钢结构设计中的常见问题及对策

李 阳

1 钢结构的概念和发展现状

在建筑工程施工领域，钢结构运用十分普遍。钢结构主要由钢材构成，是一种重要的建筑结构类别。各部件或者构件一般通过铆钉、螺栓相连。目前，应用较多的为轻钢和重钢结构。其中，轻钢具有重量轻、占地面积小等优势。而重钢的重量较重，但是其稳定性较强，普遍应用于工厂的厂房建造工程项目[1]。

为了确保钢结构的稳定性，要充分保障钢材的质量。因此，施工单位在针对钢材料进行加工处理的过程中，首先要做好钢材料质量的检测工作。但是钢结构材料也存在一定的缺陷，即与普通材料相比，其整体的工程造价高，一些小型施工单位为了获得更多的经济效益，往往不会大面积应用钢结构。因此，为了更好地在建筑工程项目中推广钢结构，要引入先进的技术来减少型钢的制作成本。只有通过不断减少其成本，才能更好地推广钢结构材料。

2 钢结构设计中的常见问题

2.1 钢结构自身的失稳问题

结合大量的数据调查和工程项目施工案例分析发现，在现阶段的钢结构建筑工程项目中，直接导致建筑出现质量问题的一个重要因素便是钢结构本身不够稳定。

整体而言，钢结构不稳定主要有两种表现方式，一是某个部位失去稳定，二是某个部位失去稳定导致总体失去稳定。通常所说的失稳指的是钢结构受弯部位大小超过本身可以承受的程度，导致钢结构失去稳定。

失稳的一个重要原因即为相关设计人员在针对建筑物的钢结构展开设计的过程中，没有根据建筑物的实际需求考虑其支撑作用。

在针对钢结构进行吊装的过程中，由于施工人员的技术差异，导致其吊装位置出现差异，由此造成钢结构整体的网架以及杆件等区域的受力情况出现变化，由此产生失稳问题。在建筑工程项目中，只要应用了钢结构，就可能出现失稳现象，因此在具体的工程项目施工过程中，一定要格外重视钢结构的失稳问题[2]。

2.2 钢结构自身的腐蚀问题

工程项目施工过程中，由于很多钢结构的耐蚀性较差，常常会产生腐蚀现象，尤其在某些湿度大、腐蚀性强的区域，腐蚀状况会更严重，构件的承载力下降，导致事故发生。通过对大量的钢结构房屋建筑以及屋顶结构的调查和分析可知，因钢结构自身的腐蚀问题导致的建筑物坍塌概率就超过40%。

2.3 钢结构的火灾问题

钢结构在耐高温、抗腐蚀方面表现较差，尤其当温度达到430 ～540 ℃时，便会影响钢材的防火性能。在其防火性能下降后，便会诱发火灾，对于建筑项目来说，会面临重大安全风险，乃至导致火灾事故产生。在温度高的环境下，钢结构本身的承重能力很快就会失效，由此导致建筑出现坍塌，会给后期的疏散、救援、灭火等工作带来严重的不利影响。因此，在针对钢结构进行设计的过程中，一定要注重钢结构的耐高温性问题，避免引发安全事故。

2.4 钢结构可靠性的问题

对于钢结构来说，可靠性是最关键的指标，会直接影响钢结构的承载能力，在钢结构设计时往往会将可靠性作为关键性指标进行考量。在钢结构设计时很多变量具有较大的不确定性，但是在具体设计时往往会将设计值作为均值看待，这必然会对设计结果造成较大影响。结构随机影响分析针对的问题大多是确定的结构参数、随机载荷等内容，但是在实际钢结构设计时往往会因为结构参数具有不确定性[3]。

3 建筑结构设计中钢结构设计的对策

3.1 整体设计策略

在设计之前，由工程投标人将业主提出的有关需求，以书面形式发送给设计者，由设计者参考有关的标准，并按规定进行设计。在钢结构中，要确保其具有足够的荷载。在针对钢结构设置其关键节点的过程中，应视现场的实际情况而定。在满足应力的前提条件下，必须符合经济的原则，尽量减少后期的成本投资，并在必要时采用新材料。

在设计完毕后，将平面设计参数输入对应的三维软件中，并将其转换为三维模型，然后开展应力分析工作。在进行钢结构设计时，要防止长细比数值过高，如果不能很好地控制长细比，就必须在工程方案中对各工序进行严格控制，以提高钢结构构件的抗弯承载力。如图1为钢结构设计简图。

图1 钢结构设计简图

在对各种工艺参数进行校核后，进行相应的焊接工作，这将对结构的刚性产生直接的影响，如果不能有效地控制焊接过程中残留的应力，那么材料的刚性将达不到预期的效果。在实际的焊接过程中，焊缝的大小要保持在一个规范的范围内，并且要确保焊接点均匀分布，而且不能有3 个方向交叉。另外，在施工过程中，要做好工地的管理工作，如果发现与设计不符，应及时报告给主管，并加以改正[4]。

3.2 确保钢结构的稳定性

在钢结构设计过程中，其自身的稳定性是必须考虑的问题，结合上文可知，钢结构失稳分为整体性和局部性两种。但是导致其结构不稳定的一个重要原因是相关设计人员在针对钢结构展开设计的过程中，忽略了钢结构的支撑，再加上在实际工程中，由于安装位置发生变化，不可避免会出现不稳定的情况，这也是目前钢结构设计和施工的一个重要问题。因此，在具体的设计工作中，设计者必须充分考虑结构系统和各部件，并从整体上加强对稳定性的设计和要求。

钢结构设计工作以平面系统设计为主，包括框架、桁架等多个部分，可以从以下2 方面来提升钢结构自身的稳定性：第一，在钢结构设计过程中，保证相关数据符合整体架构，增加相应的支撑部件，提高平面架构的稳定性；第二，计算钢结构的各项参数，然后进行建模，根据模型效果控制施工过程，以此提高钢结构的稳定性。

3.3 全面考量钢结构的抗腐蚀性能

我国建筑工程的安全事故中，40%左右是由钢结构建筑引起的，相对于混凝土和木结构的建筑工程项目来说，应用钢结构作为主体的建筑更容易发生意外。通过对钢结构工程项目的综合分析可知，导致安全事故产生的主要原因是钢结构自身的防腐蚀能力不强。在这种情况下，就需要充分考虑钢结构的防腐蚀能力。技术人员首先要针对钢结构进行防腐处理，然后对其表面进行喷镀和喷铝，这样既可以保证钢结构的美观，又提高了钢材的耐蚀性[5]。钢结构外观如图2所示。

图2 钢结构外观

3.4 充分考虑防火性能

在钢结构设计过程中，应该充分考虑材料的防火性能，并采取多方面的防火措施。同时，也可以应用涂抹防火材料的钢结构进行防火。在设计的过程中，需要注意以下3 点：第一，应注意建筑物中钢结构的位置和钢构件自身的特性；第二，考虑实际施工的经济性和具体的施工情况；第三，如采用消防安全设计，空间占用和重量就会发生变化。

3.5 确定合理的结构可靠性标准

对于钢结构来说，设计可靠性标准是保证钢结构整体可靠性的关键。总的来说，标准主要集中在结构设计基准期、安全等级、抗震设防标准等3 方面。

3.5.1 结构设计基准期

对建筑结构设计来说，一定要按照具体建筑类型确定设计基准，建筑结构设计使用年限如表1 所示。按照表1 设计基准期选定结构方面的设定载荷，载荷的具体数值会直接影响建设成本。此外，建筑结构工作年限也会对楼面、屋面载荷等造成影响，需要对其进行调整。

表1 建筑结构设计使用年限

3.5.2 安全等级

结构安全等级直接影响着整个结构的抗破坏能力，也就是决定着整个结构的可靠性。从已发布的《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50068—2018）来看，安全等级下降一级，结构的可靠性指标就会下降0.5，大大增加结构的失效可能性。在设计过程中如果设定错误结构安全等级必然会增加结构安全隐患，同时刻意提升结构安全等级必然会大大提升结构材料的成本，不符合经济性原则。作用组合效应和结构抗力之间的关系可以表示为：

式中：γ0 为结构重要性系数，安全等级一、安全等级二、安全等级三对应的下限值分别为1.1、1、0.9，可根据建筑投资主体对上述数值进行调整；S 为荷载组合的效应设计值；R 为结构构件抗力设计值。对于式（1）来说，结构安全等级的增减会对材料抗力的要求造成直接影响，整个材料成本也会发生变动。因此，在实际工程中，要参照结构重要性以及整个投资成本来确定最适宜的结构安全等级以及重要性系数，这是有效控制结构投资成本的关键。

需要注意的是，结构安全等级和构件安全等级之间并不是简单的对应关系，可以按照工程的具体情况对构件安全等级进行调整，对于关键性构件、承受载荷较重的构件可以一定程度上提升安全等级，而对于其他非关键构件，可以一定程度减小安全系数，从而确保整体构件的安全等级，降低投资成本。在具体的工程设计过程中，可以对构件重要性、影响程度等进行分类，之后进行针对性设计，这是严控施工成本的重要手段。

3.5.3 抗震设防标准

从目前公布的《建筑工程抗震设防分类标准》（GB5 0223—2008）来看，不同的设防标准需要采取不同的抗震措施，这些会对构件的具体构造以及总体材料用量产生较大影响。一方面，要按照建筑物的实际应用功能、抗震救灾影响和恢复情况等指标对其进行区段划分，以此为基础能够针对性地对其破坏后果影响范围进行控制，从而最大程度降低某些单一构件对于整个建筑的影响，能够对不同单元进行抗震的精细化设计；另一方面，按照抗震参与度、安全冗余度等相应指标对构件抗震等级进行更加精细化的设定，能够大大减少钢材的使用量，可以降低整个建筑的成本[6]。

4 结语

在整个建筑结构设计中，钢结构是最主要的支撑结构，它的设计和施工的好坏直接关系到整个建筑的设计和质量。

在目前的工程设计中，钢结构在抗腐蚀、稳定、防火等方面还存在一些缺陷，因此，在进行设计时，要尽可能地提高结构的整体性能。