文/鐘崢、汪琦俊、陸夏曄、張賈申 中國聯(lián)合工程有限公司 浙江杭州 310052
目前,我國的建筑行業(yè)已經(jīng)開始廣泛使用鋼結(jié)構(gòu)作為主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工,然而很多施工中忽視了對建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計,導(dǎo)致了鋼材獨特的延展性和剛性無法得到有效保證。我們需要通過鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計來保證鋼結(jié)構(gòu)其本身的延展性和剛性,讓其能夠在建筑物中發(fā)揮獨特的塑性變形能力。設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)工程的實際情況,對建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效分類和科學(xué)設(shè)計,從而保證建筑工程施工的質(zhì)量。
我國目前鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方式主要為門式鋼架、網(wǎng)架等,在石棉瓦與輕型屋面和三角形屋架中也有著廣泛的應(yīng)用。從這些應(yīng)用中我們可以看出鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢已經(jīng)得到了我國建筑行業(yè)的普遍認(rèn)可,在未來,科技人員和設(shè)計人員將會不斷發(fā)掘鋼結(jié)構(gòu)在建筑應(yīng)用的更多形式,鋼結(jié)構(gòu)將會有更加廣闊的發(fā)展前景,并為建筑行業(yè)的不斷發(fā)展起到推進(jìn)作用。
剛性結(jié)構(gòu)即是指從建筑物的結(jié)構(gòu)出發(fā),將建筑物的整體性和連續(xù)性在連接結(jié)構(gòu)處構(gòu)造出來,使之能夠符合建筑構(gòu)造的力學(xué)特征的結(jié)構(gòu)設(shè)計。一般情況下腹板采用雙角鋼連接,上下翼緣通過連接板或者螺栓與構(gòu)件相連,當(dāng)在翼緣鋪蓋鋼格柵時,需要對翼緣采取現(xiàn)場坡口焊接處理。對于載荷較小的梁柱,在剛性連接時可采用端板連接,輕型的門式鋼架中的剛性結(jié)構(gòu)通常采用這種連接方式,讓翼緣與腹板與端板連接,然后通過螺栓將端板與柱連接。端板連接的方式重要注意端板自身的材料性能,必須有足夠的剛度來抵抗梁產(chǎn)生的彎矩,端板的厚度足夠時則視為剛性連接,端板的厚度不足時則視為半剛性連接。同時注意焊縫的處理方式,根據(jù)外載荷的大小和梁翼緣板的厚度來選擇角焊縫或者全熔透坡口焊[1]。
鉸接結(jié)構(gòu)通常采用雙角鋼、端板、單剪板與雙剪板作為連接件,在鋼結(jié)構(gòu)中一般作為連接主梁和次梁的連接結(jié)構(gòu)使用,也可以應(yīng)用在斜梁的結(jié)構(gòu)拼接之中。將雙角鋼分別焊接在次梁腹板的兩側(cè),同時將雙角鋼與主梁通過螺栓連接,從而完成主梁與次梁之間的連接。焊縫應(yīng)該采用三面圍焊設(shè)計,能夠全面提升構(gòu)件的承載能力。在應(yīng)對外荷載較小情況是,端板只需達(dá)到一定剛度,能同時承受剪力和軸力即可。單剪板連接對于輕型次梁而言十分簡單方便,一般采用三面圍焊與主梁相連,用螺栓與次梁相連,此時螺栓將承受較大的偏心荷載影響。在螺栓不足以于外荷載過大的剪力相抵抗時,應(yīng)該對鉸接結(jié)構(gòu)采用雙剪板的設(shè)計形式。單雙剪板連接方式更主要應(yīng)用與主梁無法對螺栓進(jìn)行緊固的工程之中[2]。
梁與柱之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點主要在于其承受力的要求和抗震性能的設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)的柱在設(shè)計上一般都是貫通型的,要充分考慮承受力的設(shè)計,所以要求框架在于梁柱連接時采用剛性連接的設(shè)計,翼緣應(yīng)該能對整體帶來較高的受彎承受力,這種承受力的設(shè)計應(yīng)該高于梁整體塑形受彎力的1.5倍,腹板應(yīng)該有一定的受剪承受力,腹板的受剪承受力應(yīng)該高于梁兩端對其施加的力的1.4倍;連接結(jié)構(gòu)在設(shè)計時要充分考慮到抗震性能,加強(qiáng)柱與梁翼緣連接處的加勁肋設(shè)計,以及對腹板角處采用扇形切角設(shè)計,用全熔透的焊縫技術(shù)來減少焊接縫的出現(xiàn),抗震設(shè)計時應(yīng)該考慮到梁的全截面塑性模量,一旦其高于翼緣的百分之79時,腹板與柱的連接系數(shù)要大于其連接系數(shù),并采用兩端排列的方式進(jìn)行連接。
次梁與主梁連接點設(shè)計時有兩種設(shè)計方案:一是將結(jié)構(gòu)設(shè)計為鉸接結(jié)構(gòu);二是設(shè)計為剛接結(jié)構(gòu)。鉸接結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡單,制作方便,安裝簡易等優(yōu)勢,所以一般在實際工程中采取鉸接的設(shè)計。剛結(jié)可以將次梁成為連續(xù)梁,可以起到減少材料損耗,次梁撓度的作用。次梁與主梁連接時應(yīng)該采取鉸接連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計,按照次梁的剪力設(shè)計,同時考慮到連接偏心力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加彎矩,可以不用考慮主梁的扭矩??拐鹪O(shè)計時,要從構(gòu)件橫梁的側(cè)向屈服力出發(fā)設(shè)計,在橫梁的翼緣結(jié)構(gòu)塑生區(qū)設(shè)置側(cè)向支撐構(gòu)件。由于梁的翼緣是與樓板連接在一起的,所以主梁也會受到樓板以及翼緣的建立,要在下方填充支隔物,讓支隔可以起到同時支撐兩根橫梁的作用。
3.3.1 埋入式柱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
埋入式的柱腳即是指將鋼結(jié)構(gòu)的柱按照相應(yīng)要求固定在鋼筋混凝土中,然后進(jìn)行混凝土澆灌處理,從而形成剛性固定的基礎(chǔ)。設(shè)計時我們假定柱的軸心壓力由埋入基礎(chǔ)下的柱腳底板產(chǎn)生并直接傳遞給混凝土基礎(chǔ)和基礎(chǔ)梁;彎矩由翼緣上的螺栓直接傳遞給鋼筋混凝土基礎(chǔ)或由柱翼緣傳遞給混凝土;柱底部的水平剪力由埋入混凝土的鋼柱的翼緣與基礎(chǔ)梁的承壓力來傳遞;不考慮其埋入柱腳與土壤和混凝土的摩擦力和粘結(jié)力。通過這些力的分析作為設(shè)計的主體指導(dǎo)思想,來進(jìn)行柱腳結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
3.3.2 外包式柱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
外包式柱腳是由鋼筋混凝土將柱腳抱起來的柱腳設(shè)計。其中要充分考慮鋼筋混凝土的包腳高度,截面尺寸和箍筋配置,他們對于柱腳內(nèi)力的傳遞和恢復(fù)特性起到了重要的作用。在設(shè)計時,一般對期內(nèi)力的傳遞做以下假定:軸力壓力由鋼柱柱腳地板直接傳遞給鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ);彎矩由翼緣抗剪螺栓先傳遞到鋼筋混凝土外部,再由外部結(jié)構(gòu)傳遞到基礎(chǔ)與梁中;水平剪力在傳遞過程中,由底板和混凝土之間的摩擦先抵消一部分,再由包腳的混凝土和箍筋配置共同承擔(dān)。
鋼結(jié)構(gòu)目前在建筑行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用,它與其他結(jié)構(gòu)相比,擁有著高剛性、高穩(wěn)定性以及高性價比等獨特優(yōu)勢。本文從建筑物鋼結(jié)構(gòu)的總體概要出發(fā),建筑物鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類和鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點進(jìn)行了深入的論述,詳盡的說明了鋼結(jié)構(gòu)剛性結(jié)構(gòu)和鉸結(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性和適用情況,同時對梁與柱、次梁與主梁、柱腳三種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行了設(shè)計要點上的明晰,希望能夠讓鋼結(jié)構(gòu)能夠更好的為建筑施工服務(wù),推進(jìn)建筑行業(yè)的發(fā)展歷程。