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      钢结构设计若干问题探讨

      发布于：2015-06-19 11:16:19 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

        1 前言
        近10多年来钢结构发展很快，但钢结构应用范围涵盖面与发达国家相比还相差甚远，中国是建筑业大国，国内、国外的建筑市场十分广阔。如何扩大钢结构应用范围，是建筑、结构工程师在建筑业可持续发展的“后建筑时代”也就是低碳、节能、环保建筑中所面临的继承和创新的挑战。
        我国钢结构大量在建筑工程中应用可以说是从广州新白云国际机场开始，发展到今天在许多航站楼、会展中心、体育场馆、奥运场馆、工业厂房、高层建筑直至现在的高铁站房。
        上海世博会展馆的建设，对建筑、结构业内人士来讲是一个“万国建筑博物馆”，几乎所有的展馆均采用了钢结构，创造出了千姿百态形态各异的建筑风格，也说明钢结构可以设计出建筑艺术精品。
        80年代中期笔者去欧洲考察时带回了国外的门式刚架标准设计图纸以及H型钢和钢网架生产线照片。当时有的从事设计工作20多年的工程师却认为是建筑模型而已。其实一些部属设计院早在60年代后期门式刚架在援外工程中已有应用了，角钢、节点板螺栓连接的钢网架在高等院校的健身房中也已推广使用。
        80年代后期随着外资企业进入中国后，门式刚架才逐步被设计工作者认知，但是对门式刚架的围护结构采用蒙皮效应设计还是难以推广。
        2 改变传统理念，提高设计水平

        在上世纪80年代以前，设计单层厂房和多层厂房时，往往很自然的会不加思索的采用钢筋砼结构，屋面结构体系采用预应力薄腹梁、大型屋面板。随着钢产量不断增加，门式刚架重量轻、建设周期短、造价与钢筋砼结构基本相同等的优越性被人们逐步接受。但多、高层钢结构商住房由于深层次原因，推广还是困难重重。
        钢结构在建筑领域的发展势在必行，钢结构一方面要得到人们的认知，更重要的是提高从业人员的设计水平和学术交流。现在有一些建筑、结构设计工程师对钢结构体系概念并不清楚。都是由建筑师在既定的建筑方案基础上进行设计与计算。结构体系选择的优劣直接影响结构的经济性、合理性。现在设计院的结构工程师习惯于“平法表示”，对钢结构来讲，节点构造和钢承板铺设方向对结构影响和楼板平面刚度尚不够重视。节点构造在结构体系中无论对结构功能和用钢量都占有重要地位，也直接影响造价，在设计图中节点构造至少要提供刚接、铰接的标准节点，只要图示清楚就可以由制造厂在深化设计中完成。
        随着城市的快速发展新的建筑不断涌现，这些工程是由多专业交融在一起，业主、设计、施工盘根错节，要创建一个好的、经得起时间检验和历史记忆的建筑工程恐怕为数不多。
        中国是一个建筑业大国，无论在建筑设计、结构设计和施工水平在60年代的“十大建筑”和我国援外的大型公共建筑和高层建筑都曾经走在世界前列，引起世界关注。而现在建筑业大发展时代很多城市地标建筑成为外国建筑师在中国的试验场所，但并非完美，却对中国钢结构的设计和施工发展拓宽了视野，推动了钢结构行业的快速发展。
        现代建筑钢结构设计应体现钢结构的属性和行至有效的时代特征的艺术品建筑。深厚的控制能力，秉承错综复杂的工艺技术，创造性的设计与精湛的施工工艺相结合。

        3 结构优化设计

        优化设计是计算机发展的必然产物，是一门学科，各行各业都有一个“优化”问题，在建筑、结构行业中的优化是降低钢材消耗为宗旨，而航天器的优化设计是减轻自重为主导，企业管理的优化以文化品位为导向等等。
        3.1 优化设计原则
        a.优化设计不应以降低结构安全等级和使用年限为代价，“过度优化”必然会产生“楼危危”、“楼脆脆”等等，使建筑工程没有达到有效生命期，不是“未老先衰”就是“英年早逝”。
        b.优化设计没有标准答案，多人计算即使采用同一程序，也可以得出不同结果，计算结果的分析判断可信度只有自己知道。
        c.优化设计是以降低造价为目标，在建筑工程中降低造价包括设计、制作、安装、运输等多方面的优化。
        3.2 优化设计方法
        在钢结构行业中为了降低用钢量片面的理解为“应力优化”，其实不然，建筑结构的“优化设计”应从以下几方面进行考虑。
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        (4) 节点优化
        钢结构梁、柱连接节点，其用钢量占总用钢量的12%～18%，其节点构造的优劣，直接影响钢结构的安全度和抗震性能。
        (5) 钢网架的优化
        双层或多层网架一般下弦层或中间层采用抽空网格；在局部玻璃采光顶处，可按玻璃的承载能力及玻璃区格对网格转换，以避免杆件交错，取得良好的室内视觉效果。
        (6) 弦支穹顶预应力优化
        径向预应力：如上海南站、北京南站。环向预应力：如北京奥体羽毛球馆和济南体育馆，环向预应力的效能比径向预应力效能更经济合理。
        东南网架博士后工作站郑君华博士研究的“预应力钢结构的施工张拉及优化结构”在实际工程建设中具有较高的工程应用价值和创新性。
        (7) 杆件截面优化
        增加截面刚度，减少用钢量，如悉尼机场管桁架结构采用空腹桁架和交叉柔性腹杆。推广波型腹板H型钢梁，但关键是翼缘与波型腹板的机械化焊接问题有待开发。
        (8) 节点计算优化
        计算假定与构造相一致，结构构造与施工安装相一致，节点功能与结构受力相一致。东南网架博士后工作站刘坚博士研究的“钢结构高阶分析理论及应用的关键技术研究”具有前瞻性，其中梁、柱节点半刚性连接的二阶弹性分析，可作为钢结构节点优化设计在工程应用中的理论依据。
        (9) 应力优化
        提高构件使用应力，降低结构安全度，这是“低俗化”的优化，正确的优化是将压弯构件转换成拉、压二力构件。

        4 钢网架(壳)结构设计与构造

        钢网架(壳)结构经过30多年的发展，应用范围已十分广阔，应用领域如体育场馆、航站楼、工业厂房等等。该结构形式由于具有较好的经济性、安全性和可靠性，且包装、运输及安装简易便捷，因此，特别适用于海外工程。
        目前，钢网架(壳)结构的设计工具也十分先进，如MST经过数次版本升级已日臻完善。
        4.1 国内钢网架(壳)结构节点类型。
        我国现行规范有四种节点类型，即螺栓球节点、焊接空心球节点、嵌入式毂节点及板式节点，其中焊接球节点又分为加肋焊接球节点和不加肋焊接球节点。
        螺栓球节点、焊接空心球节点是应用最广泛的两种节点形式，一般单独应用，但也可混合应用，如北京首都国际机场T3航站楼，在其他工程中也较常见。嵌入式毂节点类似加拿大的Triodetic节点，一般很少采用。板式节点在20世纪60～70年代使用较多，现仍有使用价值。
        4.2 国外钢网架(壳)节点简介。
        国外钢网架(壳)节点体系十分丰富，如英国的Spacedeck节点体系和Nodus节点体系、德国的Mero节点体系、法国的SDC节点体系、美国的Unistrut节点体系、加拿大的Triodetic节点体系、日本的 Obayashi节点体系等等。上述节点体系有些属于专利产品，有专门的产品标准和定点工厂生产，国内如果设计需要，可以进口。图5、图6所示为日本熊本县综合公园室内运动广场钢网壳焊接心球节点应用情况。
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        4.3 焊接球与螺栓球混合应用的问题
        当同根杆件的一端为焊接球另一端为螺栓球（见图7）混合使用时，应严格按照图8所示施工程序进行施工，以防焊接收缩变形而使另一侧螺栓无法拧到位的现象发生。
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        4.4 角钢、节点板组成的钢网架
        角钢杆件与节点板之间用螺栓连接，螺栓承受剪力，一些工程仍在应用。
        4.5 钢木组合式网架(壳)
        采用木材或厚层胶合板作为杆件，用螺栓、销钉和专用配件的钢木组合式网架(壳)国外应用也较多。
        4.6 钢网架(壳)杆件接长与焊接球连接问题
        4.6.1钢管杆件的选用
        有的设计要求全部杆件均采用无缝钢管，其实无缝钢管壁厚很不均匀，难以控制杆件的强度，而高频直缝焊管壁厚较均匀，易于控制杆件的强度。但是高频焊管大部分是冷弯成型，其延伸率有所下降；同时还有人担心高频焊管在压力作用下会裂开，其实只要是正规厂家生产的高频直缝焊管，质量是可靠的。另外冷弯薄壁钢管有时效现象，经过一段时间以后延伸率会上升，与冷弯前非常接近，达到了节能和降低成本的效果。
        4.6.2杆件的对接接长
        现行“网壳结构技术规程”和即将发布的“空间网格结构技术规程”规定，对接杆件数允许不超过杆件总数的20%，但不得集中使用，每根杆件只允许一条对接焊缝，焊缝等级要求达到一级焊缝，比过去只允许10%接长大大放松，降低了钢材的损耗率。
        4.6.3杆件与焊接空心球的连接
        “网壳结构技术规程”规定当杆件汇交相贯时，主杆要求全截面焊接在球面上，另一杆件与主杆坡口焊接连接，但必须保证另一杆件有3/4的截面焊接在球面上，这就是搭接率只允许15%，与钢管桁架允许的搭接率25%≤≤100%严格得多，是否可以放松，值得商榷。
        4.7 钢网架(壳)支座设计
        支座作为上部钢网架(壳)与下部结构连接的重要部件，理论上是一个具有“运动副”的机构，广泛的应用于钢网架(壳)工程中。钢网架(壳)的支座设计对设计工程师来讲应认真研究解决支座的假定。
        4.7.1主要功能及选型准则
        (1) 将上部结构反力可靠地集中传递到下部结构，固定支座可起到这种作用；
        (2) 有些反力传递给下部结构时，将使下部结构处于非常不利的复杂受力状态，在各种随机荷载作用下，释放这些反力使其不至于传递到下部结构。铰接支座和橡胶支座可释放弯矩或水平推力作用；
        (3) 大跨度钢网架(壳)基于风力或温度应力在支座上产生较大水平剪力，可采用有限滑移、转动的铰接支座，释放部分水平剪力；
        (4) 支座还应具有抗震、减震和隔振作用的功能，以减少随机荷载峰值，以确保下部结构的安全度；
        (5) 支座的安全等级及设计使用年限与钢网架(壳)的安全等级及设计使用年限应相一致，特别是支座设计时其辅助材料必须考虑耐久性和可更换性。
        4.7.2几个典型案例
        (1) 钢网架(壳)不允许所有支座假定为双向滑移，计算软件难以反映出其双向滑移的结果，但实际情况会产生钢网架(壳)整体浮动，不受任何方向水平力，实际上是分离状态；
        (2) 钢网架支承在排架柱顶上，即使柱顶设置了连系梁，其抗侧刚度不满足柱顶位移情况时：
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        20111118040914258.png 20111118041017796.png 20111118041053520.png
        20111118041342778.png 20111118041351351.png5.2 合拢温度
        超大型钢网架(壳)和大跨度管桁架结构无论采用什么安装方案，都是逐块、逐条顺序安装，逐步形成整体的过程。设计人员或施工技术人员应根据拟建地区的气温条件提出最终合拢区段的合拢温度要求。合拢时应特别注意以下问题：
        (1) 合拢区段的构件应以原设计的几何尺寸和连接构造为准。不应随意修改合扰区段的构件几何尺寸和连接构造，更不允许采用嵌入构件来弥补施工安装中的收缩变形；
        (2) 当合拢温度与设计要求不符时，可采取二种对策。对策一：可根据昼夜温差确定合适的时间进行合拢。对策二：施工期内，昼夜温差难以解决时，必须对温差组合效应进行优化计算；对超应力杆件更换是不现实的，要么加固，要么对局部杆件可按低阶塑性状态计算，然后按结构整体校核，其变形在设计允许范围内也是可行的。
        (3) 加强合拢区段施工期间的监管，并做好相关的记录，归入验收档案。

        6 结束语

        钢结构设计中需要探讨的问题较多，文中仅提到问题的几个方面且仅是个人观念，有不妥之处请指正。







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