钢结构设计在建筑结构设计中的应用研究
谢志成
（唐钢国际工程技术有限公司，河北唐山 063000）
1.1 生态环保且可重复利用
在全球不可再生能源日渐紧缺的大背景下，各行各业都在寻求生态环保、可持续发展的能源或者材料来实现质的飞跃。建筑行业中所使用的钢结构材料可以多次反复使用，具有强度大、效能高的优势，而且钢结构边角材料的利用价值较高，综合废料较少，因此，钢结构满足建筑工程高效可持续发展的需求[1]。
1.2 性能良好
钢结构生产周期与钢筋混凝土结构相比要短很多，而且钢结构可在工厂预制后在施工现场安装，与钢筋混凝土结构需要现场浇筑养护相比，大幅加快了工程进度。钢结构整体质量要小于钢筋混凝土结构质量，可以适当降低建筑地基处理标准，减少建筑地基处理费用[2]。此外，钢结构稳定性较强，具有较强的抗震能力，因钢结构通常情况下为一个统一整体，所以钢结构因上部荷载作用发生断面的情况几乎不存在，可以有效保障建筑物或构造物的整体质量。
1.3 投资成本低且施工安装便捷
钢结构材料在建筑施工过程中大部分都可以高效利用，剩下的结构耗材较少，相比之，钢筋混凝土结构的耗材较多。无论何种型号的钢结构都具有安装快捷简便的优点，建筑规模相同的情况下，钢结构施工周期大约相当于钢筋混凝土结构施工周期的一半。此外，钢结构施工对外部环境的要求相对较低，不会因施工外部环境变化而影响钢结构的施工进度。钢结构建筑的整体造价相对较低，具有较好的社会效益和经济效益。
2.1 钢结构预估截面设计
只有尽量准确估算钢结构支撑体系断面大小和钢结构梁柱断面大小之后，才可以对钢结构预估截面进行设计。钢结构建筑的梁体通常设计为槽钢或H 型钢，在对建筑梁所受荷载进行分析计算后可以确定其截面大小，翼缘高度主要是依据梁体侧向支撑点间距来确定的。钢结构梁截面尺寸大小和翼缘高度确定以后，便可以依据相关设计标准预估钢结构板件厚度。钢结构柱截面大小是通过截面受力大小、结构梁体类型来综合确定的[3]。
2.2 钢结构防腐设计
钢结构构件不采取任何防护措施且长期处在潮湿空气环境中会受到严重腐蚀，钢结构一旦被腐蚀后其有效受力截面会变小且会出现一定的锈坑，导致钢结构耐用性大幅度降低。基于此，在钢结构设计过程中要给予钢结构防腐问题一定的关注度。钢结构防腐设计的常规做法是在钢结构表面涂抹具有高强度附着能力的防腐材料，将钢结构构件与空气中的水分和氧气隔绝，继而达到防腐的效果。防腐材料的设计涂抹厚度根据钢结构所处位置的不同而有所差异，处于室内区域非裸漏的钢结构防腐层设计厚度通常为100 μm，处于室内区域裸漏区域的钢结构防腐层设计厚度通常在150～200 μm，钢结构建筑的地面和地面以下部分钢柱柱脚采用C20 混凝土包裹并在混凝土表面涂抹防腐涂料，反腐涂料厚度设计在50 μm以内。
2.3 钢结构抗震性能设计
我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，这也要求我国建筑结构在设计时必须要考虑抗震性能。钢结构设计要确保钢结构均匀受力。钢柱和建筑屋架的连接顺序要正确。此外，准确的钢结构支撑形式同样可以有效提升钢结构建筑物的抗震性能。与此同时，钢结构墙体结构和钢结构钢柱之间的高宽比应进行设计优化，确保钢结构处于良好的抗震状态。
2.4 钢结构的隔音效果设计
噪声问题给建筑使用者的生产和生活带来了诸多困扰，近年来，关于消除建筑噪声的研究不少，但是却几乎没有真正消除噪声带给建筑使用者的困扰。不同使用功能的建筑物对隔音效果的需求不同[4]。比如，大型商超对隔音效果并没有太高要求，而民用住宅或者学校建筑对隔音效果要求较高，而音乐厅、礼堂等建筑物需要让观众听清楚声音。基于此，钢结构设计人员要根据建筑具体使用功能和建筑物对隔音效果的要求来进行针对性的噪声消除设计。
2.5 钢结构节点结构设计
钢结构节点衔接设计是钢结构设计的重头戏。钢结构设计人员需对钢结构节点的特征和节点形式进行深入分析和计算，再通过设计流程将不同节点进行系统性分类，确保钢结构节点衔接过程中准确无误。钢结构受力情况不同其节点性质也不同，依据受力情况不同钢结构节点可分为刚性节点、半刚性节点以及铰节点。其中，刚性节点和铰节点的承载能力较强且工艺成熟，在钢结构设计中被经常用到。钢结构节点设计应注意以下问题：第一点，要根据施工基本顺序来分层设计钢结构焊接形式和钢结构焊接尺寸。钢结构焊接辅料（焊条）等应选择与其镶嵌的金属材料相匹配的，钢结构焊缝大小的设计是不能随意改变的，焊缝与焊缝所连接构件的重心应该始终保持一致。第二点，钢结构构件连接的传统形式为铆接，但是铆接形式连接的钢结构构件抗剪性能比较差，而且铆接的钢结构位置合理性欠缺。所以，在钢结构设计过程中要选择先进的栓接模式来替代传统的铆接模式。栓接模式下钢结构构件的抗剪能力大幅度提高，而且栓接施工操作更为便捷，在设计过程中还应根据钢结构建筑项目的具体情况来选择栓接强度等级。合理的栓接强度可以有效分担钢结构构件的压力和摩擦力。
3.1 工程概况
某建筑地下室底板为钢骨混凝土柱，基础形式为钢筋混凝土摩擦方桩，一层楼面为钢骨混凝土楼板。该建筑地下十字形劲性钢柱类型有多种，其中质量最大的钢柱为33 t，钢柱最长为19.6 m，最重的一根钢梁型号为XG3H，其质量33 t。
3.2 钢结构设计
3.2.1 钢板对接设计
钢板对接是钢板长度方向的对接，钢板对接形式通常设计做法是采用自动埋弧焊对接。钢板焊接坡口使用钢结构万能坡口切割机铣削制作，制作完成后对坡口尺寸进行检查。正式焊接前，需要对钢板坡口和钢板坡口边缘120 mm 处进行全面外观检查，外观检查后采用超声波检查钢板坡口处是否有裂纹夹灰等缺陷，如果存在缺陷应立即处理。钢板坡口对接需在特殊对接平台上处理，确保对口错边误差控制在2 mm 以内。钢板定位电焊工艺采用二氧化碳气体保护焊，具体焊接设计参数详见表1。
表1 钢板焊接设计参数表
钢板定位焊接结束后，采用自动埋弧焊对钢板正面进行焊接，当正面1/3 钢板厚度焊接完成后将钢板180°翻转，钢板反面用正式焊接前用碳弧气刨清根对反面钢板表面进行处理，并采用砂轮机打磨渗碳层，当钢板露出金属光泽后对其进行探伤检测，确定无裂纹后进行反面焊接作业，反面焊接结束后再将钢板翻转180°进行正面没有焊接的部分，直到进入盖面焊。
3.2.2 钢板下料切割设计
钢板切割处两侧的受热应均匀且边缘质量完好是切割板材的基本要求，此要求的目的是防止切割板材产生侧向弯曲。为了达到此目的，板材切割器械采用数控多头等离子火焰切割机。根据纵向焊缝的收缩量经验值确定钢结构腹板下料预留50 mm 保护长度。此外，钢结构设计过程中要考虑避免钢结构装配后的二次切割，便于提升设计和施工质量。
3.3 钢结构安装设计
钢结构钢柱四周浇筑厚度为30 cm 的混凝土，混凝土浇筑的同时做好预埋件埋设工作，设计时要特意强调预埋件标高和混凝土浇筑标高。设计时要考虑到施工安装时劲性钢柱的偏移问题，在设计过程中要给出控制劲性钢柱偏移的做法。设计过程中要综合考虑钢柱桩桩孔深度、项目地质情况、钢结构劲性钢柱的质量以及钢柱桩孔安全因素，设计出钢柱整体吊装方案，钢柱就位以后再浇筑混凝土。
3.4 钢结构焊接工艺设计
钢结构焊接质量影响着工程整体质量。钢结构设计过程中要考虑到钢结构现场焊接的时间不能过长，因为现场焊接要配合钢结构构件吊装和现场混凝土浇筑，所以钢结构焊接作业需要在短时间内完成，便于现场开展钢管柱混凝土浇筑及钢管柱上层结构的安装和校正作业。钢结构设计过程中要给出严格的焊接作业程序和作业顺序，尽最大可能减少垂直于钢板面方向的约束。低合金钢构板施焊前应进行预热，预热温度根据试验确定。焊接预热应选择焊道两侧100 mm 范围处均匀加热，而预热温度的测量位置与焊道位置的距离应控制在50 mm 左右。如果施工所处的外部环境温度已经降到0 ℃以下，钢结构构件的焊接温度应该根据试验重新确定。
3.5 钢结构防腐处理设计
钢结构防腐设计采用喷砂加电动钢刷除锈工艺，将钢板之前形成的绣皮彻底清洗，再喷涂环氧富锌防锈底漆。为了保证喷涂效果，做两遍喷涂，环氧富锌防锈底漆的干膜厚度设计值为70 μm，在此基础上再喷涂环氧云铁灰厚浆底漆两遍，干膜厚度设计值为100 μm，喷漆漆浆和固化剂质量比为100∶15。
3.6 钢结构防火处理设计
之所以要对钢结构进行防火处理设计，是因为钢板的耐温性相对较差。当钢板外界温度持续升高，钢板诸多性能发生改变，温度达到450 ℃左右时，钢结构材料的屈服点、弹性模量数值以及抗拉强度等数值急剧下降，整个钢结构几乎丧失承载能力。基于此，在裸漏钢结构部位要进行防火涂料喷涂，确保防护涂料的保护时间要大于钢梁和钢柱的耐火时间。
钢结构的稳定性和造价低的优势，使得钢结构在建筑结构设计中得到了广泛应用。钢结构体系自身质量较轻，施工便捷且便于安装，较快的施工周期和较低的工程造价，再加上良好的抗震性能，使得钢结构应用范围越来越广泛。另外钢结构建筑污染性小，投资回报见效快，也符合我国现阶段发展的基本需求，所以钢结构的发展水平也从侧面反映了国家的综合经济实例。钢结构设计单位应该结合建筑使用功能和建筑使用定位进行系统性综合设计定位，只有严把设计关才能得到科学合理的设计方案，才能保证钢结构设计质量，才能实现钢结构建筑效益最大化。
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