钢结构设计若干问题探讨

1、钢结构设计若干问题探讨章啓新、程志敏、周观根二O一O1目 录1、前言2、改变传统理念，提高设计水平 3、结构优化设计 4、钢网架(壳)结构设计与构造 5、结构温度应力与合拢温度的取值讨论6、结束语 参考文献2 内容摘要 由于钢材具有较高的强度、较好的延性及加工性能而被广泛应用于建筑领域，相对传统结构即混凝土结构、砌体结构、木结构而言，我国钢结构起步晚，发展快，应用广。在其应用过程中存在许多需要研究和探讨的地方，本文从钢结构设计理念、优化设计、网架（壳）结构设计与构造、结构温度应力与合拢温度的取值等多角度、多方位对钢结构的正确应用进行了全面论述。 本文供钢结构设计与施工的工程师借鉴和参考。3 1

2、 前言 近10多年来钢结构发展很快，但钢结构应用范围涵盖面与发达国家相比还相差甚远，中国是建筑业大国，国内、国外的建筑市场十分广阔。如何扩大钢结构应用范围，是建筑、结构工程师在建筑业可持续发展的“后建筑时代”也就是低碳、节能、环保建筑中所面临的继承和创新的挑战。 我国钢结构大量在建筑工程中应用可以说是从广州新白云国际机场开始，发展到今天在许多航站楼、会展中心、体育场馆、奥运场馆、工业厂房、高层建筑直至现在的高铁站房。 上海世博会展馆的建设，对建筑、结构业内人士来讲是一个“万国建筑博物馆”，几乎所有的展馆均采用了钢结构，创造出了千姿百态、形态各异的建筑风格，也说明钢结构可以设计出建筑艺术精品。4

3、 80年代中期笔者去欧洲考察时带回了国外的门式刚架标准设计图纸以及H型钢和钢网架生产线照片。当时有的从事设计工作20多年的工程师却认为是建筑模型而已。其实一些部属设计院早在60年代后期门式刚架在援外工程中已有应用了，角钢、节点板螺栓连接的钢网架在高等院校的健身房中也已推广使用。 80年代后期随着外资企业进入中国后，门式刚架才逐步被设计工作者认知，但是对门式刚架的围护结构采用蒙皮效应设计还是难以推广。 2 改变传统理念，提高设计水平 在上世纪80年代以前，设计单层厂房和多层厂房时，往往很自然的会不加思索的采用钢筋砼结构，屋面结构体系采用预应力薄腹梁、大型屋面板。随着钢产量不断5 增加，门式刚架重

4、量轻、建设周期短、造价与钢筋砼结构基本相同等的优越性被人们逐步接受。但多、高层钢结构商住房由于深层次原因，推广还是困难重重。 钢结构在建筑领域的发展势在必行，钢结构一方面要得到人们的认知，更重要的是提高从业人员的设计水平和学术交流。现在有一些建筑、结构设计工程师对钢结构体系概念并不清楚。都是由建筑师在既定的建筑方案基础上进行设计与计算。结构体系选择的优劣直接影响结构的经济性、合理性。现在设计院的结构工程师习惯于“平法表示”，对钢结构来讲，节点构造和钢承板铺设方向对结构影响和楼板平面刚度尚不够重视。节点构造在结构体系中无论对结构功能和用钢量都占有重要地位，也直接影响造价，在设计图中节点构造至少要

5、提供刚接、铰接的标准节点，只要图示清楚就可以由制造厂在深化设计中完成。 6 随着城市的快速发展新的建筑不断涌现，这些工程是由多专业交融在一起，业主、设计、施工盘根错节，要创建一个好的、经得起时间检验和历史记忆的建筑工程恐怕为数不多。 中国是一个建筑业大国，无论在建筑设计、结构设计和施工水平在60年代的“十大建筑”和我国援外的大型公共建筑和高层建筑都曾经走在世界前列，引起世界关注。而现在建筑业大发展时代很多城市地标建筑成为外国建筑师在中国的试验场所，但并非完美，却对中国钢结构的设计和施工发展拓宽了视野，推动了钢结构行业的快速发展。 下面介绍三种类型的钢结构新颖创意： 7 一、上海世博会丹麦展馆，

6、是由丹麦形态学家、皇家院士TURE WESTER的方案，由ARUP公司设计，这是由两个非同心圆的“螺旋体”，超越了传统的建筑形态，如图1。 结构选型是由直线形杆件组成的标准异形六面体模块，组装而成，如图2、图3。并非我们所想象的采用圆钢管或方钢管三维空间弯曲成形的“螺旋体”。这种设计理念既考虑到简化加工工艺的难度和热加工成形的能耗，又提高了空间结构安装的便捷和精度，丹麦展馆从设计、加工、制作、运输到安装的钢结构工程的典范。8图1 上海世博会丹麦展馆9图2 主体结构效果图10图3 标准异形六面体模块11 二、树叉式结构 随着高铁的发展，“无柱站台”成为一种设计时尚。跨越站台需大跨度空间钢管桁架支

7、承在站线之间的组合钢柱上。高重心的屋面结构体系用钢量显然高于树叉式结构，对抗震也极为不利，铁路是生命线工程，其站台的结构抗震要求较高。而且组合钢柱截面都很大，增加了站线占地面积。 德国某候机大厅和高铁中转站采用树叉式结构有效降低了屋面结构体系的用钢量。在强地震区树不会倾倒树叉式结构是从仿生学中引入建筑结构中来的，具有良好的抗震性能。在生命线工程中得到应用。树叉式结构在我国的设计理念和加工、制作、安装还是空白，如图412图4 德国某候机大厅和高铁中转站13 三、澳大利亚树叉式墙体钢结构内置玻璃幕墙。 玻璃幕墙从上世纪60年代开始兴起，玻璃幕墙基本上为有框、无框和点式(虎爪式)玻璃幕墙之分。 玻璃

8、幕墙受外界自然条件的多变性、瞬变性和结构胶的老化等因素的影响，导致玻璃碎裂和脱落的伤人事故，时有发生。设计工作者一方面从连接构造和建筑美观要求走了一条从有框到无框再发展到点式的玻璃幕墙这一过程。第二方面，玻璃属脆性材料，玻璃碎裂时非常锋利。在设计玻璃幕墙时常选用钢化玻璃或夹胶的安全玻璃等的改性玻璃；第三方面玻璃幕墙的光污染及阳光反射产生城市“热岛效应”是建筑师与环保工作者争论的焦点。 14 澳大利亚采用树叉式钢结构内置式玻璃幕墙从工程实效来讲基本上解决了当前玻璃幕墙存在的三大问题(连接构造、材质改性、光污染)新的尝试，如图5。15图5 澳大利亚树叉式钢结构内置玻璃幕墙16 现代建筑钢结构设计应

9、体现钢结构的属性和行至有效的时代特征的艺术品建筑。深厚的控制能力，秉承错综复杂的工艺技术，创造性的设计与精湛的施工工艺相结合。17 3 结构优化设计 优化设计是计算机发展的必然产物，是一门学科，各行各业都有一个“优化”问题，在建筑、结构行业中的优化是降低工程造价为宗旨，而航天器的优化设计是减轻自重为主导，企业管理的优化以企业文化为导向等等。 3.1 优化设计准则 a.优化设计不应以降低结构安全等级和使用年限为代价，“过度优化”必然会产生“楼危危”、“楼脆脆”等等，使建筑工程没有达到有效生命期，不是“未老先衰”就是“英年早逝”。 b.优化设计没有标准答案，多人计算即使采用同一程序，也可以得出不同

10、结果，计算结果的分析判断可信度只有自己知道。 c.优化设计是以降低造价为目标，在建筑工程中降低造价包括设计、制作、安装、运输等多方面的优化。18 3.2 优化设计方法 在钢结构行业中为了降低用钢量片面的理解为“应力优化”，其实不然，建筑结构的“优化设计”应从以下几方面进行考虑。 (1) 基础优化 钢结构基础优化有很大潜力，无论什么建筑工程甚至小高层建筑通过多种方案比较，最终能优化出安全、可靠，又具有较好的综合经济效益的较佳基础形式。 (2) 高层建筑抗风力的体型优化 高层建筑主要的水平荷载是风载，风载与建筑体型和高空风力湍流有密切关系。抗风力的计算模式如图6、图7。 19图6 高层建筑抗风力计

11、算模式 (a)风压高度变化系数； (b)高层建筑； (c)沿高度水平剪力和弯矩分布； (d)沿高度位移分布。2091110层 二筒6790层 五筒5166层 七筒150层 九筒 层次 平面 立面图7 美国西尔斯大厦21 美国西尔斯大厦是筒中筒全钢结构，其建筑立面沿高度体型变化，优化结构抗风力的较佳受力状态，所以美国西尔斯大厦高度443.2m，共110层，用钢量为159.5kg/m2，钢材的强度为290340Mpa，这样的高层建筑并没有用高强钢材，用钢量较低，而且“舒适度”的限值比我国“高钢规”的限值高10多倍。 (3) 高层建筑优化 a.柱网优化：高层综合楼商业大厅的大柱网转换成商住楼的小柱网

12、； b.楼层刚度优化：采用钢承砼楼板(有三个特点：波形钢板具有较大刚度；减少砼用量；节约模板)，钢承波形板交错方向布置，以提高楼面刚度减少层间位移值，如图8、图9。 22图8 美国西尔斯大厦楼板结构图9 上海金茂大厦标准层楼板结构23 (4) 节点优化 钢结构梁、柱连接节点，其用钢量占总用钢量的12%18%，其节点构造的优劣，直接影响钢结构的安全度和抗震性能。 (5) 钢网架的优化 双层或多层网架一般下弦层或中间层采用抽空网格；在局部玻璃采光顶处，可按玻璃的承载能力及玻璃区格对网格转换，以避免杆件交错，取得良好的室内视觉效果。 (6) 弦支穹顶预应力优化 径向预应力：如上海南站、北京南站。环向

13、预应力：如北京奥体羽毛球馆和济南体育馆，环向预应力的效能比径向预应力效能更经济合理。环向预应力其索的平面布置和标高也可优化，还有张拉程序的优化。24 东南网架博士后工作站郑君华博士研究的“预应力钢结构的施工张拉及优化结构”在实际工程建设中具有较高的工程应用价值和创新性。 (7) 杆件截面优化 增加截面刚度，减少用钢量，如悉尼机场管桁架结构采用空腹桁架和交叉柔性腹杆。推广波型腹板H型钢梁，但关键是翼缘与波型腹板的机械化焊接问题有待开发。 (8) 节点计算优化 计算假定与构造相一致，结构构造与施工安装相一致，节点功能与结构受力相一致。东南网架博士后工作站刘坚博士研究的“钢结构高阶分析理论及应用的关

14、键技术研究”具有前瞻性，其中梁、柱节点半刚性连接的二阶弹性分析，可作为钢结构节点优化设计在工程应用中的理论依据。 25 (9) 应力优化 提高构件设计应力，降低结构安全度，这是“低俗化”的优化，正确的优化是提高构件的刚度，或将压弯构件转换成拉、压二力构件。 26 4 钢网架(壳)结构设计与构造 钢网架(壳)结构经过30多年的发展，应用范围已十分广阔，应用领域如体育场馆、航站楼、工业厂房等等。该结构形式由于具有较好的经济性、安全性和可靠性，且包装、运输及安装简易便捷，因此，特别适用于海外工程。 目前，钢网架(壳)结构的设计软件有很多版本，各有所长，如MST网架(壳)专用程序经过数次版本升级已日臻

15、完善。 4.1 国内钢网架(壳)结构节点类型。 我国现行规范有四种节点类型，即螺栓球节点、焊接空心球节点、嵌入式毂节点及板式节点，其中焊接球节点又分为加肋焊接球节点和不加肋焊接球节点。27 螺栓球节点、焊接空心球节点是应用最广泛的两种节点形式，一般单独应用，但也可混合应用，如北京首都国际机场T3航站楼，在其他工程中也较常见。嵌入式毂节点类似加拿大的Triodetic节点，一般很少采用。板式节点在20世纪6070年代使用较多，现仍有使用价值。 4.2 国外钢网架(壳)节点简介。 国外钢网架(壳)节点体系十分丰富，如英国的Spacedeck节点体系和Nodus节点体系、德国的Mero节点体系、法国

16、的SDC节点体系、美国的Unistrut节点体系、加拿大的Triodetic节点体系、日本的 Obayashi节点体系等等。上述节点体系有些属于专利产品，有专门的产品标准和定点工厂生产，国内如果设计需要，可以进口。图10、图11为日本熊本县综合公园室内运动广场钢网壳焊接心球节点应用情况。28图10 网格膜部分钢结构建筑场景图11 节点29 4.3 焊接球与螺栓球混合应用的问题 当同根杆件的一端为焊接球另一端为螺栓球(如图12)混合使用时，应严格按照图13所示施工程序进行施工，以防焊接收缩变形而使另一侧螺栓无法拧到位，应严格掌握施工程序。图12 焊接球与螺栓球节点在同一网格连接详图30图13 焊

17、接空心球与螺栓球混合应用时的施工程序杆件就位焊接空心球就位螺栓球定位空心球与杆件定位焊接第一次测量高强螺栓初拧高强螺栓终拧校正空心球与杆件全位置焊接检测验收31 4.4 角钢、节点板组成的钢网架 角钢杆件与节点板之间用螺栓连接，螺栓承受剪力，一些工程仍在应用。 4.5 钢木组合式网架(壳) 采用木材或厚层胶合板作为杆件，用螺栓、销钉和专用配件的钢木组合式网架(壳)国外应用也较多。 4.6 钢网架(壳)杆件接长与焊接球连接问题 4.6.1钢管杆件的选用 有的设计要求全部杆件均采用无缝钢管，其实无缝钢管壁厚很不均匀，难以控制杆件的强度，而高频直缝焊管壁厚较均匀，易于控制杆件的强度。但是高频焊管大部

18、分是冷弯成型，其延伸率有所下降；同时还有人担心高频焊管在压力作用下会裂开，其实只要是正规厂家生产的高频直缝焊管，质量是可靠的。另外冷弯薄壁钢管有时效32 现象，以后延伸率会上升，与冷弯前非常接近，达到了节能和降低成本的效果。 4.6.2 杆件的对接接长 现行“网壳结构技术规程”和即将发布的“空间网格结构技术规程”规定，对接杆件数允许不超过杆件总数的20%，但不得集中使用，每根杆件只允许一条对接焊缝，焊缝等级要求达到一级焊缝，比过去只允许10%接长大大放松，降低了钢材的损耗率。 4.6.3 杆件与焊接空心球的连接 “网壳结构技术规程”规定当杆件汇交相贯时，主杆要求全截面焊接在球面上，另一杆件与主

19、杆坡口焊接连接，但必须保证另一杆件有3/4的截面焊接在球面上，这就是搭接率只允许15%，与钢管桁架允许的搭接率25%QV100%严格得多，是否可以放松，值得商榷。 33 4.7 钢网架(壳)支座设计 支座作为上部钢网架(壳)与下部结构连接的重要部件，理论上是一个具有“运动副”的机构，广泛的应用于钢网架(壳)工程中。钢网架(壳)的支座设计对设计工程师来讲应认真研究解决支座的计算假定和支座选型。 4.7.1 主要功能及选型准则 (1) 将上部结构反力可靠地集中传递到下部结构，固定支座可起到这种作用； (2) 有些反力传递给下部结构时，将使下部结构处于非常不利的复杂受力状态，在各种随机荷载作用下，释

20、放这些反力使其不至于传递到下部结构。铰接支座和橡胶支座可释放弯矩或水平推力作用； 34 (3) 大跨度钢网架(壳)基于风力或温度应力在支座上产生较大水平剪力，可采用有限滑移、转动的铰接支座，释放部分水平剪力； (4) 很多有关网架(壳)的书本上都介绍一种弧形支座。随着网架(壳)的挠度，允许支座有微量转动，改善网架(壳)的受力情况，这就是变形协调的作用。 但是支座的微量转动是柱顶的预埋螺栓外套弹簧控制如图14(a)，工程师在设计时往往疏忽了控制微量转动的弹簧系数。施工安装时随意置入弹簧或弹簧系数随着使用年限而下降，导致网架(壳)支座球节点与下弦杆连接的高强螺栓断裂或焊接球与下弦杆的焊缝受剪拉破坏

21、如图14(b)。35图14 弧板支座(a) 正常工作状态； (b) 转动 角的病态；36 (5) 支座还应具有抗震、减震和隔振作用的功能，以减少随机荷载峰值，以确保下部结构的安全度； (6) 支座的安全等级及设计使用年限与钢网架(壳)的安全等级及设计使用年限应相一致，特别是支座设计时其辅助材料必须考虑耐久性和可更换性。 4.7.2 几个典型案例 (1) 钢网架(壳)不允许所有支座假定为双向滑移，计算软件难以反映出其双向滑移的结果，但实际情况会产生钢网架(壳)整体浮动，不受任何方向水平力，实际上是分离状态； (2) 钢网架支承在排架柱顶上，即使柱顶设置了连系梁，其抗侧刚度不满足柱顶位移情况时：

22、a. 应研究下部结构，设置相应的支座如图15。 37图15 钢网架支承在排架上b. 钢网架跨越伸缩缝且下部结构采用双柱构造时：方案一，钢网架随伸缩缝断开分成二个区块或若干个区块如图10；图16 钢网架随伸缩缝断开(方案一)38 方案二，钢网架跨越伸缩缝时柱顶都设置支座，如图17；图17 双柱伸缩缝柱顶均设支座(方案二)39 方案三，钢网架既要跨越伸缩缝，又要使网格划分合理。在双柱一侧设置支座，另一侧不可能设置支座时，其不设支座的柱顶应采取相应的结构措施。以防另一侧不设支座的柱成悬臂柱对下部结构带来不安全因素，如图18。图18 双柱伸缩缝柱顶一侧不设支座(方案三)40 (3) 钢网架支承在框架结

23、构上 a. 钢网架支座直接支承在框架柱顶如图19。 b. 钢网架混合支承(即支承在柱顶又支承在框架横梁上)如图20。 图19 钢网架直接支承在框架柱上41 在非地震区,钢网架作用在框架横梁上的支座反力RZ、RX对框架横梁的刚度和强度应进行校核，如图20。 在地震区，钢网架作用在框架横梁上的抗地震作用的支座反力RSZ、RSX很难进行精确计算，而且地震荷载的不确定性等因素影响，根据笔者经验采用“抗”的理念设计成如图21。图20 钢网架混合支座42 当然也可采用“放”的理念设计，框架横梁具有抗地震水平力要求，如图22。 图21 在地震区钢网架支座用“抗”的理念设计图22 在地震区钢网架采用“放”的理

24、念设计43 4.8 钢网架(壳)的展望 近年来空间管桁结构的迅速发展，在室内获得通透悦目的视觉效果，建筑造型丰富，得到了建筑师的青睐。其实钢网架(壳)同样可以满足建筑师的建筑艺术造型要求，而且全部可工厂化生产，重量轻、运输、安装简易、便捷。笔者前面已经介绍了国外有很多独特的钢网架(壳)节点，特别是这次上海世博会的沙特展馆选用英国的刚性节点单层网壳建筑造型奇特，节点重量轻、安装非常方便，且可拆卸，如图23。图23 拆卸式刚性节点44 我国经过30多年的钢网架(壳)的迅速发展，结合笔者80年代中期曾在欧洲考察和设计经验认为钢网架 (壳)应当向更深层次发展。 (1) 加工工艺改革。由软件控制采用全自

25、动或半自动从下料加工制作校正检验分类包装的工艺生产线，提高钢网架(壳)杆件精度，避免安装积累误差。 (2) 网格划分的创新，将下弦层网格与上弦层网格斜交，使一些通风管道和功能性马道，或检修马道在网格上能自由布置，获得较好的通行功能。 (3) 钢管杆件的改进，在钢管杆件内设置加劲肋，减小大直径的钢管，加强钢网架(壳)杆件平面内外的稳定，使杆件均称美观。 (4) 螺栓球节点的改进：一是适应圆钢管和方钢管杆件的连接；二是防止螺栓松动的有效措施；三是适应单层钢网架(壳)刚接或半刚性连接需要。 45 5 结构温度应力与合拢温度的取值讨论 我国现行规范对温度应力采取“放”的原则，也就是设置温度伸缩缝，对建

26、筑结构无需进行温度应力的计算。 随着现代超高层、大跨度钢结构的发展，钢结构对温度十分敏感，要设置伸缩缝在技术难度上很大，构造措施成本高，可靠度较低。因为钢结构的导热系数大，钢构件在冷热循环作用下，截面受力较均匀，钢材的线膨胀系数与温差成线性关系这一特点，结构工程师对钢结构一般不再设伸缩缝，而是将温差作为一种可变荷载参与结构计算，现行“钢规”中温度应力的计算为： 式中： 钢材弹性模量(N/mm2)； 线膨胀系数(以每计)； 温差()。 根据上式可以算出温差越大，温度应力随之加大，反之减小。46 众所周知，温差的取值直接影响用钢指标，现在一些设计人员对温差的取值往往不够重视，当然有客观原因，要取得

27、拟建的钢结构所在地设计使用年限相同的以前年限和近百年的异常气象资料，有的资料不全，还要有偿服务，导致业主的麻烦和破费，难以取得完整准确的气象设计资料。有的设计人员即使有了气象资料，一般也是设定一个“保守温差”进行设计。 5.1 温差的取值 在一些施工图说明中温差取值往往用“25”或“35”这样不妥当的表述方法。首先有的钢结构拟建地区根本不可能出现“-25”或“-35”的气温；其二是钢结构在 -20的地区要做低温冲击韧性试验。如果钢结构施工图中标注“-35”的话，那就要做“-40”的低温冲击试验；其三设计图中选用的钢材如为Q345B，而温差取值为“-25”，选材不合理。相关规范对温差取值的建议：47 “钢桥梁规范”的规定是钢桥梁在设计使用年限内拟建地区同等年限极端最低温度和极端最高温度绝对值之和为设计温差。 “英国规范