钢结构工程设计中的几个问题阐述
随着国家经济的快速发展，钢结构在建筑领域起到了举足轻重的作用，扮演着越来越重要的角色，无论在工业还是民用建筑中，钢结构以其突出的特点迅速地占领着越来越广的市场。其特点有：其整体刚度和抗震性能好、施工速度快、自重轻、承载力高，在大跨度及超高层建筑中代替了钢筋混凝土结构，但也存在着防火性能差、易腐蚀等缺点，在设计中根据其特点扬长避短才能更好地发挥钢结构的作用，现在就钢结构工程在设计中的几个问题作简单阐述。1.钢材的保温隔热与防火
钢材具有很高的导热性能，其导热系数为50w(m.℃)，当受热达到100℃以上时，其抗拉强度就会降低，塑性增大；温度达到250℃时，钢材抗拉强度会稍提高，但塑性却降低，出现蓝脆现象；温度达到500℃时，钢材强度降至很低，会致使钢结构塌落。所以当钢结构所处环境温度达到150℃以上时，就必须做隔热防火设计。其做法一般为：钢结构外侧包耐火砖、混凝土或硬质防火板材。或者钢结构刷厚涂型防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料技术规程》计算。
2.结构整体计算
目前的结构计算基本上都采用计算软件来进行，对软件的不理解和不熟悉都会造成设计上的不合理，甚至不安全。这里针对以下几个容易出错的问题进行探讨。
2．1荷载问题
荷载的取值对结构计算影响较大，取小了不安全，取大了不经济，尤其对于大跨度轻型屋面结构。荷载取值应按照《建筑结构荷载规范》进行。一般情况下屋面恒载应按照实际情况计算取值，屋面活荷载可取O．5kN／m：，风荷载、雪荷载和积灰荷载等按规范，其他附加荷载应按实际情况输入。需要说明的是，屋面活荷载和雪荷载在计算时应取二者的大值作为活荷载输入，有积灰的还应考虑积灰荷载。厂房屋面的通风器由于其高度和宽度都较大，计算时应按照实际情况转化为集中载荷输入。在厂房的高低屋面处，还应考虑积雪的堆积影响，防止由此产生的屋面结构的破坏。同样局部风荷载的增大也会使屋面板和檩条的连接被撕坏，从而将屋面板掀起来。
目前的钢结构工程的计算多采用二维软件对其中的―榀钢架进行计算，整体三维分析仍然不够成熟方便。此处对结构计算时的几个问题进行简单分析。
1)屋面梁的平面外计算长度可取隅撑的间距，一般对有托梁体系的小檩距屋面可取两个檩条的间距(约3m)，对无托梁的大檩距屋面可取檩条间距(约4m)。对重型钢结构工程，柱子的平面外计算长度不应考虑隅撑的作用，尤其是格构式下柱，否则是不安全的。
2)阶形柱的平面内计算长度应该按照《钢结构设计规范》[21确定，按线刚度比来确定会导致部分中柱确定的计算长度系数异常。用PKPM系列软件STS(05版)对某工程进行计算时发现，当柱段中间出现刚接梁(如高低跨情况)，程序就按线刚度比确定柱的计算长度系数，导致该柱的计算长度系数特别异常。新版的PKPM(08版)已改为按照阶形柱的方式来确定柱计算长度系数，但仍可以人工按照线刚度比的结果进行修改。笔者认为，对于阶形柱，按《钢结构设计规范》阶形柱来确定柱平面内计算长度系数更合理一些。
3)用STS软件计算厂房柱，荷载组合中没有单独的恒+活+吊车的组合，有吊车的组合都有风，有时风作用是有利的，因此在吊车荷载与风荷载同时组合时，对于吊车为主的组合，判断了一下风载是有利还是不利的，不利时，考虑与吊车进行组合，有利时可以不考虑风荷载。STS(05版)对是否有利是按M、Ⅳ、y各自分别判断的，因此可能会出现M含有风的组合，Ⅳ则没有风的组合的不合理情况，导致计算结果偏大；STS(08版)改进为：根据组合的吊车主控制项：如吊1的组合为M。主导作用的组合，则判断风载是否不利只根据M项来判断，当为不利时，则同时都把风载肘、Ⅳ、y组合进来，保证是同时发生的，STS(08版)这样组合更合理。
2．3构件的局部稳定
根据《钢结构设计规范》，处理板件局部稳定有两种方式，其一是以屈曲为承载能力的极限状态，并通过对板件宽厚比的限制，使之不在构件整体失效之前屈曲；其二是允许板件在构件整体失效之前屈曲，并利用其屈曲后强度，构件的承载能力由局部屈曲后的有效截面确定。《建筑抗震设计规范》对单层厂房柱、梁的板件宽厚比，较《钢结构设计规范》中的静力弹性设计要求严。对按宽厚比限值设计的梁进行的粗略统计表明，腹板的用钢量占梁整体用钢量的50%―70％。因此有必要采取措施来减少腹板的用钢量。
降低腹板的厚度―般有两种方法。―种是设置合适的加劲肋，加劲肋作为腹板的支承，将腹板分段，以提高临界应力。横向加劲肋能提高腹板的临界应力并作为纵向加劲肋的支承，纵向加劲肋对提高弯曲临界应力特别有效。短加劲肋常用于局部压应力较大的情况。《建筑抗震设计规范》中也提出构件的腹板宽厚比可通过设置纵向加劲肋来减小。
另一种降低构件腹板厚度的方法是适当放松宽厚比限值，并利用腹板屈曲后强度。对多数轻型维护结构的单层钢结构工程进行设计计算表明，地震组合多数情况下对梁柱受力都不起控制作用，尤其是在地震烈度较低的地区。有文献提出即，可偏于安全地根据偶遇地震组合是否控制刚架构件受力作为选择构件截面板件宽厚比限值的判断准则。实际上根据大多数厂房的设计计算得出，重型钢结构工程的屋面梁多由挠度控制，厂房柱多由刚度和长细比控制，尤其屋面梁一般应力都比较小。因此对于地震组合不起控制作用时，采用《钢结构设计规范》中弹性阶段设计的板件宽厚比限值也是可行的。
实际工程设计时，当地震组合不起控制作用时，建议按钢结构规范进行设计，并考虑屈曲后强度的利用，可不遵守《建筑抗震设计规范》中单层钢结构工程板件宽厚比限值的要求。当地震组合起控制作用时，可根据设置合适的加劲肋来减小腹板厚度，有时也能起到很好的经济效益。
3.温度伸缩缝的设置
温度变化将引起钢结构工程的变形，使结构产生温度应力，当厂房平面尺度较大时，为避免产生较大的温度应力，应在厂房纵横两个方向设置温度伸缩缝，区段的长度可以根据钢结构规范来执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱的方法来处理，对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座。
4.屋面支撑系统及屋面设计
屋盖支撑系统的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车吨位和所在地区的抗震设防烈度等条件来决定。一般情况下无论有檩或无檩体系的屋盖结构均应设置垂直支撑；在无檩体系中，大型屋面板有三点和屋架焊接，可起到上弦支撑作用，但考虑到施工条件的限制和安装需要。无论有檩或无檩体系屋盖均应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。对于屋架间距不小于12m的厂房或厂房内设有特重级桥式吊车或厂房内有较大振动设备的均应设置纵向水平支撑。
屋面的排水及防水设计在屋面设计中需重点考虑，根据《屋面工程技术规范》的规定，屋面坡度最小为5％，在积雪较大的地区，坡度应适当加大。单坡屋面的长度主要取决于所在地区的温差以及降雨所形成的最大水头高度。根据工程设计经验，单坡屋面长度宜控制在70m以内。
目前，市场上钢结构屋面的做法常用的有两种：①刚性屋面：双层彩色压型钢板内夹保温棉；②复合柔性屋面：由屋面彩钢板内板、隔气层、保温层、卷材防水层组成。
5.立面设计
轻钢结构的建筑主要有把握以下4个方面的特征：规模、线条、色彩、变化。
传统的钢筋混凝土结构厂房，外墙维护为砖砌体，外装修为涂料或面砖，辅以色带，由于混凝土屋面设置采光窗效果不理想，设计时通常在墙面设置大量的采光窗。但对于维护墙为彩色压型钢板的钢结构工程来说则不然。线条是表现轻钢结构建筑风格最独特的特征，均匀的线条或横或竖，使得轻钢结构建筑富有流畅的金属质感，体现了强烈的现代工业气息。若在墙面设置大量采光窗，则破坏了墙面的线条造型，同时，轻钢结构屋面可以大量使用屋面采光板，采光均匀，同时兼可解决厂房通风问题。
6.防锈处理
钢结构表面直接暴露在大气中就会锈蚀，当钢结构工程空气中有侵蚀性介质或钢结构处在潮湿环境中时，钢结构工程锈蚀就会更加明显和严重。钢结构的锈蚀不仅会使构件截面减小，还会使钢构件表层局部产生锈坑，当构件受力时将引起应力集中现象，使结构过早破坏。因此，对钢结构工程构件的防锈蚀问题应予以足够的重视，并应根据厂房侵蚀介质情况和环境条件在总图布置、工艺布置、材料选择等方面采取相应对策和措施，以确保厂房结构的安全。一般钢结构的防腐常采用防锈底漆和面漆，涂装层数及厚度常根据其使用环境和涂层性质来决定。一般室内钢结构在自然大气介质作用下，要求涂层厚度100μm，即底漆两道，面漆两道。露天钢结构或在工业大气介质作用下的钢结构，要求漆膜总厚度为150μm～200μm。且在酸环境中的钢结构要求使用氯磺化防酸漆。钢柱柱脚在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹，其保护层厚度不小于50mm。
7.结束语
总之，钢结构工程在满足工艺布置的前提下，选择合适的结构体系能使结构受力合理、安全可靠，且能有效降低结构造价。
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