋可以采用底部钢框架结构，顶部为门式刚架结构。这种结构形式可以充分利用门式刚架结构的超强的弹性和抗变形能力，使顶层结构自重很轻巧，地震力很小，用很低的用钢量达到大跨度大空间的建筑使用功能的要求，而且净高也可以很高。

顶层门式刚架经济性比钢筋混凝土结构还好，由于空间的柱网很大，可以满足建筑功能更大自由的功能分区的自由分割。由于顶层预留大跨度结构的附加荷载不是很大，对结构的影响和地基基础的影响不太大，但是为以后的发展提供了很大的空间。所以钢框架结构，一般最好顶层设置大跨度空间的门式刚架结构，或顶层预留大跨度空间结构的荷载和连接部位。一般来说钢框架结构的含钢梁大约在40%～60%，而门式刚架的含钢梁大约在20%-30%之间。所以在节约钢材、节省造价方面，会带来非常显著的效果。

钢结构房屋屋面为满足建筑美观的要求，同样需要采用大跨度屋面结构，一般大跨度屋面结构采用以下几种结构形式：

2.1平面桁架、立体桁架、空间桁架结构

平面桁架：由于平面外强度、刚度和稳定性较差，整体性较差，主受力方向为平面桁架方向。一般用于跨度小于30m，桁架间柱距比较小6m～9m，屋顶荷载很小的屋面结构设计中（一般屋顶均采用轻型屋面板）。

立体桁架：由于平面外强度、刚度和稳定性较差，整体性较差，主受力方向为平面桁架方向，但是平面外强度、刚度和稳定性较平面桁架好一些。一般用在跨度30m～60m，桁架间距比较小（6m-9m），屋顶荷载很小的屋面结构设计中（一般屋顶均采用轻型屋面板）。

空间桁架：由于屋面结构的双向刚度、强度和稳定性，整体性均较大，为空间整体受力结构，可以在跨度60m以上的屋面结构设计中采用（一般屋顶均采用轻型屋面板）。

2.2平板网架与网壳结构

网架和网壳为空间受力结构体系，整体性好，一般不在网架和网壳中部开大洞，以免影响网架和网壳的整体刚度，整体性明显减弱。当跨度很小时，可以采用单层网壳结构；当跨度很大时，可以采用多层网架和网壳结构。网架一般可以采用周边支座和点支座。网壳结构一般采用周边支座（如穹顶型网壳结构）。一般屋顶均采用轻型屋面板。

2.3悬索结构，弦支穹顶结构及组合结构

这些类型结构，一般采用在比较复杂的大跨度结构中，由于比较复杂，就不在此叙说。异形屋面结构，一般采用立体桁架和空间桁架结构，比较方便实现异形空间曲线的变化特征。屋面结构中部开大洞，一般采用洞口周边布置周边柱来解决刚度和强度突变问题；如果建筑功能不允许在洞口周边布置周边柱，则一般跨度较小时采用平面桁架、跨度较大时采用立体桁架、跨度很大时采用空间桁架结构、悬索结构、弦支穹顶结构或组合结构。

实际工作中钢结构设计还应避免和特殊处理以下一些问题及注意事项：

a.钢梁：最好为直线梁，避免折梁和弧梁，因为折梁与弧梁受扭很容易产生失稳破坏。如果建筑设计要求必须设置弧梁或折梁，则在直线梁上设置外伸钢梁支撑弧梁或折梁，并提供一个侧向约束，阻止弧梁或折梁扭转失稳破坏。

b.钢梁节点：次梁与主梁连接，次梁与二级次梁连接处，一般采用铰接节点设计，因为钢结构的现场安装连接，非混凝土一次整体浇筑成型的特点决定了钢结构主次梁连接，次梁与二级次梁连接处采用刚接节点设计，施工将非常不便，而且经济性不明显，所以，一般采用铰接节点设计。但是如果为悬挑梁，则必须采用刚接节点设计。如果一根次梁一端与直线型框架梁（次梁）连接，另一端与悬挑弧梁或悬挑折梁连接，则这根次梁与直线型梁连接处，与弧梁或折梁连接处均应采用刚接，这样不仅可以减少悬挑弧梁或弧梁的挠度，可以减少梁的应力，也可以减少梁因变形太大，扭转刚度太小且缺少约束而造成的扭转失稳破坏。

c.由于钢结构构件的刚度小，翼缘和腹板易发生屈曲失稳破坏，所以钢结构梁柱连接一般为中心对齐，避免偏心使本来就比较易产生失稳破坏的构件，更加容易产生失稳破坏，最终导致结构整体破坏。

d.主体结构中不应采用薄壁构件，虽然在受力较小的情况下薄壁构件按计算强度和稳定也能达到设计要求，但是其焊接容易造成烧伤母材，焊接缺陷对焊接质量的影响比中板钢构件影响大得多，而且薄壁构件的防腐要求更严，受锈蚀后构件强度下降很明显，整体结构和构件的安全性和耐久性较差。所以只有在维护和更换较方便的次要结构构件中才可采用薄壁构件（如屋面檩条、墙梁、幕墙龙骨等）。

3.结束语

最后，还应注意的是，实际工作中钢结构的最大不足就是容易失稳，造成失稳破坏。为了保证结构的整体稳定和构件的局部稳定，往往会造成用钢量的增加。把钢构件型钢截面的腹板采用波纹形腹板代替平板型腹板，则可以明显增大型钢截面的抗屈曲性能，节约钢材。楼板采用钢筋桁架楼板代替钢筋混凝土楼板或组合楼板。与组合楼板相比，可以节约净，楼板底面平整。与钢筋混凝土楼板相比，可以省去支模板，省去现场绑扎钢筋占用场地和施工流水时间，加快施工进度，而且钢筋桁架楼板中的钢筋桁架为机械化加工制作，效率高、质量可靠。 [科]

【参考文献】

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[3]赵熙元.钢铁工业单层厂房钢结构设计[J].机械工厂设计，2011（05）.