关于土建钢结构设计的分析

摘要：本文主要从钢材材质的选用,焊缝连接,螺栓连接等方面分析研究了钢结构设计的常见问题,阐明了建筑钢结构的防护措施及抗震设计方法。

关键词：土建；钢结构设计；分析

中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：

钢结构的设计、材料采购、加工、安装各个环节息息相关，设计人员对每一环节都应有比较清楚的了解，这对于项目的开展会有很大好处。通过分析、总结，不断提高自身的工作水平，使钢结构设计人员能更好地为加工、安装提供服务。

1 选用钢材材质问题分析

在钢结构设计文件中, 应当注明钢结构所采用材料的质量等级(包括相适应的焊接材料) 。钢结构房屋所使用的钢材针对不同的应用应当具有抗拉强度, 屈服强度, 伸长率, 冷弯试验和硫含量的合格保证。如对于焊接钢结构应具有含硫量的合格保证；对于地震区,要求钢材的强屈比不小于 1.2 % , 应有明显的屈服台阶, 且伸长率应大于 20 % , 并应有良好的可焊性和合格的冲击韧性, 以上要求主要是保证结构具有必要的安全储备和足够的塑性变形能力, 都应写入设计文件中。一般来说, 使用 Q235B及以上的碳素结构钢及 Q345B及以上等级的低合金高强度结构钢，过高的选用 C 级或 Z 向等级, 造成经济上的浪费同样不可取。

2 焊缝问题分析

在现代钢结构中, 焊接连接已成为钢结构连接的最基本方法, 焊缝质量的好坏直接影响到结构安全, 所以应当根据结构或构件的重要性和受力性能及焊缝的受力情况, 确定焊缝的质量等级。一般来说, 板材的对接焊缝、承受动力荷载构件的较重要的焊缝、需做疲劳验算的焊缝以及与钢材等强的受拉、受弯对接焊缝(如框架梁、柱及其连接节点的对接焊缝、 工字形截面与其端板的对接焊缝) 其焊缝质量等级不得低于二级。其他部位的焊缝,一般均可采用角焊缝, 但由于角焊缝应力集中现象严重, 内部探伤也很困难, 其焊缝质量等级一般只能为三级, 对于某些重要的角焊缝可允许要求其外观缺陷符合二级的要求。如不恰当的提高焊缝的质量等级将提高工程造价且难以做到。

3 螺栓问题连接

对钢结构中高强度螺栓的认识, 不少人的固有观念就是摩擦型和承压型高强度螺栓两种形式, 因而必然涉及到摩擦面的处理和张拉力的控制问题。这种概念在有较大剪力的连接中是合理的, 但不是所有节点均须进行处理。在实际工程中,当节点承受较小剪力时,设计人员一般只需将轻钢刚架梁柱节点的螺栓按受弯节点的受拉螺栓采用摩擦面和张拉力控制的要求进行设计。另外，有的设计人员往往将剪力较小的受弯节点的受拉螺栓按性能指标很高的摩擦型螺栓进行设计, 这也造成了施工检测中的难度和浪费。一些设计人员在设计说明中往往写道: 高强度螺栓采用承压型高强度螺栓 10. 9 s , 这是一种不正确的说法。承压型高强度螺栓(或摩擦型高强度螺栓) 是一个错误的术语, 它将螺栓的连接方式( 连接的力学模式)和螺栓的种类( 外形和性能) 这两个风马牛不相及的概念混为一谈, 使施工人员拿到图纸后, 无法采购承压型高强度螺栓。对于设计人员来说, 只要给出高强度螺栓的性能等级和连接材料摩擦面的抗滑移系数即可, 不必规定采用何种螺栓。

4 钢柱柱脚锚栓连接问题分析

为调整钢柱底标高，通常在柱底板下与基础顶面预留约50毫米的调整空间，然后用微膨胀细石混凝土捣实，《门式刚架技术规程》CECS102中也有相应的做法，但在某些结构中，柱脚采用的锚栓规格较大(如：M60，M72)，其螺母厚度已达40～50毫米，再加上垫板的厚度，已超过50毫米的调整空间，因此当柱脚锚栓直径较大时(直径超过42毫米)，柱脚底板下的二次浇灌层高度应保证有70～100毫米的范围。在柱顶标高、钢柱垂直度调整到位后，应及时将底板下的空间灌实。对于锚栓的锚固长度，对于不同的锚栓直径，有不同的要求。在施工图中，锚栓详图只是简单地说明套用图集或手册，基础设计时若考虑不周全或基础的高度受到限制，很有可能导致基础的厚度不足，锚栓不能就位。特别是有些工程，上部钢结构由专业钢结构公司设计，基础由另外一家设计院设计，若两者没有沟通好，很容易出现这种情况。另外，对于外包钢筋混凝土的柱脚，当外包混凝土柱内的纵筋间距较小且纵筋离钢柱外表面较近时，应特别注意混凝土柱内的纵筋和箍筋是否会影响锚栓螺母的固定，为便于固定螺母，混凝土柱内纵筋间距一般应大于150毫米以上，钢柱外表面与砼外表的距离也需大于300毫米以上，箍筋应在钢柱校正好之后绑扎。对于有抗剪键的柱脚，抗剪键一般焊于柱底板下，在基础柱上预留方孔或圆孔，但当有基础梁与基础短柱在同一标高，且位于柱中心布置，这时就很容易发生基础梁内的纵筋与杭剪键预留孔冲突，这时，最好将基础梁顶标高降低或将基础梁偏移抗剪键位置。

5 杯口基础连接问题分析

钢柱采用杯口基础连接时，柱脚做法比较简单，但安装比较麻烦。当柱脚承担的变矩较大而轴向力较小时(如排架结构中的钢柱脚)，若采用锚栓连接，锚栓规格会比较大，且柱脚也需采用靴梁的形式，那么柱脚做法将会是十分麻烦。这种情况，最好还是采用杯口基础，免去埋设锚栓而带来的麻烦。当采用杯口基础时，杯底有一个找平和调整标高的细石混凝土层，当柱底板下的混凝土采用二次浇灌时，底板下的混凝土很难振捣实，严重的可能导致底板下是空的，因此在底板上必须每边留设灌浆孔和溢浆孔，或不设底板直接靠钢柱与砼间的摩擦来承担竖向力。杯口基础另外一个缺点是杯口内易进水或土，在基础施工时，必须做好覆盖措施。否则，清理杯口内的土和水会是很麻烦的事情，特别是工地范围内的地面基础采用换土方式时，杯口的保护显得尤为重要。在钢柱安装前，对杯口内壁进行凿毛，以保证在钢柱就位后二次浇灌的混凝土能结合牢靠，杯口基础和锚栓连接的方法各有各的优点，在设计过程中，应结合受力情况，选择一种符合工程需要和方便施工的做法。

6 建筑钢结构的防护问题分析

6.1 防腐。过去均为红丹两道打底, 调和漆两道罩面, 现在还有这样的写法或者写钢材表面须认真除锈, 均是不符合规范的要求的。规范明确规定: 要注明除锈等级和涂料及涂层厚度, 一般为Sa2. 5,推广使用喷射除锈的方法。因为其不仅除锈彻底, 而且能在钢材表面形成微小的凸凹面, 有利于涂料与钢材的粘结, 大大提高防腐年限, 当构件有残余应力时, 喷射还可以消除部分残余应力。对于埋入地下的部分应采用混凝土包裹, 受侵蚀作用的柱脚不宜埋入地下。

6.2 防火。钢结构构件的防火保护层厚度应根据建筑物的耐火等级和构件的不同的耐火极限进行设计, 受高温作用的结构, 应根据不同情况采取相应的隔热防护措施。

7 钢结构房屋的抗震设计分析

钢结构房屋抗震设计时,应根据设防烈度, 结构类型和房屋高度采用不同的地震作用效应调整系数, 并采取不同的抗震构造措施。抗震构造措施主要是根据设防烈度和房屋高度, 控制框架柱和支撑的长细比、梁柱及支撑杆件板件的宽厚比、梁柱连接节点的构造要求等，包括设置加劲肋, 设置侧向支撑及连接焊缝的质量要求和高强度螺栓连接的构造要求。型钢构件用于抗震结构时, 要注意板件宽厚比, 可能超过规范限值。一般的型钢材件是按非抗震要求来制造的, 如果用于抗震结构, 有时会不满足构造要求, 尤其是 Q345钢材。

8 结束语

近年来，随着经济的发展, 钢结构在土木工程中的应用日趋广泛,技术越来越成熟，国家相应出台了不少规则、手册、图集来规范设计、施工行业。但毕竟结构体系千变万化，设计、施工人员在应用过程中还是会产生诸多的问题。这就要求设计人员必须掌握与此相关的各种知识。文中论述的几个问题几乎是任何一项钢结构设计都要遇到的基本问题。从表面上看这些问题非常简单, 然而不少设计人员在处理这些问题时却把握不准。究其原因在于这些问题看起来简单, 其内涵却非常丰富, 涉及到很多非结构专业的问题。因此希望以下的论述能对钢结构设计人员有所裨益。

参考文献：

[1]《钢结构设计手册》编辑委员会 《钢结构设计手册》,2008.

[2] 严正庭 佳隆《最新钢结构实用设计手册》,2009.