1 前言
近10多年來(lái)鋼結構發(fā)展很快，但鋼結構應用范圍涵蓋面與發(fā)達國家相比還相差甚遠，中國是建筑業(yè)大國，國內、國外的建筑市場(chǎng)十分廣闊。如何擴大鋼結構應用范圍，是建筑、結構工程師在建筑業(yè)可持續發(fā)展的“后建筑時(shí)代”也就是低碳、節能、環(huán)保建筑中所面臨的繼承和創(chuàng )新的挑戰。
我國鋼結構大量在建筑工程中應用可以說(shuō)是從廣州新白云國際機場(chǎng)開(kāi)始，發(fā)展到今天在許多航站樓、會(huì )展中心、體育場(chǎng)館、奧運場(chǎng)館、工業(yè)廠(chǎng)房、高層建筑直至現在的高鐵站房。
上海世博會(huì )展館的建設，對建筑、結構業(yè)內人士來(lái)講是一個(gè)“萬(wàn)國建筑博物館”，幾乎所有的展館均采用了鋼結構，創(chuàng )造出了千姿百態(tài)形態(tài)各異的建筑風(fēng)格，也說(shuō)明鋼結構可以設計出建筑藝術(shù)精品。
80年代中期筆者去歐洲考察時(shí)帶回了國外的門(mén)式剛架標準設計圖紙以及H型鋼和鋼網(wǎng)架生產(chǎn)線(xiàn)照片。當時(shí)有的從事設計工作20多年的工程師卻認為是建筑模型而已。其實(shí)一些部屬設計院早在60年代后期門(mén)式剛架在援外工程中已有應用了，角鋼、節點(diǎn)板螺栓連接的鋼網(wǎng)架在高等院校的健身房中也已推廣使用。
80年代后期隨著(zhù)外資企業(yè)進(jìn)入中國后，門(mén)式剛架才逐步被設計工作者認知，但是對門(mén)式剛架的圍護結構采用蒙皮效應設計還是難以推廣。
2 改變傳統理念，提高設計水平
在上世紀80年代以前，設計單層廠(chǎng)房和多層廠(chǎng)房時(shí)，往往很自然的會(huì )不加思索的采用鋼筋砼結構，屋面結構體系采用預應力薄腹梁、大型屋面板。隨著(zhù)鋼產(chǎn)量不斷增加，門(mén)式剛架重量輕、建設周期短、造價(jià)與鋼筋砼結構基本相同等的優(yōu)越性被人們逐步接受。但多、高層鋼結構商住房由于深層次原因，推廣還是困難重重。
鋼結構在建筑領(lǐng)域的發(fā)展勢在必行，鋼結構一方面要得到人們的認知，更重要的是提高從業(yè)人員的設計水平和學(xué)術(shù)交流?，F在有一些建筑、結構設計工程師對鋼結構體系概念并不清楚。都是由建筑師在既定的建筑方案基礎上進(jìn)行設計與計算。結構體系選擇的優(yōu)劣直接影響結構的經(jīng)濟性、合理性?，F在設計院的結構工程師習慣于“平法表示”，對鋼結構來(lái)講，節點(diǎn)構造和鋼承板鋪設方向對結構影響和樓板平面剛度尚不夠重視。節點(diǎn)構造在結構體系中無(wú)論對結構功能和用鋼量都占有重要地位，也直接影響造價(jià)，在設計圖中節點(diǎn)構造至少要提供剛接、鉸接的標準節點(diǎn)，只要圖示清楚就可以由制造廠(chǎng)在深化設計中完成。
隨著(zhù)城市的快速發(fā)展新的建筑不斷涌現，這些工程是由多專(zhuān)業(yè)交融在一起，業(yè)主、設計、施工盤(pán)根錯節，要創(chuàng )建一個(gè)好的、經(jīng)得起時(shí)間檢驗和歷史記憶的建筑工程恐怕為數不多。
中國是一個(gè)建筑業(yè)大國，無(wú)論在建筑設計、結構設計和施工水平在60年代的“十大建筑”和我國援外的大型公共建筑和高層建筑都曾經(jīng)走在世界前列，引起世界關(guān)注。而現在建筑業(yè)大發(fā)展時(shí)代很多城市地標建筑成為外國建筑師在中國的試驗場(chǎng)所，但并非完美，卻對中國鋼結構的設計和施工發(fā)展拓寬了視野，推動(dòng)了鋼結構行業(yè)的快速發(fā)展。
現代建筑鋼結構設計應體現鋼結構的屬性和行至有效的時(shí)代特征的藝術(shù)品建筑。深厚的控制能力，秉承錯綜復雜的工藝技術(shù)，創(chuàng )造性的設計與精湛的施工工藝相結合。
3 結構優(yōu)化設計
優(yōu)化設計是計算機發(fā)展的必然產(chǎn)物，是一門(mén)學(xué)科，各行各業(yè)都有一個(gè)“優(yōu)化”問(wèn)題，在建筑、結構行業(yè)中的優(yōu)化是降低鋼材消耗為宗旨，而航天器的優(yōu)化設計是減輕自重為主導，企業(yè)管理的優(yōu)化以文化品位為導向等等。
3.1 優(yōu)化設計原則
a.優(yōu)化設計不應以降低結構安全等級和使用年限為代價(jià)，“過(guò)度優(yōu)化”必然會(huì )產(chǎn)生“樓危危”、“樓脆脆”等等，使建筑工程沒(méi)有達到有效生命期，不是“未老先衰”就是“英年早逝”。
b.優(yōu)化設計沒(méi)有標準答案，多人計算即使采用同一程序，也可以得出不同結果，計算結果的分析判斷可信度只有自己知道。
c.優(yōu)化設計是以降低造價(jià)為目標，在建筑工程中降低造價(jià)包括設計、制作、安裝、運輸等多方面的優(yōu)化。
3.2 優(yōu)化設計方法
在鋼結構行業(yè)中為了降低用鋼量片面的理解為“應力優(yōu)化”，其實(shí)不然，建筑結構的“優(yōu)化設計”應從以下幾方面進(jìn)行考慮。
(4) 節點(diǎn)優(yōu)化
鋼結構梁、柱連接節點(diǎn)，其用鋼量占總用鋼量的12%～18%，其節點(diǎn)構造的優(yōu)劣，直接影響鋼結構的安全度和抗震性能。
(5) 鋼網(wǎng)架的優(yōu)化
雙層或多層網(wǎng)架一般下弦層或中間層采用抽空網(wǎng)格；在局部玻璃采光頂處，可按玻璃的承載能力及玻璃區格對網(wǎng)格轉換，以避免桿件交錯，取得良好的室內視覺(jué)效果。
(6) 弦支穹頂預應力優(yōu)化
徑向預應力：如上海南站、北京南站。環(huán)向預應力：如北京奧體羽毛球館和濟南體育館，環(huán)向預應力的效能比徑向預應力效能更經(jīng)濟合理。
東南網(wǎng)架博士后工作站鄭君華博士研究的“預應力鋼結構的施工張拉及優(yōu)化結構”在實(shí)際工程建設中具有較高的工程應用價(jià)值和創(chuàng )新性。
(7) 桿件截面優(yōu)化
增加截面剛度，減少用鋼量，如悉尼機場(chǎng)管桁架結構采用空腹桁架和交叉柔性腹桿。推廣波型腹板H型鋼梁，但關(guān)鍵是翼緣與波型腹板的機械化焊接問(wèn)題有待開(kāi)發(fā)。
(8) 節點(diǎn)計算優(yōu)化
計算假定與構造相一致，結構構造與施工安裝相一致，節點(diǎn)功能與結構受力相一致。東南網(wǎng)架博士后工作站劉堅博士研究的“鋼結構高階分析理論及應用的關(guān)鍵技術(shù)研究”具有前瞻性，其中梁、柱節點(diǎn)半剛性連接的二階彈性分析，可作為鋼結構節點(diǎn)優(yōu)化設計在工程應用中的理論依據。
(9) 應力優(yōu)化
提高構件使用應力，降低結構安全度，這是“低俗化”的優(yōu)化，正確的優(yōu)化是將壓彎構件轉換成拉、壓二力構件。
4 鋼網(wǎng)架(殼)結構設計與構造
鋼網(wǎng)架(殼)結構經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，應用范圍已十分廣闊，應用領(lǐng)域如體育場(chǎng)館、航站樓、工業(yè)廠(chǎng)房等等。該結構形式由于具有較好的經(jīng)濟性、安全性和可靠性，且包裝、運輸及安裝簡(jiǎn)易便捷，因此，特別適用于海外工程。
目前，鋼網(wǎng)架(殼)結構的設計工具也十分先進(jìn)，如MST經(jīng)過(guò)數次版本升級已日臻完善。
4.1 國內鋼網(wǎng)架(殼)結構節點(diǎn)類(lèi)型。
我國現行規范有四種節點(diǎn)類(lèi)型，即螺栓球節點(diǎn)、焊接空心球節點(diǎn)、嵌入式轂節點(diǎn)及板式節點(diǎn)，其中焊接球節點(diǎn)又分為加肋焊接球節點(diǎn)和不加肋焊接球節點(diǎn)。
螺栓球節點(diǎn)、焊接空心球節點(diǎn)是應用最廣泛的兩種節點(diǎn)形式，一般單獨應用，但也可混合應用，如北京首都國際機場(chǎng)T3航站樓，在其他工程中也較常見(jiàn)。嵌入式轂節點(diǎn)類(lèi)似加拿大的Triodetic節點(diǎn)，一般很少采用。板式節點(diǎn)在20世紀60～70年代使用較多，現仍有使用價(jià)值。
4.2 國外鋼網(wǎng)架(殼)節點(diǎn)簡(jiǎn)介。
國外鋼網(wǎng)架(殼)節點(diǎn)體系十分豐富，如英國的Spacedeck節點(diǎn)體系和Nodus節點(diǎn)體系、德國的Mero節點(diǎn)體系、法國的SDC節點(diǎn)體系、美國的Unistrut節點(diǎn)體系、加拿大的Triodetic節點(diǎn)體系、日本的 Obayashi節點(diǎn)體系等等。上述節點(diǎn)體系有些屬于專(zhuān)利產(chǎn)品，有專(zhuān)門(mén)的產(chǎn)品標準和定點(diǎn)工廠(chǎng)生產(chǎn)，國內如果設計需要，可以進(jìn)口。圖5、圖6所示為日本熊本縣綜合公園室內運動(dòng)廣場(chǎng)鋼網(wǎng)殼焊接心球節點(diǎn)應用情況。
4.3 焊接球與螺栓球混合應用的問(wèn)題
當同根桿件的一端為焊接球另一端為螺栓球（見(jiàn)圖7）混合使用時(shí)，應嚴格按照圖8所示施工程序進(jìn)行施工，以防焊接收縮變形而使另一側螺栓無(wú)法擰到位的現象發(fā)生。
4.4 角鋼、節點(diǎn)板組成的鋼網(wǎng)架
角鋼桿件與節點(diǎn)板之間用螺栓連接，螺栓承受剪力，一些工程仍在應用。
4.5 鋼木組合式網(wǎng)架(殼)
采用木材或厚層膠合板作為桿件，用螺栓、銷(xiāo)釘和專(zhuān)用配件的鋼木組合式網(wǎng)架(殼)國外應用也較多。
4.6 鋼網(wǎng)架(殼)桿件接長(cháng)與焊接球連接問(wèn)題
4.6.1鋼管桿件的選用
有的設計要求全部桿件均采用無(wú)縫鋼管，其實(shí)無(wú)縫鋼管壁厚很不均勻，難以控制桿件的強度，而高頻直縫焊管壁厚較均勻，易于控制桿件的強度。但是高頻焊管大部分是冷彎成型，其延伸率有所下降；同時(shí)還有人擔心高頻焊管在壓力作用下會(huì )裂開(kāi)，其實(shí)只要是正規廠(chǎng)家生產(chǎn)的高頻直縫焊管，質(zhì)量是可靠的。另外冷彎薄壁鋼管有時(shí)效現象，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后延伸率會(huì )上升，與冷彎前非常接近，達到了節能和降低成本的效果。
4.6.2桿件的對接接長(cháng)
現行“網(wǎng)殼結構技術(shù)規程”和即將發(fā)布的“空間網(wǎng)格結構技術(shù)規程”規定，對接桿件數允許不超過(guò)桿件總數的20%，但不得集中使用，每根桿件只允許一條對接焊縫，焊縫等級要求達到一級焊縫，比過(guò)去只允許10%接長(cháng)大大放松，降低了鋼材的損耗率。
4.6.3桿件與焊接空心球的連接
“網(wǎng)殼結構技術(shù)規程”規定當桿件匯交相貫時(shí)，主桿要求全截面焊接在球面上，另一桿件與主桿坡口焊接連接，但必須保證另一桿件有3/4的截面焊接在球面上，這就是搭接率只允許15%，與鋼管桁架允許的搭接率25%≤≤100%嚴格得多，是否可以放松，值得商榷。
4.7 鋼網(wǎng)架(殼)支座設計
支座作為上部鋼網(wǎng)架(殼)與下部結構連接的重要部件，理論上是一個(gè)具有“運動(dòng)副”的機構，廣泛的應用于鋼網(wǎng)架(殼)工程中。鋼網(wǎng)架(殼)的支座設計對設計工程師來(lái)講應認真研究解決支座的假定。
4.7.1主要功能及選型準則
(1) 將上部結構反力可靠地集中傳遞到下部結構，固定支座可起到這種作用；
(2) 有些反力傳遞給下部結構時(shí)，將使下部結構處于非常不利的復雜受力狀態(tài)，在各種隨機荷載作用下，釋放這些反力使其不至于傳遞到下部結構。鉸接支座和橡膠支座可釋放彎矩或水平推力作用；
(3) 大跨度鋼網(wǎng)架(殼)基于風(fēng)力或溫度應力在支座上產(chǎn)生較大水平剪力，可采用有限滑移、轉動(dòng)的鉸接支座，釋放部分水平剪力；
(4) 支座還應具有抗震、減震和隔振作用的功能，以減少隨機荷載峰值，以確保下部結構的安全度；
(5) 支座的安全等級及設計使用年限與鋼網(wǎng)架(殼)的安全等級及設計使用年限應相一致，特別是支座設計時(shí)其輔助材料必須考慮耐久性和可更換性。
4.7.2幾個(gè)典型案例
(1) 鋼網(wǎng)架(殼)不允許所有支座假定為雙向滑移，計算軟件難以反映出其雙向滑移的結果，但實(shí)際情況會(huì )產(chǎn)生鋼網(wǎng)架(殼)整體浮動(dòng)，不受任何方向水平力，實(shí)際上是分離狀態(tài)；
(2) 鋼網(wǎng)架支承在排架柱頂上，即使柱頂設置了連系梁，其抗側剛度不滿(mǎn)足柱頂位移情況時(shí)：
5.2 合攏溫度
超大型鋼網(wǎng)架(殼)和大跨度管桁架結構無(wú)論采用什么安裝方案，都是逐塊、逐條順序安裝，逐步形成整體的過(guò)程。設計人員或施工技術(shù)人員應根據擬建地區的氣溫條件提出最終合攏區段的合攏溫度要求。合攏時(shí)應特別注意以下問(wèn)題：
(1) 合攏區段的構件應以原設計的幾何尺寸和連接構造為準。不應隨意修改合擾區段的構件幾何尺寸和連接構造，更不允許采用嵌入構件來(lái)彌補施工安裝中的收縮變形；
(2) 當合攏溫度與設計要求不符時(shí)，可采取二種對策。對策一：可根據晝夜溫差確定合適的時(shí)間進(jìn)行合攏。對策二：施工期內，晝夜溫差難以解決時(shí)，必須對溫差組合效應進(jìn)行優(yōu)化計算；對超應力桿件更換是不現實(shí)的，要么加固，要么對局部桿件可按低階塑性狀態(tài)計算，然后按結構整體校核，其變形在設計允許范圍內也是可行的。
(3) 加強合攏區段施工期間的監管，并做好相關(guān)的記錄，歸入驗收檔案。
6 結束語(yǔ)
鋼結構設計中需要探討的問(wèn)題較多，文中僅提到問(wèn)題的幾個(gè)方面且僅是個(gè)人觀(guān)念，有不妥之處請指正。
參考文獻
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[2]《網(wǎng)架結構設計與施工規程》（JGJ7-91）.
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[4]《建筑結構概念設計及案例》羅福午等，清華大學(xué)出版社.
[5]《結構概念和體系》第二版[美]林同炎等著(zhù)，中國建筑工業(yè)出版社.
[6]《高層建筑結構概念設計》高立人等箸，中國計劃出版社.
[7]《世界建筑結構設計精品選》日本篇 陳以一主編，中國建筑工業(yè)出版社.
[8]《網(wǎng)架網(wǎng)殼設計與施工》丁蕓孫等編著(zhù)，中國建筑工業(yè)出版社.
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