钢结构设计经验总结

张鑫睿　张晓东

【摘要】钢结构应用于建筑已有数十年的历史。为了凸现钢结构住宅的特点，本文简单介绍了钢结构的优点及缺点

【关键词】钢结构 经验 规范 缺点 不足

一.钢结构的优点

一般来说，材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比，钢结构有如下一些特点。

1.1 材料的强度高，塑性和韧性好

钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。

1.2 材质均匀，与力学计算的假定比较符合

钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波动的范围小。

1.3 钢结构制造简便，施工周期短

钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼装，可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。

1.4 钢结构的重量轻

钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3至1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，如建造在交通不便的山区和边远地区的工程，重量轻也是一个重要的有利条件。

当然任何一种材料都不是十全十美的，钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺，在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用，并取得了良好的效果。钢材长期经受100℃辐射热时，强度没有多大变化，具有一定的耐热性能，但温度达150℃以上时，就须用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。

二.设计中的不足

2.1设计项目层层转包造成设计质量下降

设计项目层层转包主要表现在： 当前各大设计院的设计任务相当繁重，所承揽的工艺及综合专业部分设计收费较高，而钢结构部分却是难啃的硬骨头，费工费力收费低，不愿意承接钢结构设计任务，或者缺乏钢结构的设计经验，故往往将钢结构部分分包给另一单位。如山东某体育馆，原为北京某大设计院设计，后将钢结构部分转包给厦门一家设计院，此院苦于不会设计又将钢结构部分包给××大学。经专家审查后发现，设计方案、计算模型、抗震理念均存在大量问题。层层转包的另一表现为借用“资质”或者叫“买图标”，一些无资质的单位，拿到工程后，用买来的图标搞设计，使设计质量存在重大隐患。当前设计市场比较混乱，对设计质量缺乏法制管理，缺乏严格的检查和监督，所出现多项倒塌事故无不与设计资质有关。如不规范市场，严格资质管理，会造成严重后果。

2.2设计深度不够

设计院将自己的设计任务转驾给加工企业，造成质量下降不少设计单位，钢结构的设计水平比较低，承担工程的设计者多为刚毕业不久的博士，缺乏实践经验，更缺乏钢结构的设计知识，盲目照搬规范，套程序，对关键技术不进行研究，对所设计的成果心中没底，只给出‘构件布置图就算完成了任务，而有些布置图只是一个简单的单线条图，对关键的“节点设计”不分具体情况一律采用“全焊接节点”或“全铸钢节点”，至于这种节点是否安全、构造是否合理、是否能做出来心中一概无底，将应该设计的“节点构造”、“支座详图”、“施工安装”等都交给加工企业，设计院只做到了“方案设计”或初步设计的深度，将施工图交给加工厂，加工厂缺乏计算软件，又将施工图任务转包出去，由于这些分包单位缺乏专业配套知识，对设计总体要求不明确，往往所做出的图纸不符合原设计要求，存在严重的质量隐患。有的加工厂为了节约钢材，降低造价，盲目进行钢材优化，结果造成工程质量事故，如×工程，优化后造成杆件太小，致使施工过程中数百个杆件失稳。给国家重点工程造成重大损失。“施工图设计”由设计院完成，这是建设部早有规定的，也是设计院义不容辞的责任，施工图设计必须满足设计深度的要求，“施工图设计”、“深化设计”职责不清，互相扯皮的情况应立即得到纠正。

2.3对国外设计方案不能照抄照搬，对不合理的方案敢于提出挑战当前许多重大钢结构工程都采用了国外的建筑方案，但其结构方案很不合理、用钢量太大、造价惊人﹗

由于国外结构工程师对我国地震和风荷载的特殊情况了解得不深，故设计方案在抗震设计方面很不合理，如“鸟巢”，采用了钢结构屋盖和砼看台完全脱开方案，几万吨的巨大钢桁架所产生的地震荷载由钢结构柱传至柱底，而数千吨的巨大柱底水平力由与看台基础脱开的巨型钢柱脚传递，结果造成用钢量达到五万吨，相当同类体育场用钢量的四倍，这是抗地震设计极不合理的方案，如将数万吨的钢结构产生的地震力传给砼看台，可以减少大量的钢材，在保持原建筑风貌不变的情况下，可使庞大笨重的钢结构减少钢材用量两万多吨。又如“深圳大运会体育场”，采用了单层折板网壳方案，也是采用了网壳与看台脱开的方案，由于大跨度单层网壳结构刚度太差，体系太柔，在风荷载作用下，远远超出规范的要求。經过我们设计师卓有成效的挑战，对国外网壳方案进行了增加“肩谷环”处理，使结构水平位移减少了近一倍。“新中央电视台”采用了双向倾斜、悬臂对接的结构形式，严重不规则、严重超限、大体量悬臂、巨大的自重使得结构特别不利于承受地震作用，是抗地震设计极不合理的方案，为满足抗震设计要求，耗钢达到12万多吨，创造了我国单体建筑工程用钢量之最。也创造了世界建筑工程用钢量的奇迹！

2.4设计未充分考虑施工，给施工带来极大困难

一些设计人员出于经济利益，整天埋在办公室的图纸堆里，理论脱离实际，不深入现场，不了解施工。自己的设计方案能否施工？心中没底！严重者会给施工带来极大困难，总的造价大量增加。如×工程设计要求屋盖最后合拢的温度为14度±4度，但本工程合拢时正值盛夏，中午时钢材表面温度达到55度，为满足14度合拢要求，曾提出‘深挖井、添冰块、喷冰水的区域降温的方案。

三、结语

随着我国经济以及建设的发展，钢结构将得到越来越广泛的应用，会出现更加新颖和有特点的结构形式，这就需要我们广大结构设计人员在钢结构的设计过程上不断完善与加强，从而推进我国钢结构应用的发展与进步。

参考文献：

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