鋼結構工程設計中的幾個問題闡述
隨著國家經濟的快速發展，鋼結構在建筑領域起到了舉足輕重的作用，扮演著越來越重要的角色，無論在工業還是民用建筑中，鋼結構以其突出的特點迅速地占領著越來越廣的市場。其特點有：其整體剛度和抗震性能好、施工速度快、自重輕、承載力高，在大跨度及超高層建筑中代替了鋼筋混凝土結構，但也存在著防火性能差、易腐蝕等缺點，在設計中根據其特點揚長避短才能更好地發揮鋼結構的作用，現在就鋼結構工程在設計中的幾個問題作簡單闡述。1.鋼材的保溫隔熱與防火
鋼材具有很高的導熱性能，其導熱系數為50w(m.℃)，當受熱達到100℃以上時，其抗拉強度就會降低，塑性增大；溫度達到250℃時，鋼材抗拉強度會稍提高，但塑性卻降低，出現藍脆現象；溫度達到500℃時，鋼材強度降至很低，會致使鋼結構塌落。所以當鋼結構所處環境溫度達到150℃以上時，就必須做隔熱防火設計。其做法一般為：鋼結構外側包耐火磚、混凝土或硬質防火板材。或者鋼結構刷厚涂型防火涂料，厚度按《鋼結構防火涂料技術規程》計算。
2.結構整體計算
目前的結構計算基本上都采用計算軟件來進行，對軟件的不理解和不熟悉都會造成設計上的不合理，甚至不安全。這里針對以下幾個容易出錯的問題進行探討。
2．1荷載問題
荷載的取值對結構計算影響較大，取小了不安全，取大了不經濟，尤其對于大跨度輕型屋面結構。荷載取值應按照《建筑結構荷載規范》進行。一般情況下屋面恒載應按照實際情況計算取值，屋面活荷載可取O．5kN／m：，風荷載、雪荷載和積灰荷載等按規范，其他附加荷載應按實際情況輸入。需要說明的是，屋面活荷載和雪荷載在計算時應取二者的大值作為活荷載輸入，有積灰的還應考慮積灰荷載。廠房屋面的通風器由于其高度和寬度都較大，計算時應按照實際情況轉化為集中載荷輸入。在廠房的高低屋面處，還應考慮積雪的堆積影響，防止由此產生的屋面結構的破壞。同樣局部風荷載的增大也會使屋面板和檁條的連接被撕壞，從而將屋面板掀起來。
目前的鋼結構工程的計算多采用二維軟件對其中的―榀鋼架進行計算，整體三維分析仍然不夠成熟方便。此處對結構計算時的幾個問題進行簡單分析。
1)屋面梁的平面外計算長度可取隅撐的間距，一般對有托梁體系的小檁距屋面可取兩個檁條的間距(約3m)，對無托梁的大檁距屋面可取檁條間距(約4m)。對重型鋼結構工程，柱子的平面外計算長度不應考慮隅撐的作用，尤其是格構式下柱，否則是不安全的。
2)階形柱的平面內計算長度應該按照《鋼結構設計規范》[21確定，按線剛度比來確定會導致部分中柱確定的計算長度系數異常。用PKPM系列軟件STS(05版)對某工程進行計算時發現，當柱段中間出現剛接梁(如高低跨情況)，程序就按線剛度比確定柱的計算長度系數，導致該柱的計算長度系數特別異常。新版的PKPM(08版)已改為按照階形柱的方式來確定柱計算長度系數，但仍可以人工按照線剛度比的結果進行修改。筆者認為，對于階形柱，按《鋼結構設計規范》階形柱來確定柱平面內計算長度系數更合理一些。
3)用STS軟件計算廠房柱，荷載組合中沒有單獨的恒+活+吊車的組合，有吊車的組合都有風，有時風作用是有利的，因此在吊車荷載與風荷載同時組合時，對于吊車為主的組合，判斷了一下風載是有利還是不利的，不利時，考慮與吊車進行組合，有利時可以不考慮風荷載。STS(05版)對是否有利是按M、Ⅳ、y各自分別判斷的，因此可能會出現M含有風的組合，Ⅳ則沒有風的組合的不合理情況，導致計算結果偏大；STS(08版)改進為：根據組合的吊車主控制項：如吊1的組合為M。主導作用的組合，則判斷風載是否不利只根據M項來判斷，當為不利時，則同時都把風載肘、Ⅳ、y組合進來，保證是同時發生的，STS(08版)這樣組合更合理。
2．3構件的局部穩定
根據《鋼結構設計規范》，處理板件局部穩定有兩種方式，其一是以屈曲為承載能力的極限狀態，并通過對板件寬厚比的限制，使之不在構件整體失效之前屈曲；其二是允許板件在構件整體失效之前屈曲，并利用其屈曲后強度，構件的承載能力由局部屈曲后的有效截面確定。《建筑抗震設計規范》對單層廠房柱、梁的板件寬厚比，較《鋼結構設計規范》中的靜力彈性設計要求嚴。對按寬厚比限值設計的梁進行的粗略統計表明，腹板的用鋼量占梁整體用鋼量的50%―70％。因此有必要采取措施來減少腹板的用鋼量。
降低腹板的厚度―般有兩種方法。―種是設置合適的加勁肋，加勁肋作為腹板的支承，將腹板分段，以提高臨界應力。橫向加勁肋能提高腹板的臨界應力并作為縱向加勁肋的支承，縱向加勁肋對提高彎曲臨界應力特別有效。短加勁肋常用于局部壓應力較大的情況。《建筑抗震設計規范》中也提出構件的腹板寬厚比可通過設置縱向加勁肋來減小。
另一種降低構件腹板厚度的方法是適當放松寬厚比限值，并利用腹板屈曲后強度。對多數輕型維護結構的單層鋼結構工程進行設計計算表明，地震組合多數情況下對梁柱受力都不起控制作用，尤其是在地震烈度較低的地區。有文獻提出即，可偏于安全地根據偶遇地震組合是否控制剛架構件受力作為選擇構件截面板件寬厚比限值的判斷準則。實際上根據大多數廠房的設計計算得出，重型鋼結構工程的屋面梁多由撓度控制，廠房柱多由剛度和長細比控制，尤其屋面梁一般應力都比較小。因此對于地震組合不起控制作用時，采用《鋼結構設計規范》中彈性階段設計的板件寬厚比限值也是可行的。
實際工程設計時，當地震組合不起控制作用時，建議按鋼結構規范進行設計，并考慮屈曲后強度的利用，可不遵守《建筑抗震設計規范》中單層鋼結構工程板件寬厚比限值的要求。當地震組合起控制作用時，可根據設置合適的加勁肋來減小腹板厚度，有時也能起到很好的經濟效益。
3.溫度伸縮縫的設置
溫度變化將引起鋼結構工程的變形，使結構產生溫度應力，當廠房平面尺度較大時，為避免產生較大的溫度應力，應在廠房縱橫兩個方向設置溫度伸縮縫，區段的長度可以根據鋼結構規范來執行。溫度伸縮縫一般采用設置雙柱的方法來處理，對縱向溫度伸縮縫可在屋架支座處設置滾動支座。
4.屋面支撐系統及屋面設計
屋蓋支撐系統的布置應根據廠房跨度、高度、柱網布置、屋蓋結構形式、吊車噸位和所在地區的抗震設防烈度等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結構均應設置垂直支撐；在無檁體系中，大型屋面板有三點和屋架焊接，可起到上弦支撐作用，但考慮到施工條件的限制和安裝需要。無論有檁或無檁體系屋蓋均應在屋架上弦和天窗架上弦設置上弦橫向支撐。對于屋架間距不小于12m的廠房或廠房內設有特重級橋式吊車或廠房內有較大振動設備的均應設置縱向水平支撐。
屋面的排水及防水設計在屋面設計中需重點考慮，根據《屋面工程技術規范》的規定，屋面坡度最小為5％，在積雪較大的地區，坡度應適當加大。單坡屋面的長度主要取決于所在地區的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據工程設計經驗，單坡屋面長度宜控制在70m以內。
目前，市場上鋼結構屋面的做法常用的有兩種：①剛性屋面：雙層彩色壓型鋼板內夾保溫棉；②復合柔性屋面：由屋面彩鋼板內板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。
5.立面設計
輕鋼結構的建筑主要有把握以下4個方面的特征：規模、線條、色彩、變化。
傳統的鋼筋混凝土結構廠房，外墻維護為磚砌體，外裝修為涂料或面磚，輔以色帶，由于混凝土屋面設置采光窗效果不理想，設計時通常在墻面設置大量的采光窗。但對于維護墻為彩色壓型鋼板的鋼結構工程來說則不然。線條是表現輕鋼結構建筑風格最獨特的特征，均勻的線條或橫或豎，使得輕鋼結構建筑富有流暢的金屬質感，體現了強烈的現代工業氣息。若在墻面設置大量采光窗，則破壞了墻面的線條造型，同時，輕鋼結構屋面可以大量使用屋面采光板，采光均勻，同時兼可解決廠房通風問題。
6.防銹處理
鋼結構表面直接暴露在大氣中就會銹蝕，當鋼結構工程空氣中有侵蝕性介質或鋼結構處在潮濕環境中時，鋼結構工程銹蝕就會更加明顯和嚴重。鋼結構的銹蝕不僅會使構件截面減小，還會使鋼構件表層局部產生銹坑，當構件受力時將引起應力集中現象，使結構過早破壞。因此，對鋼結構工程構件的防銹蝕問題應予以足夠的重視，并應根據廠房侵蝕介質情況和環境條件在總圖布置、工藝布置、材料選擇等方面采取相應對策和措施，以確保廠房結構的安全。一般鋼結構的防腐常采用防銹底漆和面漆，涂裝層數及厚度常根據其使用環境和涂層性質來決定。一般室內鋼結構在自然大氣介質作用下，要求涂層厚度100μm，即底漆兩道，面漆兩道。露天鋼結構或在工業大氣介質作用下的鋼結構，要求漆膜總厚度為150μm～200μm。且在酸環境中的鋼結構要求使用氯磺化防酸漆。鋼柱柱腳在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹，其保護層厚度不小于50mm。
7.結束語
總之，鋼結構工程在滿足工藝布置的前提下，選擇合適的結構體系能使結構受力合理、安全可靠，且能有效降低結構造價。
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