钢结构设计的注意事项

田甜

【摘 要】随着我国经济的发展和科技的进步，钢结构在建筑领域中得到了广泛地应用，为了应对愈来愈多的设计任务，这就对设计人提出了更高地要求。本文提出了钢结构设计中一些注意事项，并对这些注意事项进行分析，以方便设计人在钢结构设计过程中减少设计问题的出现。

【关键词】钢结构；结构设计；要点分析

文章编号：ISSN1006—656X（2013）09 -0104-02

钢结构具有强度高、自重轻、施工快，造价高等特点，在我国主要用于大跨度、超高层、重型厂房及轻型结构等方面。随着社会经济的发展国家钢产量的大幅增长和建筑技术的进步，钢结构在我国建筑领域中的使用范围在逐渐扩大。对于广大的结构设计人员将面临一个设计任务繁多和设计任务多样化和复杂化的设计市场。本文就一些钢结构设计中应注意的事项进行讲述。

一、明确钢结构设计所涉及规范、规程及其相互关系

钢结构设计中所涉及规范、规程总体上可分为三种：1.国家规范（GB），如《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）等等；2.行业规程（JGJ）或地方规程（DBJ）有：《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）、《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）等等；协会规程（CECS）有：《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（2012年版）》（CECS102：2002）、《预应力钢结构技术规程》（CECS212：2006）等等。

各规范、规程的使用等级及其中存在矛盾或不一致的条文的如何使用是钢结构设计中原则性问题。规范、规程的使用等级从高到低依次为国家规范（GB）、行业规程（JGJ）或地方规程（DBJ） 、协会规程（CECS）。条文矛盾或不一致时，国家规范（GB）间，以最后颁布实施的为准；国家规范（GB）与行业规程（JGJ）或地方规程（DBJ） 、协会规程（CECS）间的，凡属行业或地方特点，而又严于国家规范的，以规程为准，其余均以国家规范为准；同一规范或规程中，如附录、注等内容与正文矛盾时，以正文为准。

二、理解钢结构设计使用年限、设计基准期和建筑寿命的概念

钢结构设计使用年限、设计基准期和建筑寿命的区别。设计使用年限是在所规定的时期内，对结构只要进行正常维修而不需要大修就能按设计目的使用、完成设计功能所应达到的使用年限，对于钢结构建筑，各部分构件的使用年限并非定值，其中主体钢结构，包含冷弯薄壁型钢在内使用年限较长，而作为围护构件的压型钢板防火防锈涂料等的使用年限较短。设计基准期是设计过程中确定活荷载代表值选用的时间参数，如风雪荷载可按10年50年和100年一遇的统计参数取值，结构超过设计基准期代表其失效概率增大。建筑寿命表示建筑物从规划起到最终毁坏的全过程时间。钢结构设计中，需明确给出建筑物的设计使用年限和设计基准期，为建筑物竣工后的使用管理提供依据。

三、区分钢结构设计的承载能力极限状态和正常使用极限状态。

承载能力极限状态是指结构或结构构件达到最大承载能力或出现不适宜继续承载的变形。正常使用极限状态指结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限。钢结构设计中，对承载能力极限状态进行严格的控制，保证结构不发生安全破坏；对正常使用极限状态，要结合建筑物的安全等级，使用功能等要求进行有效地控制。既满足建筑物的使用要求，又要兼顾建筑结构的经济性。

四、在钢结构设计中合理选用钢材

目前钢结构设计中常用的钢材主要是Q235强度等级的B、C、D碳素结构钢和Q345强度等级的B、C、D、E低合金高强度结构钢。其中质量等级B、C、D、E差别在于不同温度时冲击韧性指标保证。钢结构设计时要选用经济、合理的钢材，根据结构和构件承载能力极限状态和正常使用极限状态的控制选用不同强度等级的钢材；对于需要验算疲劳的钢构件如重级工作制吊车梁和中级、级工作制的吊车桁架等，应根据工程所在地的最低日平均温度和构件的工作循环次数确定钢材质量等级。

五、单层钢结构厂房设计注意事项

1. 注意雪荷载的不均匀分布。2007年初春，辽沈地区遭遇了一场暴风雪，风力6～7级，阵风9～10级，降水量49～78mm，积雪厚40～50cm，雪堆高达3～4m。而根据 当时所使用的《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006版）第6.1.2条条文说明的规定，辽沈地区的雪荷载为0.5KN/m2，东北地区积雪密度为150kg/m3，换算成积雪厚度约为33cm。且因为初春季节气温较高，雪中夹雨，积雪交替融冻，造成落水管堵塞，加大了屋面的积雪厚度。本次暴风雪造成了多数钢结构单层厂房，尤其是门式刚架轻钢结构的屋面坍塌、支撑或檩条弯折、斜梁断开、梁柱分离、锚栓断裂等事故，上述事故引发设备受损，造成了严重的经济损失。事故产生的原因有两方面，一是我国现有的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》来源于美国MBMA的相关手册，荷载取值小，强度计算比值偏大，构件截面偏弱，蒙皮效应作用小。二是由于现有轻钢结构厂房均设有较高的女儿墙，在风雪共同作用下，女儿墙附近积雪严重，事故中大部分厂房的破坏部位都集中在女儿墙附近。钢结构设计时除要充分考虑到雪荷载的不均匀分布的影响；还要加强薄弱部位如女儿墙附近或落水管附近的构造措施。另外，合理的屋面支撑布置也会减少事故的发生。有调查显示，布置有纵向屋面支撑的轻钢厂房破坏程度较未布置有纵向屋面支撑的轻钢厂房破坏程度轻，甚至没有明显破坏，原因是在纵向屋面支撑两端布置有通长系杆连接在刚架梁上，在屋面檩条受到破坏后，系杆对屋架的稳定可以起重要作用。

2.注意单层厂房的温度区段的分隔措施。随着我国工业建筑规模的扩大，近年来建成了一些特大面积的厂房，有的纵向长达数百米，有的横向十余跨相连。《钢结构设计规范》有关温度区段的分隔长度应按《钢结构设计规范》或《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的相关要求。纵向温度区段的分隔以双柱伸缩缝为宜，对有托架的厂房，也可采用铰接短钢柱或吊挂钢板支撑的构造来实现双柱伸缩缝。纵向温度区段的分隔如采用双柱伸缩缝会影响厂房的使用功能，以采用滑动支座的方法为宜。

3.注意单层厂房屋面支撑系统的布置。厂房屋面支撑系统保证了结构在安装和使用过程中的稳定性，提高结构的整体刚度，控制了屋面杆件的平面外计算长度以较少杆件的截面尺寸。屋面支撑系统包括横向支撑、纵向支撑、竖向支撑（仅用于梯形屋架）和系杆。屋面支撑构件的布置应遵循以下原则：a.屋面支撑系统构件应与屋面杆件或檩条组成几何不变的桁架形式；b.设有纵向支撑的屋面必须设置横向支撑，并将二者布置为封闭型。c.每个温度区段或施工区段要设置独立的、稳定的支撑体系。d. 对传递纵向的风荷载、吊车荷载及地震力的支撑应使外力由作用点尽快传递到结构的支座。e.屋面的屋脊和檐口位置应沿厂房纵向通常设置刚性系杆（按压杆设计）；f.跨度较大，高度较高，吊车吨位较大且工作级别较高的厂房应设纵向支撑；g.地震区应按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的要求适当增加支撑数量，并加强支撑节点连接强度。

4.注意单层厂房柱间支撑系统的布置。厂房的柱间支撑保证厂房纵向的稳定和空间刚度，承受厂房所受纵向的风荷载、吊车荷载及地震力并传至基础，控制了柱的平面外计算长度以较少柱的截面尺寸。柱间支撑的设置除按规范要求满足其上述功能外，还要注意与屋面支撑系统相协调，与屋面支撑设在同一柱距内。对于屋面支撑形式，应首选十字形交叉支撑，这种支撑传力直接、构造简单、用料省、刚度大；对于柱间距与支撑高度比值大于2的上柱支撑，可采用人字型或八字型支撑以减少用料；当支撑位置处要考虑人员出入或放置设备，应考虑空腹式门形支撑，但这种支撑用料费、刚度差，所以柱间支撑，尤其是下柱支撑尽量设于无人员或设备的柱距处。

5.吊车梁设计应注意支座的选用，因简支结构具有传力明确构造简单施工方便等优点，吊车梁一般设计成简支结构。吊车梁的支座形式分为凸缘式和平板式两种，其中凸缘式支座因更接近于简支构造而被广泛用于吊车梁的中间支座，平板式支座用于中间支座时，由于两侧吊车梁产生的反力差引起钢柱产生平面外附加弯矩，当吊车梁跨度较大或吊车吨位较重时，附加弯矩对钢柱及其柱下基础影响较大，因此平板式支座一般只用于厂房的端头支座或伸缩缝两侧的支座。

6.钢结构厂房特别是轻钢结构采用最多是锚栓式柱脚，因为其具有构造简单，传力明确，节省材料，便于施工的特点。柱脚锚栓设计时只考虑其承受柱底弯矩作用，柱底水平力由设在柱底抗剪键承受。抗剪键采用H型钢或十字形钢板，不宜采用角钢或一字形钢板。抗剪键与基础预留孔间要保证灌浆密实不得出现空隙，否则会造成抗剪失效。

六、钢结构制图注意事项。

钢结构设计图纸分为设计图和施工图（或称安装图）两个阶段，按设计审查的规定，作为设计人只做到设计图的深度，施工图应由建设方委托的钢结构施工单位另行完成。做为设计人，应提前向建设方介绍两阶段图纸的区别，保证项目的进度

七、结语

本文所列出的钢结构设计注意事项为钢结构设计中的常出现的问题、理解偏差等，示以结构设计师进行钢结构设计，使设计人更清楚的认识，理解钢结构的设计内容，继而灵活地运用规范规程进行钢结构的设计工作。

参考文献：

[1]《钢结构设计手册》编辑委员会.《钢结构设计手册》（上册）（第三版）.北京，中国建筑工业出版社. 2004

[2]邱鹤年.《钢结构设计禁忌及实例》.北京， 中国建筑工业出版社.2009