鋼結構設計施工中若干問題剖析
發布時間：2014-02-25 共1頁
近年來，鋼結構的應用范圍越來越廣，技術越來越成熟，國家相應出臺了不少規則、手冊、圖集來規范設計、施工行業。但畢竟結構體系千變萬化，設計、施工人員在應用過程中還是會產生諸多的問題。比如在設計階段，由于項目工期緊、任務重，施工圖設計采用程序自動生產或套用圖集，未能深刻理解設計內容的關聯性，特別對施工經驗不足的人員來說，常會造成鋼結構安裝過程中產生問題。此外，設計人員水平參差不齊，在材料選用、節點做法等各方面沒有深刻領會，也常會造成材料采購、鋼結構加工、運輸、安裝等方面的困難，以下筆者對鋼結構設計施工中常見的問題進行研究分析供參考。
鋼柱柱腳錨檢連接
為調整鋼柱底標高，通常在柱底板下與基礎頂面預留約50毫米的調整空間，然后用微膨脹細石砼搗實，《門式剛架技術規程》CECS102中也有相應的做法，但在某些結構中，柱腳采用的錨檢規格較大(如：M60，M72)，其螺母厚度已達40～50毫米，再加上墊板的厚度，已超過50毫米的調整空間，因此當柱腳錨檢直徑較大時(直徑超過42毫米)，柱腳底板下的二次澆灌層高度應保證有70～100毫米的范圍，在柱頂標高、鋼柱垂直度調整到位后，應及時將底板下的空間灌實。
對于錨檢的錨固長度，對于不同的錨栓直徑，有不同的要求。在施工圖中，錨栓詳圖只是簡單地說明套用圖集或手冊，基礎設計時若考慮不周全或基礎的高度受到限制，很有可能導致基礎的厚度不足，錨栓不能就位。特別是有些工程，上部鋼結構由專業鋼結構成公司設計，基礎由另外一家設計院設計，若兩者沒有溝通好，很容易出現這種情況。
另外，對于外包鋼筋砼的柱腳，當外包砼柱內的縱筋間距較小且縱筋離鋼柱外表面較近時，應特別注意砼柱內的縱筋和箍筋是否會影響錨栓螺母的固定，為便于固定螺母，砼柱內縱筋間距一般應大于150毫米以上，鋼柱外表面與砼外表的距離也需大于300毫米以上，箍筋應在鋼柱校正好之后綁扎。
對于有抗剪鍵的柱腳，抗剪鍵一般焊于柱底板下，在基礎柱上預留方孔或圓孔，但當有基礎梁與基礎短柱在同一標高，且位于柱中心布置，這時就很容易發生基礎梁內的縱筋與杭剪鍵預留孔沖突，這時，最好將基礎梁頂標高降低或將基礎梁偏移抗剪鍵位置。
杯口基礎連接
鋼柱采用杯口基礎連接時，柱腳做法比較簡單，但安裝比較麻煩。當柱腳承擔的變矩較大而軸向力較小時(如排架結構中的鋼柱腳)，若采用錨栓連接，錨栓規格會比較大，且柱腳也需采用靴梁的形式，那么柱腳做法將會是十分麻煩。這種情況，最好還是采用杯口基礎，免去埋設錨栓而帶來的麻煩。當采用杯口基礎時，杯底有一個找平和調整標高的細石砼層，當柱底板下的砼采用二次澆灌時，底板下的砼很難振搗實，嚴重的可能底板下是空的，因此在底板上必須每邊留設灌漿孔和溢漿孔，或不設底板直接靠鋼柱與砼間的摩擦來承擔豎向力。
杯口基礎另外一個缺點是杯口內易進水或土，在基礎施工時，必須做好覆蓋措施。否則，清理杯口內的土和水會是很麻煩的事情，特別是工地范圍內的地面基礎采用換土方式時，杯口的保護顯得尤為重要。在鋼柱安裝前，對杯口內壁進行鑿毛，以保證在鋼柱就位后二次澆灌的砼能結合牢靠，杯口基礎和錨栓連接的方法各有各的優點，在設計過程中，應結合受力情況，選擇一種符合工程需要和方便施工的做法。
構造節點連接
鋼結構構件許多工作都是在加工廠完成，構件到現場后只有拼裝，因為節點設計不合理導致構件無法安裝，這在現場也經常會碰到。
節點設計時，不僅要考慮節點受力合理，也要考慮節點是否便于構件安裝，當構件安裝困難時，仍需考慮設計變更。H型鋼框架梁相連接時，若梁的腹板考慮伸入柱兩翼緣間時，因為梁的長度比鋼柱之間的凈距還大，那么框架梁就沒法就位。屋面梁或鋼柱間支撐系統的連接也存在同樣的問題，當斜桿和撐桿相交處的節點處理不當，撐桿就沒法安裝。
鋼砼結構中常用的十字柱也是一個非常典型的例子，當十字柱拼裝時留設的空間不足以使G型構件與H型構件相連接時，那么十字柱根本沒法拼裝或無法進行埋弧自動焊接。由于鋼結構的特殊性，在設計過程中必須考慮現場的可操作性，否則構件到了現場還是無法連接。同時，設計人員也應多跑施工現場，增加一些感性認識。在進行圖紙會審和加工圖設計時，施工單位必須結合施工圖紙，盡早對節點做法和構件外形做很好的判斷，并提出合理化建議。節點設計是否合理，對現場能否順利安裝有重要的影響。鋼構件分段、運輸和吊裝
在設計階段，由于設計人員對汽車、火車、輪船運輸長度和寬度不甚了解，所以構件分段點的選擇基本是從受力方面來確定，某些構件長度可能超長或超寬，但實際上是可以避免的，如構件超過運輸工具所限制的長度或寬度時，可適當選擇加寬或加厚鋼板；當構件必須超長或超寬時，在現場滿足構件拼裝的情況下，也可以考慮局部現場拼接，拼裝要求可單獨確定。
構件利用公路運輸時，其外形盡寸應考慮沿線路面至橋涵和隧道的凈盡寸，超級公路、一二級公路為5米；三、四級公路為4.5米。在滿足規范要求的前題下，當設計人員多從構件的施工和運輸角度去考慮問題時，構件加工、安裝過程中的汽車運輸、機械臺班、構年堆放、倒運、可操作性等方面，不僅可以節約許多成本，而且還可加快工程進度，節約工期。
對超長超寬構件的運輸是一個很麻煩的事情，特別是跨省份長途運輸，將更加難上加難。超限運輸非但使運費增加，而且使裝車和固定貨物的技術復雜化，因此在設計時應盡量避免。當鋼構件必須采用塔吊吊裝而沒法用汽車吊做配合時，構件的分段必須結合現場塔吊的起吊性能，否則構件的分段也沒有任何意義。對某些特殊的構件，如何分段是一個綜合考慮的問題，對設計和施工人員來說，這也是長期經驗積累的過程。
鋼材材質、鋼板尺寸、材料公差
設計中常用的鋼板材質有Q235、Q345，其中B、C、GJ類鋼板較為常用，結合構件的受力性能、結構重要性、環境溫度等原因，采用不同性質的材料，有些鋼板需考慮Z向性能。在設計過程中，由于設計人員對鋼材市場不可能很了解，導致施工單位在備材料時經常會出現買不到需要材料或需替換材料。例如：材質為Q345角鋼或錨栓，采購就相對困難些。對有特殊性能要求的材料(某工程中，28毫米以上的鋼板就需有Z向性能要求)，若工程中鋼材的用量又不大，這就對廠家材料采觀產生了很大的難度。對有沖擊韌性要求的鋼板，有些設計人員就人為將材料性能提高一個級別，這就無形當中增加了工程造價和材料采購的難度。
鋼板定尺備料，能減少工廠拼接工作量，提高工作效率，但定尺備料也會給材料采購帶來很大的難度，如超長或超寬鋼板、型鋼、彩涂卷等，這都需要定貨，而訂貨時必須有最少噸位要求，而且也會給運輸帶來麻煩。
在設計過程中，一般不考慮材料負偏差(規范允許的)對設計造成的不利影響，但在實際工程中，若對材料提出不允許有負偏差的要求，這會增加造價，不如在結構計算時，適當增加一點安全儲備，畢竟圖紙設計完成后還要便于施工，否則也只能是紙上談兵。因此，在材料應用過程中，應綜合考慮各方面要求，不能一味追求安全保守，不僅要考慮材料性能，也需考慮材料的可采購性、經濟性和可操作性，以便工程能順利開展。
構件制作的空間要求
根據構件的不同受力狀況，可采用不同的截面形式，如H形、十字形、箱形、圓形、日字形和各種組合截面等。對于不同的截面形式，手工焊接、自動焊接、栓接時均有不同的構造尺寸要求。因此，當設計較特殊和截面時，必須先查閱相關資料，在加工、安裝方面先做到心中有數，否則，不當的截面設計會帶來很大麻煩。為手工焊接時，必須考慮焊接構件某些構造尺寸的最小要求。
鋼結構的設計、材料采購、加工、安裝息息相關，哪一環節都應有比較清楚的了解，這對于項目的開展會有很大好處。通過分析、總結，不斷提高自身的工作水平，使鋼結構設計者能更好地為加工、安裝提供服務。
鋼柱柱腳錨檢連接
為調整鋼柱底標高，通常在柱底板下與基礎頂面預留約50毫米的調整空間，然后用微膨脹細石砼搗實，《門式剛架技術規程》CECS102中也有相應的做法，但在某些結構中，柱腳采用的錨檢規格較大(如：M60，M72)，其螺母厚度已達40～50毫米，再加上墊板的厚度，已超過50毫米的調整空間，因此當柱腳錨檢直徑較大時(直徑超過42毫米)，柱腳底板下的二次澆灌層高度應保證有70～100毫米的范圍，在柱頂標高、鋼柱垂直度調整到位后，應及時將底板下的空間灌實。
對于錨檢的錨固長度，對于不同的錨栓直徑，有不同的要求。在施工圖中，錨栓詳圖只是簡單地說明套用圖集或手冊，基礎設計時若考慮不周全或基礎的高度受到限制，很有可能導致基礎的厚度不足，錨栓不能就位。特別是有些工程，上部鋼結構由專業鋼結構成公司設計，基礎由另外一家設計院設計，若兩者沒有溝通好，很容易出現這種情況。
另外，對于外包鋼筋砼的柱腳，當外包砼柱內的縱筋間距較小且縱筋離鋼柱外表面較近時，應特別注意砼柱內的縱筋和箍筋是否會影響錨栓螺母的固定，為便于固定螺母，砼柱內縱筋間距一般應大于150毫米以上，鋼柱外表面與砼外表的距離也需大于300毫米以上，箍筋應在鋼柱校正好之后綁扎。
對于有抗剪鍵的柱腳，抗剪鍵一般焊于柱底板下，在基礎柱上預留方孔或圓孔，但當有基礎梁與基礎短柱在同一標高，且位于柱中心布置，這時就很容易發生基礎梁內的縱筋與杭剪鍵預留孔沖突，這時，最好將基礎梁頂標高降低或將基礎梁偏移抗剪鍵位置。
杯口基礎連接
鋼柱采用杯口基礎連接時，柱腳做法比較簡單，但安裝比較麻煩。當柱腳承擔的變矩較大而軸向力較小時(如排架結構中的鋼柱腳)，若采用錨栓連接，錨栓規格會比較大，且柱腳也需采用靴梁的形式，那么柱腳做法將會是十分麻煩。這種情況，最好還是采用杯口基礎，免去埋設錨栓而帶來的麻煩。當采用杯口基礎時，杯底有一個找平和調整標高的細石砼層，當柱底板下的砼采用二次澆灌時，底板下的砼很難振搗實，嚴重的可能底板下是空的，因此在底板上必須每邊留設灌漿孔和溢漿孔，或不設底板直接靠鋼柱與砼間的摩擦來承擔豎向力。
杯口基礎另外一個缺點是杯口內易進水或土，在基礎施工時，必須做好覆蓋措施。否則，清理杯口內的土和水會是很麻煩的事情，特別是工地范圍內的地面基礎采用換土方式時，杯口的保護顯得尤為重要。在鋼柱安裝前，對杯口內壁進行鑿毛，以保證在鋼柱就位后二次澆灌的砼能結合牢靠，杯口基礎和錨栓連接的方法各有各的優點，在設計過程中，應結合受力情況，選擇一種符合工程需要和方便施工的做法。
構造節點連接
鋼結構構件許多工作都是在加工廠完成，構件到現場后只有拼裝，因為節點設計不合理導致構件無法安裝，這在現場也經常會碰到。
節點設計時，不僅要考慮節點受力合理，也要考慮節點是否便于構件安裝，當構件安裝困難時，仍需考慮設計變更。H型鋼框架梁相連接時，若梁的腹板考慮伸入柱兩翼緣間時，因為梁的長度比鋼柱之間的凈距還大，那么框架梁就沒法就位。屋面梁或鋼柱間支撐系統的連接也存在同樣的問題，當斜桿和撐桿相交處的節點處理不當，撐桿就沒法安裝。
鋼砼結構中常用的十字柱也是一個非常典型的例子，當十字柱拼裝時留設的空間不足以使G型構件與H型構件相連接時，那么十字柱根本沒法拼裝或無法進行埋弧自動焊接。由于鋼結構的特殊性，在設計過程中必須考慮現場的可操作性，否則構件到了現場還是無法連接。同時，設計人員也應多跑施工現場，增加一些感性認識。在進行圖紙會審和加工圖設計時，施工單位必須結合施工圖紙，盡早對節點做法和構件外形做很好的判斷，并提出合理化建議。節點設計是否合理，對現場能否順利安裝有重要的影響。鋼構件分段、運輸和吊裝
在設計階段，由于設計人員對汽車、火車、輪船運輸長度和寬度不甚了解，所以構件分段點的選擇基本是從受力方面來確定，某些構件長度可能超長或超寬，但實際上是可以避免的，如構件超過運輸工具所限制的長度或寬度時，可適當選擇加寬或加厚鋼板；當構件必須超長或超寬時，在現場滿足構件拼裝的情況下，也可以考慮局部現場拼接，拼裝要求可單獨確定。
構件利用公路運輸時，其外形盡寸應考慮沿線路面至橋涵和隧道的凈盡寸，超級公路、一二級公路為5米；三、四級公路為4.5米。在滿足規范要求的前題下，當設計人員多從構件的施工和運輸角度去考慮問題時，構件加工、安裝過程中的汽車運輸、機械臺班、構年堆放、倒運、可操作性等方面，不僅可以節約許多成本，而且還可加快工程進度，節約工期。
對超長超寬構件的運輸是一個很麻煩的事情，特別是跨省份長途運輸，將更加難上加難。超限運輸非但使運費增加，而且使裝車和固定貨物的技術復雜化，因此在設計時應盡量避免。當鋼構件必須采用塔吊吊裝而沒法用汽車吊做配合時，構件的分段必須結合現場塔吊的起吊性能，否則構件的分段也沒有任何意義。對某些特殊的構件，如何分段是一個綜合考慮的問題，對設計和施工人員來說，這也是長期經驗積累的過程。
鋼材材質、鋼板尺寸、材料公差
設計中常用的鋼板材質有Q235、Q345，其中B、C、GJ類鋼板較為常用，結合構件的受力性能、結構重要性、環境溫度等原因，采用不同性質的材料，有些鋼板需考慮Z向性能。在設計過程中，由于設計人員對鋼材市場不可能很了解，導致施工單位在備材料時經常會出現買不到需要材料或需替換材料。例如：材質為Q345角鋼或錨栓，采購就相對困難些。對有特殊性能要求的材料(某工程中，28毫米以上的鋼板就需有Z向性能要求)，若工程中鋼材的用量又不大，這就對廠家材料采觀產生了很大的難度。對有沖擊韌性要求的鋼板，有些設計人員就人為將材料性能提高一個級別，這就無形當中增加了工程造價和材料采購的難度。
鋼板定尺備料，能減少工廠拼接工作量，提高工作效率，但定尺備料也會給材料采購帶來很大的難度，如超長或超寬鋼板、型鋼、彩涂卷等，這都需要定貨，而訂貨時必須有最少噸位要求，而且也會給運輸帶來麻煩。
在設計過程中，一般不考慮材料負偏差(規范允許的)對設計造成的不利影響，但在實際工程中，若對材料提出不允許有負偏差的要求，這會增加造價，不如在結構計算時，適當增加一點安全儲備，畢竟圖紙設計完成后還要便于施工，否則也只能是紙上談兵。因此，在材料應用過程中，應綜合考慮各方面要求，不能一味追求安全保守，不僅要考慮材料性能，也需考慮材料的可采購性、經濟性和可操作性，以便工程能順利開展。
構件制作的空間要求
根據構件的不同受力狀況，可采用不同的截面形式，如H形、十字形、箱形、圓形、日字形和各種組合截面等。對于不同的截面形式，手工焊接、自動焊接、栓接時均有不同的構造尺寸要求。因此，當設計較特殊和截面時，必須先查閱相關資料，在加工、安裝方面先做到心中有數，否則，不當的截面設計會帶來很大麻煩。為手工焊接時，必須考慮焊接構件某些構造尺寸的最小要求。
鋼結構的設計、材料采購、加工、安裝息息相關，哪一環節都應有比較清楚的了解，這對于項目的開展會有很大好處。通過分析、總結，不斷提高自身的工作水平，使鋼結構設計者能更好地為加工、安裝提供服務。
