工业建筑钢结构设计浅议
[关键词]工业建筑，钢结构，节点设计，钢结构方案，施工图绘制
[前言]
随着我国经济的快速发展，很多工业建筑要求跨度更大，施工周期更短，并且随着我国的经济由粗放型经济向节能减排低碳环保的集约型经济的转变，对于工程建筑材料的消耗要求更低，使得传统的钢筋混凝土结构在很多时候无法满足投资方的要求。
钢结构虽然在多次进行防腐和防火的维护以及钢结构自身的稳定性保证方面存在局限性，使得很多时候钢结构上部结构本身的造价比混凝土结构要高。但是钢结构在大跨度和施工周期方面的确较混凝土结构有很大的优势，而且钢材本身的强度较钢筋混凝土更高，同等强度的钢构件较混凝土构件更轻，使得钢结构的基础较混凝土结构更小，总体投资较混凝土结构相差不多（轻钢结构投资较混凝土结构还要低一些）。因此钢结构被更广泛的应用于工业建筑的设计和施工中，取得了很好的经济效益。
笔者所在的设计院长年从事工业建筑的设计工作，接触了大量的钢结构厂房的设计工作。我们认为，在钢结构设计的整个过程中首先应该被强调的重点是钢结构方案的确定，结构方案的选择是否合理直接决定了工程设计的成败；其次就是节点的设计，节点设计是否合理基本上决定了钢结构的安全性；最后就是施工图的绘制，钢结构本身安装精度高决定了钢结构施工图绘制是一个很繁琐的过程，完全依赖电脑成图无法满足构件的下料和安装要求。
下面我们就从这三个方面为切入点对钢结构的设计提出一些个人看法。
钢结构方案的选择及截面估算：
结构选型、结构布置与结构分析在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念没计可以在早期迅速有效地进行构思、比较与选择。同时，它也是判断计算机内力、分析输出数据可靠与否的主要依据。
工业建筑钢结构通常有框架、排架、轻型钢结构门式刚架、普钢门式钢架、桁架等结构型式。
结构布置要根据体系特征、荷载分布情况及性质综合考虑。一般要刚度均匀，力学模型清晰；尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础；柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力(风荷载、地震荷载)的作用线；否则应考虑结构的扭转。结构的抗侧应有多道防线：比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1／4的总水平力。
为了更精确分析结构条件，新近的—些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能。正确使用结构分析软件，还应对其输出结果做“工程判定”。比如，评估各向总剪力、变形特征等。根据“工程判定”选择修改模型重新分析还是修正其计算结果。不同的软件会有不同的适用条件，工程设汁中的计算和精确的力学计算本身就有一定距离，为了获得实用的设计方法有时会用误差较大的假定，但对这种误差会通过“适用条件、概念及构造”的方式来保证结构的安全。钢结构设计中，“适用条件、概念及构造”与定量计算相比是更重要的内容。
结构概念性布置结束后，我们可以对构件截面作初步估算。主要是粱柱和支撑的断面形状与尺寸的估算。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1／20~50之间选择。柱截面按长细比预估。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管、H型钢截面等。对应不同的结构，规范中对截面的构造要求有很大的不同。如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题，在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。
构件设计与节点设计：
构件设计首先是材料的选择。比较常用的钢材标号是Q235(类似A3)和Q345(类似16Mn)。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。从经济角度考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这与结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大—级，并自动重新分析验算，直至通过。这就是常说的截面优化设计功能之一，它大大减少了结构师的工作量。
节点设计是钢结构设计的重要内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分的思考与确定。设计中经常出现最终设计的节点形式与结构分析模型中使用的形式不完全—致，这种情况在设计过程中必须避免。节点按传力特性可分为刚接、铰接、半刚接，宜选择前两者进行简单定量分析，因为半刚接节点在实际中的可操作性较差。节点连接两种常用的方法是等强设汁和实际受力设计，设计手册中通常有焊缝及螺栓连接表格供设计者方便查用。规范中对焊接焊缝的尺寸及形式有强制规定，应严格遵守。焊条的选用应与被连接金属材质相适应，不得任意加大焊缝。焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近(详细内容可查阅规范关于焊缝构造方面的规定)。高强螺栓现已广泛的应用于工程实际中，根据受力特点分承压型连接和摩擦型连接，两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12，常用M16～M30，超大规格的螺栓性能不稳定，实际施工过程中会存在无法拧紧的现象，设计中应慎重使用。连接板选取厚度为梁腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪。节点设计需考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序。节点设计还应考虑制造厂的工艺水平，比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。
这里着重要提到的是钢框架结构的节点抗震设计。对于抗震规范8.2.8条关于梁柱节点设计的规定对钢框架的设计造成了很大的困扰。其规定连接焊缝的受弯承载力要大于相应框架梁全塑性受弯承载力的1.2倍，此规定是为了使大震作用下节点域部分的连接仍处于弹性阶段不发生破坏，而梁构件端部首先进入塑性变形阶段，即所谓塑性铰内移，此条文是为满足抗震规范规定的“中震可修，大震不倒”而设定。我们知道塑性铰的出现，会使框架结构整体的刚度锐减，而其在水平力左右下的变形能力加强。在短期的大震作用下结构整体吸收抵抗水平地震力的能力降低，而通过变形消耗地震力的能力提高。钢构件进入塑性变形阶段以后，其继续承载能力还是很强的，因为钢材是一种延性很好的建筑材料，使得建筑物不会因为塑性铰的出现而立刻垮塌。但如果破坏发生在节点区域，会造成结构的脆性破坏，使得建筑物突然垮塌。这充分体现了“强节点弱构件”的节点抗震设计思想。如果我们基于焊缝与母材等强连接的基础上进行节点计算，其节点如不作加强处理基本上无法满足本条文的规定，如节点作局部加强（加盖板、局部增加梁高或局部增加梁翼缘宽度）在计算上倒是可以满足本条文的规定，但这种对于节点部位的局部加强会导致框架节点域部分的刚度增大过多，其后果是如发生大震节点部分的地震力吸收会进一步增加，最后的结果会是加强了节点后会招致更大的地震力的作用，在更大的地震力作用下加强后的节点未必能满足计算规定。对此如果我们转换设计思路，将梁端部的适当位置进行人为的削弱，即所谓框架梁柱的骨形连接，如此在大震作用下削弱部分的框架梁肯定要先于节点部分进入塑性工作状态，我们其实就实现了塑性铰由节点域内移的目的，从而使梁柱连接节点不会发生破坏，保证了建筑物整体的安全度，这其实就是结构抗震设计中的耗能设计思想的体现。
