最新12钢结构设计中几个常见问题的分析与探讨

12钢结构设计中几个常见问题的分析与探

讨

钢结构设计中几个常见问题的分析与探讨

周丽琼尹福生

(中南电力设计院武汉 430071)

摘要：本文针对钢结构工程设计中容易忽视的计算问题及构造措施进行分析，并提出了解决办法，强调钢结构稳定设计的重要性，为更好地完成钢结构的设计提供参考。

关键词：钢结构受扭稳定设计构造措施

Analysis and discussion on familiar problems for steel structure design Abstract: This article should offers some solving means & emphasizing the importance of Stable design for steel structures based on calculation analyzing & construction measures which can be ignored during steel structure design, and show some good reference for fulfilling of steel structure design.

Key words: Steel structure, Torsion of steel structure, Stable design，Construction measure

1.概述

随着我国经济的迅速发展及钢材产量的日益增加，钢结构厂房在建筑行业得到广泛的应用。钢结构一方面可工厂化制作，减少现场施工的工作量，施工周期短，同时由于其自重轻、结构荷载小，减少了地基处理的工作量和费用，并有利于抗震，给投资方带来较好的经济效益和社会效益；另一方面由于其材料本身的性能好，强度高，与钢筋混凝土结构相比结构断面小，在厂房布置中可以节省一部分空间，更容易满足工艺灵活布置的要求。根据现行《钢结构设计规范》的规定，承重结构应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计，而承载能力极限状态包括构件与连接的强度破坏、疲劳破坏和因过渡变形而不适应继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和倾覆；正常使用极限状态包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用或耐久性能的局部破坏。然而一般设计人员多关注结构的强度与变形问题，对结构稳定问题的关注程度远远不够。根据笔者在钢结构设计中的一些经验，认为一个成功的钢结构设计必须解决好其稳定设计及构造措施的问题，且在使用规范过程中尚应避免孤立或片面地对规范条文进行理解。笔者就近几年接触到的钢结构设计中的一些常见问题，如稳定设计、构造措施等，谈谈自已的体会供大家参考。

2.钢结构的稳定设计

稳定性是钢结构设计中的一个突出问题，在各种类型的钢结构设计中，都会遇到稳定问题。钢结构中的稳定问题也是钢结构设计中急待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，甚至会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。目前，钢结构中出现过的失稳事故大多由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚，对如何保证结构稳定缺少明确概念，造成结构设计中出现不应

有的薄弱部位。因此，在设计中应该明确在钢结构稳定设计中的一些基本概念，才能更好地处理钢结构稳定问题。

2.1 钢结构稳定设计的基本概念

2.1.1 强度与稳定的区别

强度问题是指结构或单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力（或内力）是否超过材料的强度，因此是一个应力问题。材料强度的取值取决于材料的特性，对钢材取它的屈服强度，并考虑一定的材料安全系数。

稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它实质上是一个变形问题。如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。

2.2.2钢结构稳定设计的原则

根据稳定问题在实际设计中的特点，遵守以下三项原则能够更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定。

(1)结构整体布置必须考虑整个体系以及各组成部分的稳定性要求

目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架、框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，即必须设置必要的支撑构件。这就是说，结构构件的平面内和平面外的稳定计算必须和结构布置相一致。在实际的工程设计中，对于平面内的稳定计算取值一般问题不大，但对于平面外的稳定计算取值，许多设计者经常会单凭自己想像，而不是根据结构的整体布置来判断。

(2)结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要

目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。按照这些假定，框架各柱的稳定参数及杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。因此设计中所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该一致。

(3)结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者具有一致性。

结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏

心，这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还必须能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。现行《钢结构钢结构设计规范》（GB50017-2003）第4.2.5条已明确规定梁的支座处应采取构造措施，以防止梁截面的扭转。

钢结构稳定问题区别于强度问题。在实际工程设计中，设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能，避免在设计过程中留下一些薄弱环节。

3.围护结构中檩条的设计

对檩条的设计，设计者均可按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）和《门式刚架轻型房屋钢结构刚结构技术规程》（CECS 102:2002）（简称“轻钢结构规程”）相关条文的要求进行平面内及平面外强度、稳定、变形等计算，但对檩条平面外计算长度起决定作用的拉条、斜拉条、撑杆的如何布置概念较为模糊,特别是斜拉条如何设置、在何处设置撑杆存在问题较多。如“轻钢结构规程”第6.3.5条已明确规定当檩条跨度大于6m时，应在檩条跨度三分点各设一道拉条(或撑杆)，斜拉条应与刚性檩条连接。对于前者一般能做到，而对于斜拉条的连接及撑杆的设置往往被设计者忽视。曾经有设计者将斜拉条上端固定在柔性檩条上，且最上端两根檩条间拉条仍设置为柔性拉条，这对于对称屋面的檩条布置是有条件的，就是屋脊处两边的两根檩条必须连在一起，考虑两侧檩条的拉力平衡；但对于不对称的屋面来说，由于两侧拉力不可能平衡，无论从受力还是传力角度来说显然这样的布置都是错误的。所以决定檩条侧向计算长度的拉条、斜拉条、撑杆的布置必须具体问题具体分析，并与计算假定相一致。

《轻钢结构规程》第6.4.3条非常明确的规定在最上层墙架处宜设斜拉条，将拉力传至承重柱或墙架柱上。实际上笔者认为屋面檩条侧向斜拉条的设置完全可按墙架檩条斜拉条的方式设置，同时最上端檩条与其相邻的檩条间设置刚性撑杆即可，而无需将最上端檩条改为刚性檩条，通过斜拉条将拉力直接传至屋面梁或桁架上弦上.

在实际工程设计中有些设计者对屋面或墙架最上端檩条的侧向支撑如拉条、斜拉条、撑杆能正确的设置，但对中间墙面或屋面如门窗洞口、屋面风机开孔处、屋面天窗(采光窗)等处,经常只设拉条，而漏设斜拉条和撑杆等（如图1），根本无法将拉条上的拉力传至承重结构上，其根本原因是对拉条、斜拉条、撑杆的传力作用及途径不清楚，同时也是对规范条文

图1c

图1d 图1e

注：图1a为双坡屋面屋脊处拉条、斜拉条、撑杆的错误设置方法

图1b、图1c为单坡屋面或墙面最高处及开孔处拉条、斜拉条、撑杆的错误设置方法

图1d为双坡屋面屋脊处拉条、撑杆的正确设置方法

图1e为单坡屋面或墙面最高处及开孔处拉条、斜拉条、撑杆的正确设置方法

4.钢结构构件的抗扭

对一般钢结构构件（除箱形截面外）,其抗扭的能力是较弱的，截面面积完全相同的工字形截面和箱形截面梁，其扭转常数之比约为1:500，最大扭转剪应力之比近于30:1。且受扭构件的受力状态复杂，除因弯曲产生的弯曲正应力、剪应力外，还要承受因扭转产生的正应力和剪应力，处于这种复杂受力状况的构件支座处理也很困难。因此在实际的工程设计中，通常是从结构布置上尽量避免使构件受扭，或采取各种有效措施阻止其受扭，若无法避免时宜采用闭合式的箱形截面梁。

目前电厂主厂房楼层结构中采用了大量工字形或宽翼缘工字梁，由于工艺设备、管道等布置的要求，悬挂在钢梁下翼缘的设备、管道等吊重存在一定的水平力是无法避免的。这就要求在结构设计中采取必要的措施阻止因水平力对结构构件产生的扭矩影响。一般对作用在上翼缘的水平力通常采用密铺楼盖或现浇楼板等将水平力传至框架梁和柱上而消除对结构梁

产生的扭矩影响。但当水平力作用在钢梁下翼缘时，梁的实际受力状态变得相对复杂，一般可分为两种情况，第一种为钢梁上翼缘无密铺楼盖或现浇楼板，梁处于双向弯曲且受扭曲状态；第二种为钢梁上翼缘有密铺楼盖或现浇楼板，可以阻止梁上翼缘的受扭，钢梁仅局部受扭；主厂房楼层钢梁实际上多属于第二种情况，本人在实际工作中采取图2所示的几种措施使结构构件在水平力作用下的受扭得到有效解决。当侧向水平力较小时，可采用图2中B-B 的方式，利用加劲肋将水平力传到混凝土楼板后，再传至承重结构；当侧向水平力较大时，可采用图2中A-A的方式，利用刚性斜撑将水平力传到混凝土楼板后，再传至承重结构，此时应对局部的混凝土板受力进行复核，并考虑是否需要采取加强措施。

图2

5.结束语

在实际工作中，设计人员应该明确知道结构构件的受力状态及稳定性能，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。本文仅是笔者在钢结构设计中解决实际问题的一些体会，供设计人员参考。

参考文献

[1] 《钢结构钢结构设计规范》（GB50017-2003）

[2] 《门式刚架轻型房屋钢结构刚结构技术规程》（CECS 102:2002）

[3] 夏志斌,潘有昌结构稳定理论. 高等教育出版社. 1988.

[4] 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南. 中国建筑工业出版社，1995.

[5]《钢结构钢结构设计规范》应用讲解. 中国计划出版社. 2003.

[6] 陈绍蕃主编《钢结构》（第二版）中国建筑工业出版社.

作者简介：周丽琼女（1965—），一级注册结构工程师，高级工程师，主要从事土建结构工程设计及技术管理尹福生男（1963-），一级注册结构工程师，高级工程师，IPMA项目管理专家。