钢结构设计常见问题分析

郭建华

摘 要：在总结钢结构设计、施工经验的基础上，通过对钢结构设计中常见的几个典型问题的分析，避免在钢结构设计、施工中出现类似问题，为钢结构设计、施工提供依据和参考。

关键词：钢结构 设计 节点 质量

中图分类号：TU392.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（c）-0058-01

近年来，钢结构的应用范围越来越广，技术越来越成熟，国家和地方编制了相应的标准、规范、规程、图集等来指导钢结构的设计、施工。但钢结构建筑的结构形式千变万化，在钢结构设计、施工中还会产生许多问题。如在施工图设计阶段，由于设计时间紧，设计任务繁重，施工图设计时设计人员经常采用结构软件自动生成的图纸或选用相应的标准图集，但对于施工单位一些经验不足的施工人员，由于不能深刻理解设计人员的意图和施工图内容的关联性，常常在钢结构制作、安装等过程产生诸多问题，影响施工质量及进度。同样由于设计人员水平不一，在钢结构材料选取、节点做法等设计时存在不足之处，对钢结构施工单位在钢结构材料采购、加工、运输及安装等方面造成一些困难。

1 钢结构设计、施工中常见的几个问题探讨

1.1 钢柱柱脚的设计

（1）柱脚锚栓的锚固：柱脚锚栓的锚固长度，不同直径的锚栓，有不同的要求，在施工图中，设计人经常采用标准图集或设计手册中给定的锚栓的锚固长度。基础设计时若考虑不周全或当基础高度、基础埋置深度受到限制时，尤其对直径较大的锚栓，由于锚栓锚固长度较大，锚栓已经伸至基础底面以下，造成柱脚锚栓无法安装。特别是有些工程，上部钢结构施工图由钢结构专业公司设计，钢结构的基础施工图由另外一家设计院设计，若两家设计院未及时沟通，很容易发生由于柱脚锚栓长度过大而无法安装的情况，为此需修改设计或采取其它办法以满足锚栓的锚固长度，以免延误工期，造成不必要的损失。

（2）柱脚抗剪键：对于设置了抗剪键的柱脚，应在基础短柱顶预留一定尺寸的方孔以保证抗剪键就位，当钢柱基础间设置了基础梁，基础梁顶标高通常与基础短柱顶标高相同，这时很容易发生基础梁顶纵筋与抗剪键相碰，造成基础梁钢筋锚固长度不足。设计时如果遇到此问题时，可将基础梁顶标高降低或将基础梁水平定位与抗剪键错开，以满足基础梁顶纵筋的锚固长度。

（3）柱脚底板与基础短柱调整空间的二次灌浆：柱脚底板设置抗剪键或柱脚底板与基础短柱顶预留50～100 mm的调整空间时，当刚架和支撑等构件安装、检测和校正几何尺寸无误后，应对抗剪键预留孔及调整空间采用灌浆料填实，设计中柱脚底板若未预留溢浆孔，这样很容易造成灌浆料无法填实，使柱脚底板与灌浆料结合不紧凑，形成安全隐患，设计时应当在柱脚底板预留溢浆孔，以避免此问题发生。

1.2 杯口基础与钢柱的连接

当柱底弯矩较大而柱底轴力相对较小时，若柱脚采用锚栓与基础相连，锚栓直径会比较大且柱脚通常要做成靴梁式柱脚，靴梁式柱脚做法复杂且用钢量较大。这种情况下，可将柱脚改为插入式柱脚，钢柱基础采用杯口基础。插入式柱脚做法简单且节省钢材，但钢柱安装找正相对复杂。由于杯口内二次浇灌的细石混凝土很难振捣，严重时柱脚底板下可能出现空鼓。设计时可采取增大柱脚底板与杯口底面之间的距离或在柱脚底板上设置排气孔等措施来保证二次浇灌混凝土的质量，对于格构柱尚应在钢柱柱底水平联系杆预留灌浆孔。二次浇灌前应将基础杯口内表面打毛并清洗干净，埋入混凝土内的钢柱表面不得涂油漆，并对钢板表面进行适当处理，以增强混凝土与钢构件之间的粘结力，来保证施工质量。

1.3 节点的连接设计

钢结构构件大部分是在加工厂完成制作，构件运到现场后拼装，由于节点设计不合理导致构件无法安装，这种情况在施工中会经常碰到。节点设计时，不仅要考虑节点受力合理，也要考虑节点是否便于安装，当安装困难或无法安装时，应考虑变更节点设计。

门式刚架柱顶系杆与H型钢钢柱弱轴连接时，如采用系杆两端伸入钢柱翼缘内的连接做法，因系杆的长度大于钢柱的净距，造成系杆无法就位，为此应该将连接系杆端部的钢柱上的节点板伸出钢柱翼缘，系杆长度相应减小，保证系杆顺利安装。

门式刚架边柱的梁柱节点通常采用端板竖放和端板横放两种形式，当边柱采用内天沟排水时，一些设计人员由于考虑不全，当天沟宽度较大，钢柱截面高度相对较小时，梁柱节点采用端板竖放的形式，造成梁柱节点端板及端板加劲肋与天沟相碰，天沟无法安装，这种情况下，梁柱节点可采用端板横放的连接形式。

节点设计时对于不同的截面形式，手工焊接、自动焊接、螺栓连接均有不同的构造尺寸和操作空间的要求，设计时应考虑周全，否则由于节点设计不当，可能会造成钢结构构件加工时无法焊接或钢结构安装时因操作空间偏小构件无法安装到位。

1.4 钢材材料的选用、材料公差

为保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢板厚度和工作环境等因素，选用合适的钢材牌号和材性。承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合现行国家标准《碳素钢结构》GB/T 700和《低合金高强度钢结构》GB/T 1591的规定。承重结构采用的应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构及重要的焊接非承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格的保证。

在设计过程中，由于设计人员对钢材市场可能不很了解，导致施工单位在备料时常会发生买不到施工图纸中所选用的材料。例如：材质为Q345钢的角钢或柱脚锚栓，采购相当困难。对需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应根据结构工作温度的不同，选用具有常温、-20°C或-40°C冲击韧性的合格保证的钢材，有些设计人员对结构的工作温度不甚理解，将钢材的冲击韧性提高一个级别，这就无形中增加了工程造价和材料采购的难度。上述问题应当在设计中避免。某些建设或施工单位要求在焊接结构中用Q235A级钢代替施工图中的Q235B级钢，在焊接结构中，建筑钢的焊接性能主要取决于碳的含量，因相关国家标准中A级钢的碳含量不作为交货条件，为确保工程质量，避免发生工程事故，设计人员一定要明确在主要焊接结构中不应采用Q235A级钢。

2 结语

钢结构的施工图设计、构件加工、制作、安装息息相关，设计人员对每一步都应该有清楚的了解，这些对设计及施工都有很大的帮助。设计人员只有通过分析、总结，不断提高自身的业务水平，才能使钢结构设计更好的满足施工要求。

参考文献

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[2] 朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析[Z].2013-09.

[3] 罗邦富，沈祖炎，等.钢结构设计手册[Z].2012-05.