谈门式刚架轻型钢结构设计

2012-08-15黄欣

山西建筑 2012年36期

关键词：详图美观施工图

黄欣

(山西省建筑科学研究院，山西太原 030001)

我国门式刚架轻型钢结构房屋的应用和研究起步较晚，但是随着经济的飞速发展，钢结构的发展空间将进一步扩大，如今技术已趋于成熟。作为设计人员，要坚持“适用、经济、美观”的方针，为我们的生活创造更好的生活环境。

1 结构设计基本原则

结构设计基本原则是结构的基础，准确把握结构设计基本原则是确保结构设计安全、合理和经济性的关键。

结构设计的目的是确定合理的结构形式和结构体系，使建筑物的结构系统既能满足使用功能、工艺要求，同时又具有足够的安全度，且具有良好的经济性。结构体系是建筑物的重要组成部分，建筑结构体系的设计与建筑设计都必须遵守技术政策和设计规范。1)适用性。结构体系的“适用”原则是针对结构体系的功能要求而言的，结构体系适用性与建筑物的适用功能有密切联系。建筑物是个综合体，其设计与施工是由多个专业共同完成的，结构专业仅为其中的一员，要满足“适用”原则，必然要联系其他多个专业。结构体系支承各专业的不同荷载，同时又与各专业的设备、设施、管线等相连。结构专业在民用建筑中应尽可能满足建筑要求，从某种意义上说，结构的初步设计与建筑的方案设计是同步进行的;在工业建筑中，则应同时满足工艺设计和建筑设计的双重要求;从本质上讲是为了满足使用要求。2)经济性。结构设计服务于结构的施工与使用，使用的目的是为了创造效益。公共建筑侧重于社会效益，工业建筑则侧重于经济效益。因此，“经济性”是结构设计的另一个重要方面。“经济性”原则应从总体上加以分析，不能仅从某一方面孤立地去考察。在很长一段时间内，钢结构设计以耗钢量为标准，即耗钢量低就是先进的设计、是好的结构体系或形式，这在钢材匮乏的年代，是节约钢材的一种重要手段，然而，总体而言，单纯以耗钢量为评价标准是不全面的，也不尽合理。对门式刚架轻型钢结构房屋，全面评价结构体系的合理性应综合考虑用钢量、加工制作费、安装费、施工周期及基础费用等。因此，结构设计时，必须对结构体系的经济性进行深入分析和全面的考察，只有综合效益最佳的方案或结构体系才是合理的。3)美观性。一般情况下，“美观”被认为是建筑设计师所关注的一个重要原则，实际不尽然，结构设计同样要遵循“美观”原则。对于钢结构设计，“美观”的原则可解读为设计时尽可能使结构杆件的布置和截面选择“和谐、对称”。在概念设计阶段尤其要注意“美观”的原则，钢结构的杆件一般比较纤细，整体结构具有坚实、轻盈和灵巧的特征，对于其中的一些构造杆件如按实际需要设计，则可能会比较细长，在结构充分发挥钢结构的特点，如构件的计算长度过大等，则会出现截面过于粗大、笨拙的情况，从而失去钢结构的一些优点。结构工程师往往不重视结构的美观问题，在结构体系布置与构件设计中仅从工程计算的角度出发，这种观点和做法是不全面的。“适用、经济、美观”是概念设计应遵循的基本原则，通过上述内容的阐述，为明确结构设计的主要目的和任务创造了条件。

2 结构设计

初步设计的任务是确定合理的结构方案;施工图设计包含结构作用效应分析、构件截面校核与节点、施工图绘制等工作;施工详图是构件加工制作的依据。

2.1 初步设计

在初步设计阶段，应确定结构体系的布置方案。虽然门式刚架的基本结构体系已确定，但由于刚架结构系平面结构体系，其空间布置有诸多技术问题需注意:首先是结构的平面布置，主要目的是选择合理经济跨度与柱距，跨度与柱距直接影响结构的经济性，在确定跨度与柱距时既要考虑刚架的单位面积用钢量，同时还应考虑辅助构件如檩条、墙梁的耗钢量。其次，在结构平面布置确定后，则必须确保结构的空间稳定性，结构的空间稳定性主要通过支撑和刚性系杆得以实现，确保空间稳定性的设计原则是使结构几何稳定、传力路径明确快捷。第三，选择合理的节点连接方式和构件截面形式，节点的连接形式直接影响施工周期的长短，截面形式的选择应考虑结构所在地区的材料供应情况与加工制造水平。

2.2 施工图设计

1)结构作用效应分析。结构作用效应分析的主要工作是确定结构构件的内力和变形。主要步骤为:根据概念设计确定的结构方案，结合构件的受力状态和节点构造特征，建立结构的力学计算模型进行结构与构件的作用效应分析。随着计算机的广泛应用和结构分析软件发展水平的不断提高，结构作用效应分析一般均采用电算程序。

2)构件截面校核和节点承载力验算。截面校核的任务是验算构件的承载力是否满足要求。钢结构构件的承载力，尤其是存在压应力的构件，通常由稳定性决定其承载力。构件截面校核包括强度、变形、整体稳定性与局部稳定性等方面的内容，合理的设计应尽可能提高构件的稳定性，充分发挥构件的承载能力，提高稳定性的关键是使构件具有适当的长细比，因此构件截面形式和自由支撑长度对构件的稳定性有直接的影响。

3)施工图绘制。施工图是构件制作、安装的技术资料和依据。一般来说，施工图包含图纸目录、结构设计说明、结构平面布置图、结构立面图、结构剖面图、节点详图等内容，在钢结构说明中，应注明建筑结构的设计使用年限、钢材牌号、连接材料的型号(或钢号)和对钢材所要求的力学性能、化学成分及其他的附加保证项目。此外，还应注明所要求的焊缝形式、焊缝质量等级、端面剖平顶紧部位及对施工的要求。

为便于施工详图的绘制，结构施工图中的主刚架剖面图中还应给出柱端反力和梁柱连接处的节点力。由于钢结构工程一般存在施工详图绘制阶段，因此对图面标示要求更高。结构图的设计应能给构件加工和安装提供所有的必要信息，结构设计人员必须要摒弃“图中未尽事宜在技术交底时解决”的陋习。