摘 要：隨著社會的發展與進步，我們越來越重視房屋鋼結構設計，鋼結構設計對於現實生活具有重要的意義。本文主要介紹大跨度房屋鋼結構設計的有關內容。
關鍵詞：
引言
與其他材料的結構相比,鋼結構具有材料強度高、結構重量輕;結構的塑性韌性較好;鋼結構的製造簡單施工週期短等優點。我們在進行鋼結構設計時,應當從工程實際出發,合理選用鋼材,選擇高強度、具有較好經濟指標的鋼材;在結構方案選擇上,應儘可能採用標準化、模數化的結構佈置;在連線設計中,應選用構造簡單、傳力直接的節點形式,並應滿足構造要求;另外,在鋼結構設計中,還應保證鋼結構在加工、運輸、安裝和使用過程中的強度、剛度和穩定性要求,並應針對鋼結構的實際,滿足防火、防腐的要求。宜優先選用通用的和標準化的結構和構件,減少製作、安裝工作量。
1、存在的問題
門式剛架輕型房屋結構用於大跨度的單層工業廠房，其優越性越來越被業主接受，跨度也越做越大，30米以上跨度已屢見不鮮。然而由於鋼材市場的價格波動，鋼柱的用鋼量大於鋼樑的用鋼樑，加上防火塗料價格的昂貴，不少業主提出採用傳統的鋼筋混凝土柱，H鋼樑的結構形式，實際上，這已給設計人員提出了一種新的結構體系，由於目前現有的國家規範、規程沒有針對這種結構進行專門的規定，譬如受力分析、變形限值等等，加上一些設計人員將其與門式剛架結構混淆，從而使設計匯入誤區，留下安全隱患，造成了較嚴重的後果，諸如鋼粱撓度大大超過限值要求，甚至脫落砸傷人，因此有必要對這種結構體系有一個明確的描述，對它的受力特點有一個明確的認識，才能使設計做到合理，防患於未然
2、結構體系的描述
上述的結構形式如果鋼筋混凝土柱頂與H人字形銅梁剛接，仍可定性為門式剛架體系，參照門式剛架的受力特點進行計算和設計。然而由於其柱頂與鋼樑的結合上由兩種完全不同的材料組成，其傳力是否可靠，至關重要，鋼樑為彈性材料，鋼筋混凝土柱為彈塑性材料，鋼筋混凝土柱頂混凝土節點區作為剛性節點，受力十分複雜，因此柱項節點的構造也較為複雜，這就給設計和施工造成了一定的難度，也增加了造價。實際上該類節點要做到完全剛性節點，也難以做到，設計時仍應適當提高鋼樑跨中的彎矩係數。上述的結構形式，如果鋼筋混凝土柱項與H人字形剛梁鉸接，則不能定性為門式剛架體系，從其受力特點來分析，對H鋼人字形鋼樑應定性為兩鉸折線拱，應按照拱的受力特點進行計算和設計，拱腳提供的反力應能阻止拱的位移變形，在小跨度的情況下(一般為跨度18米及18米以下)，拱腳提供的反力取決於鋼筋混凝土柱的抗推力(側位移剛度)，在大跨度的情況下(一般為跨度18米以上)，則應設定拉桿或在梁、柱間採用剛接節點。對鋼筋混凝土柱而言，應定性為跨變結構排架柱，按跨變排架進行受力分析和設計。
上述結構形式，如果H人字形鋼樑接近於平拱或做成平拱，鋼筋混凝土柱項仍與鋼樑鉸接，則結構體系演變為排架結構體系(無跨變排架)，可按排架進行受力分析和設計．
3、結構計算應考慮的問題
對於上述的雙鉸折線拱H鋼屋樑和跨變鋼筋混凝土排架柱的結構體系，若未設定拉桿，其計算較為繁瑣，如果未予以認真對待或認識不清，僅採用通常平面杆系計算軟體電算了事，不管其跨度多大都一樣，則是一種不負責任的做法，也給結構留下安全隱患。實際上，目前通用的平面杆系計算軟體是基於兩個基本假設的基礎上進行受力分析的，其一是平截面假設，即結構受力後杆件的截面保持不變，其二是杆件與杆件之間的夾角不變，即結構受力後梁，柱之間或折梁之間的夾角不變。這種假設對門式剛架而言，是符合其計算簡圖的，但這種假設對本文所針對的結構則不適用，也不符合實際受力的計算簡圖，首先人字型鋼樑由於拱腳推力較大(跨度越大，推力就越大)，如果拱腳不設定拉桿或柱的抗推力(側向剛度)不足，將產生較大水平位移，勢必造成鋼樑屋脊處夾角的改變，即杆件與杆件之間夾角的改變，不符合計算軟體的基本假設，其次由於拱腳水平位移的加大，給鋼筋混凝土柱增加了附加彎矩，即存在二階效應問題，而軟體計算又未考慮二階效應，再者由於懸索效應，屋面鋼樑內力將急劇增加，柱項的剪力也急劇增加．反過來又造成更不利的情況，這些都是目前計算軟體沒有考慮和解決的問題，因此電算的結果將產生較大的誤差，直接用電算結果進行設計顯然是不合理和錯誤的，勢必留下安全隱患，要解決這個問題，首先應解決好計算問題。
4、大跨度房屋鋼結構的設計要點
大跨度房屋主要按照荷載型別進行設計,其荷載主要分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載。對於永久荷載,應採用標準值作為代表值。對於可變荷載,應根據設計要求採用標準值、組合值、頻遇值或準永久值作為代表值。對於偶然荷載,應按照建築結構使用的特點確定其代表值。
4.1 永久荷載
對大跨度房屋結構,永久荷載主要包括屋蓋結構自重和屋面覆蓋材料自重。屋蓋結構的自重計算可採用經驗公式或由計算機自動完成,在有擦體系中,還應計入擦條的自重。屋面覆蓋材料自重主要是指屋面板、屋面保溫層、找坡層及防水層等的自重。若有吊頂等裝修構造或裝置管道,按實際情況採用。
4.2 可變荷載
作用在大跨度房屋鋼結構上的可變荷載有以下幾種。
(1)屋面活荷載。屋面均布活荷載一般按屋面的水平投影面計算。對於大跨度房屋鋼結構,不上人屋面,屋面均布活荷載標準值採用0.5kN/m2,但當施工或維修荷載較大時,應按實際情況採用,或在施工中採取特殊措施;上人屋面,屋面均布活荷載標準值採用2.0kN/m2。
(2)雪荷載。屋面雪荷載的大小主要與屋面的幾何形狀、朝向和風向等有關。大多數情況下,屋面雪荷載小於荃本雪壓。這是因為雪可從坡度較大的曲面屋頂滑落,風可將鬆散的雪從平屋頂刮下,有時雪還可能被屋頂外皮的散熱所融化。然而,有時也會產生積雪,如雙坡屋面的背風一側、雙跨或多跨曲面屋頂的交接處等。此時必須考慮採用較大的雪荷載。
(3)風荷載當空氣的流動受到建築物的阻礙,就會在建築物表面的法向形成壓力或吸力,這些壓力或吸力稱為建築物所受的風荷載。風荷載具有靜力和動力作用的雙重特點,其靜力部分稱為平均風或穩定風,動力部分稱為脈動風。平均風對結構的作用可用靜力學的方法求得;脈動風對結構的作用應採用動力學的隨機振動理論求得。
(4)溫度作用。
跨度房屋鋼結構在因溫度變化而出現溫差時,由於杆件不能自由變形,會在杆件中產生應力,即溫度應力。溫差的大小與結構合攏時的溫度與當地年最高或最低氣溫相關,在設計中應考慮。關於溫度應力的計算原則按空問結構的相關規程執行。
(5)支座位移。大跨度房屋鋼結構由於位移的不均勻沉降而引起結構杆件內附加應力。
4.3 偶然荷載
在大跨度房屋鋼結構分析中,偶然荷載主要是指地震作用。地震作用是建築物因地面運動而產生的一種慣性作用,屬於動力作用。它的大小既與結構的固有振動特性有關,又與地面運動的特性有關。地震作用與風荷載的區別在於:① 地震作用完全屬於動力作用,而風荷載具有靜力和動力作用的雙重特點。②地震作用與建築物的重量直接相關,重量越大,地震作用也越大;而風荷載主要與體型(或流形)和開洞情況關係較大。③建築物的自振週期越長,對承受地震作用越有利,而對承受風荷載卻是很不利的。地震作用包括水平地震作用和豎向地震作用兩類。一般情況下,應在結構兩個主軸方向分別考慮水平地震作用,對於8度和9度區,還應計算大跨度房屋鋼結構的豎向地震的作用。大跨度房屋鋼結構的地震作用一般可採用振型分解反應譜法計算;對於某些規則的網架和網殼結構還可採用簡化計算方法;對特別重要或體型特別複雜的空間結構,應採用時程分析法進行補充計算。
結束語
鋼結構雖然相對簡單，但設計中仍有很多需要注意的問題，只有熟練地掌握規範，並具有良好的結構概念，才能設計出既安全又經濟適用的優秀作品。
摘 要：隨著社會的發展與進步，我們越來越重視房屋鋼結構設計，鋼結構設計對於現實生活具有重要的意義。本文主要介紹大跨度房屋鋼結構設計的有關內容。
關鍵詞：
引言
與其他材料的結構相比,鋼結構具有材料強度高、結構重量輕;結構的塑性韌性較好;鋼結構的製造簡單施工週期短等優點。我們在進行鋼結構設計時,應當從工程實際出發,合理選用鋼材,選擇高強度、具有較好經濟指標的鋼材;在結構方案選擇上,應儘可能採用標準化、模數化的結構佈置;在連線設計中,應選用構造簡單、傳力直接的節點形式,並應滿足構造要求;另外,在鋼結構設計中,還應保證鋼結構在加工、運輸、安裝和使用過程中的強度、剛度和穩定性要求,並應針對鋼結構的實際,滿足防火、防腐的要求。宜優先選用通用的和標準化的結構和構件,減少製作、安裝工作量。
1、存在的問題
門式剛架輕型房屋結構用於大跨度的單層工業廠房，其優越性越來越被業主接受，跨度也越做越大，30米以上跨度已屢見不鮮。然而由於鋼材市場的價格波動，鋼柱的用鋼量大於鋼樑的用鋼樑，加上防火塗料價格的昂貴，不少業主提出採用傳統的鋼筋混凝土柱，H鋼樑的結構形式，實際上，這已給設計人員提出了一種新的結構體系，由於目前現有的國家規範、規程沒有針對這種結構進行專門的規定，譬如受力分析、變形限值等等，加上一些設計人員將其與門式剛架結構混淆，從而使設計匯入誤區，留下安全隱患，造成了較嚴重的後果，諸如鋼粱撓度大大超過限值要求，甚至脫落砸傷人，因此有必要對這種結構體系有一個明確的描述，對它的受力特點有一個明確的認識，才能使設計做到合理，防患於未然
2、結構體系的描述
上述的結構形式如果鋼筋混凝土柱頂與H人字形銅梁剛接，仍可定性為門式剛架體系，參照門式剛架的受力特點進行計算和設計。然而由於其柱頂與鋼樑的結合上由兩種完全不同的材料組成，其傳力是否可靠，至關重要，鋼樑為彈性材料，鋼筋混凝土柱為彈塑性材料，鋼筋混凝土柱頂混凝土節點區作為剛性節點，受力十分複雜，因此柱項節點的構造也較為複雜，這就給設計和施工造成了一定的難度，也增加了造價。實際上該類節點要做到完全剛性節點，也難以做到，設計時仍應適當提高鋼樑跨中的彎矩係數。上述的結構形式，如果鋼筋混凝土柱項與H人字形剛梁鉸接，則不能定性為門式剛架體系，從其受力特點來分析，對H鋼人字形鋼樑應定性為兩鉸折線拱，應按照拱的受力特點進行計算和設計，拱腳提供的反力應能阻止拱的位移變形，在小跨度的情況下(一般為跨度18米及18米以下)，拱腳提供的反力取決於鋼筋混凝土柱的抗推力(側位移剛度)，在大跨度的情況下(一般為跨度18米以上)，則應設定拉桿或在梁、柱間採用剛接節點。對鋼筋混凝土柱而言，應定性為跨變結構排架柱，按跨變排架進行受力分析和設計。
上述結構形式，如果H人字形鋼樑接近於平拱或做成平拱，鋼筋混凝土柱項仍與鋼樑鉸接，則結構體系演變為排架結構體系(無跨變排架)，可按排架進行受力分析和設計．
3、結構計算應考慮的問題
對於上述的雙鉸折線拱H鋼屋樑和跨變鋼筋混凝土排架柱的結構體系，若未設定拉桿，其計算較為繁瑣，如果未予以認真對待或認識不清，僅採用通常平面杆系計算軟體電算了事，不管其跨度多大都一樣，則是一種不負責任的做法，也給結構留下安全隱患。實際上，目前通用的平面杆系計算軟體是基於兩個基本假設的基礎上進行受力分析的，其一是平截面假設，即結構受力後杆件的截面保持不變，其二是杆件與杆件之間的夾角不變，即結構受力後梁，柱之間或折梁之間的夾角不變。這種假設對門式剛架而言，是符合其計算簡圖的，但這種假設對本文所針對的結構則不適用，也不符合實際受力的計算簡圖，首先人字型鋼樑由於拱腳推力較大(跨度越大，推力就越大)，如果拱腳不設定拉桿或柱的抗推力(側向剛度)不足，將產生較大水平位移，勢必造成鋼樑屋脊處夾角的改變，即杆件與杆件之間夾角的改變，不符合計算軟體的基本假設，其次由於拱腳水平位移的加大，給鋼筋混凝土柱增加了附加彎矩，即存在二階效應問題，而軟體計算又未考慮二階效應，再者由於懸索效應，屋面鋼樑內力將急劇增加，柱項的剪力也急劇增加．反過來又造成更不利的情況，這些都是目前計算軟體沒有考慮和解決的問題，因此電算的結果將產生較大的誤差，直接用電算結果進行設計顯然是不合理和錯誤的，勢必留下安全隱患，要解決這個問題，首先應解決好計算問題。
4、大跨度房屋鋼結構的設計要點
大跨度房屋主要按照荷載型別進行設計,其荷載主要分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載。對於永久荷載,應採用標準值作為代表值。對於可變荷載,應根據設計要求採用標準值、組合值、頻遇值或準永久值作為代表值。對於偶然荷載,應按照建築結構使用的特點確定其代表值。
4.1 永久荷載
對大跨度房屋結構,永久荷載主要包括屋蓋結構自重和屋面覆蓋材料自重。屋蓋結構的自重計算可採用經驗公式或由計算機自動完成,在有擦體系中,還應計入擦條的自重。屋面覆蓋材料自重主要是指屋面板、屋面保溫層、找坡層及防水層等的自重。若有吊頂等裝修構造或裝置管道,按實際情況採用。
4.2 可變荷載
作用在大跨度房屋鋼結構上的可變荷載有以下幾種。
(1)屋面活荷載。屋面均布活荷載一般按屋面的水平投影面計算。對於大跨度房屋鋼結構,不上人屋面,屋面均布活荷載標準值採用0.5kN/m2,但當施工或維修荷載較大時,應按實際情況採用,或在施工中採取特殊措施;上人屋面,屋面均布活荷載標準值採用2.0kN/m2。
(2)雪荷載。屋面雪荷載的大小主要與屋面的幾何形狀、朝向和風向等有關。大多數情況下,屋面雪荷載小於荃本雪壓。這是因為雪可從坡度較大的曲面屋頂滑落,風可將鬆散的雪從平屋頂刮下,有時雪還可能被屋頂外皮的散熱所融化。然而,有時也會產生積雪,如雙坡屋面的背風一側、雙跨或多跨曲面屋頂的交接處等。此時必須考慮採用較大的雪荷載。
(3)風荷載當空氣的流動受到建築物的阻礙,就會在建築物表面的法向形成壓力或吸力,這些壓力或吸力稱為建築物所受的風荷載。風荷載具有靜力和動力作用的雙重特點,其靜力部分稱為平均風或穩定風,動力部分稱為脈動風。平均風對結構的作用可用靜力學的方法求得;脈動風對結構的作用應採用動力學的隨機振動理論求得。
(4)溫度作用。
跨度房屋鋼結構在因溫度變化而出現溫差時,由於杆件不能自由變形,會在杆件中產生應力,即溫度應力。溫差的大小與結構合攏時的溫度與當地年最高或最低氣溫相關,在設計中應考慮。關於溫度應力的計算原則按空問結構的相關規程執行。
(5)支座位移。大跨度房屋鋼結構由於位移的不均勻沉降而引起結構杆件內附加應力。
4.3 偶然荷載
在大跨度房屋鋼結構分析中,偶然荷載主要是指地震作用。地震作用是建築物因地面運動而產生的一種慣性作用,屬於動力作用。它的大小既與結構的固有振動特性有關,又與地面運動的特性有關。地震作用與風荷載的區別在於:① 地震作用完全屬於動力作用,而風荷載具有靜力和動力作用的雙重特點。②地震作用與建築物的重量直接相關,重量越大,地震作用也越大;而風荷載主要與體型(或流形)和開洞情況關係較大。③建築物的自振週期越長,對承受地震作用越有利,而對承受風荷載卻是很不利的。地震作用包括水平地震作用和豎向地震作用兩類。一般情況下,應在結構兩個主軸方向分別考慮水平地震作用,對於8度和9度區,還應計算大跨度房屋鋼結構的豎向地震的作用。大跨度房屋鋼結構的地震作用一般可採用振型分解反應譜法計算;對於某些規則的網架和網殼結構還可採用簡化計算方法;對特別重要或體型特別複雜的空間結構,應採用時程分析法進行補充計算。
結束語
鋼結構雖然相對簡單，但設計中仍有很多需要注意的問題，只有熟練地掌握規範，並具有良好的結構概念，才能設計出既安全又經濟適用的優秀作品。