基于钢结构房屋结构设计中常见问题研究

李耀雄

摘要：钢结构房屋具有施工方便，造价便宜等诸多优点，被广泛应用到现代房屋建筑结构设计过程中。由于钢结构构件的特殊性质，在开展结构设计时必须格外重视。本文对钢结构房屋结构设计过程中的常见问题进行简单分析，探讨提高钢结构房屋建筑结构设计的策略。

关键词：钢结构建筑;房屋结构;结构设计;问题策略

一、引言

随着我国经济的快速发展，城市现代化建设步伐加快，房屋建筑建设规模越来越大。钢结构房屋建筑在建筑结构类型中占据较大比例，由于钢结构特殊性质，在开展建筑结构设计过程中，必须要结合钢结构特点，合理开展设计。

二、钢结构结构特点

1.结构构件用钢量大

钢结构房屋柱距、跨度以及高度一般较大，横梁荷载较大，因此导致构件超长、超宽、超重现象，用钢量一般超过100kg/m2。因为该类房屋结构构件重量较重，相应基础费用也较高，同时地震反应也较为敏感。

2.轴网布置复杂，柱距大

柱距一般为12～18 m，往往因功能布局要求，局部需要抽柱，抽柱部位需要增设托架或托梁，房屋山墙处需要设置抗风桁架。

3.结构整体刚度要求高

因钢结构对排架变形要求较高，加之横梁荷载较大，在结构的纵、横向均应保证结构具有足够的刚度，以减小整体结构的变形。

4.节点构造设计复杂

因结构构件大、数量多，节点设计应考虑构件的制造、运输、安装的安全性和便利性。

三、钢结构建筑结构设计存在的主要问题

1.设计方面

根据大量相关调查数据表明，引起钢结构事故的主要原因是由于钢结构失稳而导致的。一般情况下，钢结构失稳类型具体分为两个方面，一方面是局部失稳，另一方面则是整体失稳。而钢结构整体失稳基本都是由局部失稳间接造成的，尤其是当受弯部位的尺寸大小超过合理范围时，就很容易出现失稳的现象。并且，钢结构失稳常常会受到很多方面因素的影响，其中，最突出的一点问题就是，设计人员在对建筑钢结构进行设计时，并没有充分考虑到支撑作用的重要性，这也是导致整体失稳的常见因素之一。而局部失稳具体是指当钢结构的吊装位置不同时，网架、桁架中的杆件受力性将会发生改变，近而发生失稳情况。可以说，只要有钢结构的存在，势必就会有一定的失稳风险。所以，无论是设计者，还是施工人员，都必须告诉重视这一问题，并充分做好一切防范保护措施，以此来保障建筑工程项目的建设质量。

2.钢结构设计缺乏科学稳定性设计

钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点，在建筑工程中得到了广泛的应用，另一方面，因其结构失稳破坏造成的人员伤亡、财产损失的事故案例也层出不断，而失稳破坏的原因通常是结构设计缺陷所致。钢结构失稳的分类：

（1）有平衡分岔的稳定问题（分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和平板中面受压时的屈曲均属于这一类。

（2）无平衡分岔的稳定问题（极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。

（3）跳跃失稳是一种不同于以上两种类型的稳定问题，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。

四、钢结构房屋建筑结构设计策略

1.加强钢结构建筑结构稳定性设计

（1）构件与细部构造稳定性计算方法一致

在钢结构设计中，要使构造设计与结构计算相匹配，以满足构件稳定性和设计结构细部构造的一致性。对传递弯矩和不传递弯矩的连接节点，应该分别给予足够的刚度和柔度;对桁架节点的设计也应尽量减少杆件偏心等，这些仅仅是设计构件细部构造。但是，当涉及到稳定性时，对细部构造就会有其他要求，比如简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求只是阻止位移和允许其在平面内转动，然而在处理梁整体的稳定性时，支座除了要满足上述要求外，还需要阻止梁绕纵轴扭转，允许梁在水平面内转动和梁端截面自动翘曲。

（2）兼顾整体和组成部分稳定性的要求

目前，大部分钢结构设计都是以平面体系为出发点的，比如桁架设计和框架设计等。为了避免出现平面失稳问题，需要从钢结构的整体布局出发，设计有针对性的支撑构件，也就是说要使平面构件的结构布置与平面稳定计算保持一致。

（3）计算方法与结构简图一致

在设计单层和多层框架结构时，并不分析框架稳定性，而要计算框架柱的稳定性。采用这种方法计算框架柱稳定性时用到的计算长度系数，应该分析框架整体的稳定性，这样才能使最终框架稳定计算等效于柱稳定计算。

2.减小不确定性因素影响

不确定性因素对钢结构稳定性设计造成的影响是难以避免的，但是，可以利用一些方法来减小这种影响，提高钢结构稳定性设计的可靠性。比如，可以为钢结构进行力学性能分析和设计，或者从设计的众多实验中选择一个较为合理的方案等。

梁—柱理论是当前钢结构稳定性设计中最基础的理论，也是最重要的理论。在钢结构设计中，要实际考察钢结构工程的场地、材料、设计方案等相关事项，合理地运用梁—柱理论分析钢结构设計中细部构造和构件之间的稳定性、整体结构和组成部分之间的稳定性等，达到提高钢结构设计稳定性的目的。

预张拉结构理论体系对钢结构稳定性的设计是极为重要的。建立一套科学、完善、合理的预张拉结构体系理论，根据这个理论体系分析预张拉结构，最终得出准确的结果，这样能够确保达到钢结构稳定性设计的要求。

3.重视局部与整体之间稳定性的关系

避免采用根据经验确定局部稳定性与整体稳定性之间安全系数的方法，加强对钢结构局部稳定性与整体稳定性之间关系的重视程度。根据钢结构工程的实际情况，考察现场、材料等相关因素，科学地计算出一个较为可靠的安全系数，减小误差，提高钢结构稳定性设计的准确性。

4.重视主结构用钢量设计

主结构主要包括排架柱、屋面梁以及连接节点等，在总用钢量中占比较大，直接影响整个结构的经济性。为客观比较不同柱距下的主钢架用钢量，控制主要应力比差值在0.03以内。随着柱距的加大，刚架数量随之减少，单榀刚架所担负的恒活荷载随柱距的增大而线性增大，虽然单榀刚架用钢量增大，但小于刚架数量减小对用钢量的影响，主结构单位用钢量（均摊到房屋单位建筑面积的用钢量）随着柱距增加而降低，其对用钢量的影响基本呈线性。

围护结构（含屋面檩条、屋面支撑、墙梁、墙架柱等）的用钢量随着柱距的增大，所担负的恒活荷载增大，单位用钢量也随之增大，当相比横梁用钢量的变化曲线要舒缓的多。

随着柱距的增加主刚架用钢量与横梁、围护结构的用钢量变化趋势相反，因此结构存在最低用钢量柱距。因为主结构和次结构的钢材型号与单价不同，总钢量与柱距关系曲线的最低点为用钢量最省的柱距，但不是最优柱距。主刚架和横梁系统在总用钢量中占据70%以上，所用材质及制作安装的费用也交较维护系统高，因此通常可以选择主刚架和横梁系统的最低用钢量柱距选为最佳柱距。

5. 设计过程中就应考虑防火灾

钢结构的防火保护有多种方法，这些方法主要有：钢结构防火涂料保护、防火板保护、混凝土防火保护、柔性卷材防火保护、耐火钢、结构内通水冷却等。选择钢结构的防火设计时，应考虑下列因素：钢结构所处部位，需防护的构件性质;钢结构采取防护措施后结构增加的重量及占用的空间;防护材料的可靠性;施工难易程度和经济性。

五、结束语

钢结构房屋建筑结构设计过程中，必须要结合工程实际情况，综合考虑钢结构特点，合理开展结构设计，必须要重视稳定性设计，合理控制用钢量，确保钢结构建筑稳定性，确保工程质量。

参考文献：

[1]顾文杰，齐勇.钢结构房屋结构设计中常见问题研究[J].房地产导刊，2015，（9）：108-108.

[2]李晓英.钢结构房屋结构设计中常见问题分析[J].建筑·建材·装饰，2014，（16）：104-104.

（作者单位：湖北鑫华盛施工图咨询有限公司）