摘要：鋼結構是相對于鋼筋混凝土結構對比來說的，根據實際，在超高層建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面積比率越來越大，鋼筋混凝土在超高層建筑中的優越性受到很大質疑，隨著現代化的鋼結構材料以及建筑物的不斷誕生，鋼材的高強度越來越成為建筑選材的熱門，在超高層建筑中采用部分鋼結構或全鋼結構的理論研究與設計建造正在同步前進。本文就鋼材選材和鋼結構設計問題進行淺議，不足之處有待提高。

　　關鍵詞：鋼筋,設計,鋼結構,變形

　　一、鋼結構中鋼材的特性研究

　　1.鋼材變形和校正

　　鋼結構材料或構件由于受外力或內應力作用會引起拉伸、壓縮、彎曲、扭曲或其他復雜變形。矯正工作的對象就是鋼材的變形件。因此了解變形及其原因，以便采取合理的矯正方法。

　　(1)鋼材原材料變形

　　鋼材原材料變形是由鋼材內部殘余應力及存放、運輸、吊運等不當引起的。原材料殘余應力引起的變形，產生于鋼鐵廠軋制鋼材的過程中。當鋼鐵廠用坯料經熱軋或冷軋方式在軋輥中沿鋼材長度方向軋制時，軋輥的彎曲、間隙調整不一致等原因，會導致鋼材在寬度方向壓縮不均勻而形成鋼材內部產生殘余應力而引起變形;鋼材因為存放不當引起變形，是由于使用原材料大部分較長、較大，且量多，鋼材堆放時鋼材的自重會引起鋼材的彎曲、扭曲等變形。特別是長期堆放、地基的不平或鋼材下面墊塊墊得不平會引起鋼材產生塑性變形。對開長期露天堆放，引起銹蝕嚴重的鋼材不宜進行矯正;運輸、吊運不當引起變形，鋼材在運輸或吊運過程中，安放不當或吊點、起重工夾具選擇不合理會引起變形。

　　(2)成型加工后變形

　　鋼材在成型加工過程中工藝和操作方法等選擇不當，極易引起成型件變形。主要有剪切變形，特別是剪切狹長鋼板，由于一般采用斜口剪剪切，會引起鋼板彎曲、扭曲等變形。采用圓盤剪剪切會引起鋼板扭曲等復雜變形。另外沖切模具如設計不當也會使沖切后的鋼材產生變形;氣割變形，目前我國鋼材氣割大多采用氧—乙炔，在氣割過程中，當鋼材被氧氣和乙炔氣產生的混合預熱火焰預熱至高溫時，立即被高純度的氧氣流噴射，使鋼燃燒產生大量的化學熱而形成液態渣及少量溶化了的鐵，被高速氧氣流吹走，從而形成切口。氣割時切口處形成高溫，氣割后逐漸冷卻，由于金屬熱脹冷縮特性，在氣割時切口邊朝外彎曲，冷卻后由于內應力作用切口邊向里彎曲;這種情況在氣割狹長鋼板時若只一邊有割縫時變形尤為嚴重;彎曲加工后變形，對鋼材彎曲加工成一定幾何形狀時，一般采用冷加工或熱加工的方法，并對鋼材施加外力使其產生永久性變形。冷加工時外力作用過大或過小，熱加工時由于鋼材內部產生的熱應力作用，而使鋼材未能達到所需弧度或角度等幾何狀所要求的范圍時，即變形過大或過小這即產生鋼材彎曲加工后的變形。

　　(3)焊接變形

　　鋼材焊接是一種不均勻的加熱過程，焊接通過的電弧或火焰熱源的高溫移動進行。焊接時鋼材受熱部分膨脹，而周圍不受熱部分在常溫下并不膨脹，相當于剛性固定，它將迫使受熱部分膨脹受阻而產生壓縮塑性變形，冷卻后焊縫及其附近、鋼材因收縮而造成焊件產生應力變形。焊接變形因焊接接頭形式、材料厚薄、焊縫長短、構件形狀、焊縫位置、焊接時電流大小、焊縫焊接順序等原因會產生不同形式的變形。焊接變形一般可分：整體變形和局部變形。焊接和焊縫附近鋼材收縮主要表現在縱向和橫向收縮二方面，因而形成了焊件的壓縮、彎曲、角變形等多種形式。

　　2.鋼材的變形校正

　　矯正的主要形式有矯直、矯平及矯形矯直。矯正是利用鋼材的塑性、熱脹冷縮的特性，以外力或內應力作用迫使鋼材反變形，消除鋼材的彎曲、翹曲、凹凸不平等缺陷。矯正按加工工序分有原材料矯正、成型矯正、焊后矯正等。

　　(1)火焰矯正

　　鋼材的火焰矯正是利用火焰對鋼材進行局部加熱，被加熱處理的金屬由于膨脹受阻而產生壓縮塑性變形，使較長的金屬纖維冷卻后縮短而完成的。影響火焰矯正效果的因素有三個：火焰加熱位置、加熱的形式和加熱的熱量。火焰加熱的位置應選擇在金屬纖維較長的部位。加熱的形式有點狀加熱、線狀加熱和三角形加熱三種。用不同的火焰熱量加熱，可獲得不同的矯正變形的能力。低碳鋼和普通低合金結構鋼構件用火焰矯正時，常采用600~800 °C的加熱溫度。

　　(2)機械矯正

　　鋼材的機械矯正是在專用矯正機上進行的。機械矯正的實質是使彎曲的鋼材在外力作用下產生過量的塑性變形，以達到平直的目的。它的優點是作用力大、勞動強度小、效率高。鋼材的機械矯正有拉伸機矯正、壓力機矯正、多輥矯正機矯正等。

　　(3)手工矯正

　　手工矯正是采用錘擊或小型工具進行矯正的方法，其操作簡單靈活，但矯正力較小僅適用于矯正尺寸較小的鋼材，有時在缺乏或不便使用矯正設備時也采用。

　　二、如何判斷構件是否適合用鋼結構

　　1.構件判斷

　　鋼結構是由鋼板、型鋼拼合連接成基本構件，如梁、柱、桁架等，運到現場后通過安裝連接成整體結構。 鋼結構通常有框架、平面(木行)架、網架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。

　　在鋼結構施工中，連接占有很重要的地位無論是工廠加工，還是現場安裝，都會遇到連接問題。鋼結構的連接通常有焊接、螺栓連接及鉚釘連接。前兩種應用廣泛，鉚釘連接費鋼費工，現在已很少使用，但其韌性和塑性較好，傳力可靠，因此在一些重型結構或承受動力荷載作用的結構中有時仍會采用。

　　2結構選型與結構設計

　　(1)機構選型

　　結構選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網架。基本雪壓大的地區，屋面曲線應有利于積雪滑落。

　　結構的布置要根據體系特征，荷載分布情況及性質等綜合考慮。一般的說要剛度均勻。力學模型清晰。盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎。

　　柱間抗側支撐的分布應均勻。其形心要盡量靠近側向力(風震)的作用線。否則應考慮結構的扭轉，結構的抗側應有多道防線。比如有支撐框架結構，柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力框架結構的樓層平面次梁的布置，有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也有時會吃不消，此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

　　(2)結構設計

　　在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是“概念設計”，它在結構選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規范未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。

　　運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。

　　三、預估截面與構件相關設計

　　1.預估截面

　　結構布置結束后，需對構件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩定的復雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規范中局部穩定的構造規定預估。柱截面按長細比預估。通常50<λ<150，簡單選擇值在100附近。根據軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。除此之外構件截面形式的選擇沒有固定的要求，結構工程師應該根據構件的受力情況，合理的選擇安全經濟美觀的截面。

　　2.構件設計

　　構件的設計首先是材料的選擇，比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn)。通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。經濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。當強度起控制作用時，可選擇Q345;穩定控制時，宜使用Q235，構件設計中，現行規范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這和結構內力計算的彈性方法并不匹配。

　　當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構件，從給定的截面庫里選擇加大一級。并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。

　　3.節點設計

　　連接節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一。在結構分析前，就應該對節點的形式有充分思考與確定。常常出現的一種情況是，最終設計的節點與結構分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免。按傳力特性不同，節點分剛接，鉸接和半剛接。初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。常用的參考書有豐富的推薦的節點做法及計算公式。連接的不同對結構影響甚大。比如，有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題，但會產生較大轉動，不符合結構分析中的假定。所以在具體設計中要考慮幾種節點手段:

　　(1) 焊接:由于焊縫連接受材料、操作影響很大，施工后應進行認真的質量檢查。鋼結構焊縫質量檢查分為三級，檢查項目包括外觀檢查、超聲波探傷以及X射線探傷等。

　　所有焊縫均應進行外觀檢查，檢查其幾何尺寸和外觀缺陷。焊縫感觀應達到：外形均勻、成型較好，焊道與焊道、焊道與基本金屬間過渡較平滑，焊渣和飛濺物基本清除干凈。焊縫表面不得有裂紋，焊瘤等缺陷.一級、二級焊縫不得有表面氣孔、夾渣，弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。且一級焊縫不得有咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷。

　　(2)栓接:螺栓作為鋼結構連接緊固件，通常用于構件間的連接、固定、定位等。鋼結構中的連接螺栓一般分普通螺栓和高強度螺栓兩種。普通螺栓或高強度螺栓而不施加緊固力，該連接即為普通螺栓連接;高強度螺栓并對螺栓施加緊固力，該連接稱高強度螺栓連接

　　(3)連接板:可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm。然后驗算凈截面抗剪等。

　　(4)梁腹板:應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。

　　節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。

　　節點設計還應考慮制造廠的工藝水平。

　　四、鋼結構設計下的圖紙編制

　　圖紙主要包括設計圖和施工詳圖兩種，設計圖，是提供制造廠編制施工詳圖的依據。深度及內容應完整但不冗余，在設計圖中，對于設計依據、荷載資料(包括地震作用)、技術數據、材料選用及材質要求、設計要求(包括制造和安裝、焊縫質量檢驗的等級、涂裝及運輸等)、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節點構造等均應表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現設計的意圖。主要材料應列表表示。施工詳圖，又稱加工圖或放樣圖等。深度須能滿足車間直接制造加工。不完全相同的另構件單元須單獨繪制表達，并應附有詳盡的材料表，設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設計單位之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。

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　　本文選自《 化工管理》。  《化工管理》雜志是由中國石油和化學工業協會主管，中國化工企業管理協會主辦的國內外公開發行的國家級管理類期刊。雜志立足化工企業，面向管理人員，傳播企業管理知識，介紹實用管理方法，解讀熱點焦點問題，提升經理人的工作與生活質量。雜志辦刊思路明確，內容權威實用，行業影響力大，被廣大讀者譽為“化工職業經理人的商學院”。