钢结构设计中几个问题的分析探讨
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摘要：本文针对作者在钢结构设计中遇到的一些问题，诸如钢柱脚设计、非组合楼板配筋、节点连接等进行了分析探讨，希望能给遇到相同问题设计者提供一些参考。
关键词：钢结构；柱脚设计；非组合楼板；节点连接
中图分类号：TU391文献标识码：Ａ
1.概述
钢结构建筑具有抗震性能好、自重轻、基础造价低、构件截面小，空间利用率高、工业化程度高、外形美观、施工工期短、回收利用率高等综合优势,与钢筋混凝土结构相比,具有环保和可持续发展的特点,在我国已经得到越来越多的应用，本文就作者在钢结构设计中遇到的一些具体问题进行了总结分析，提出了一些解决对策，希望对结构设计者提供一些有益的参考。
2.对设计中遇到问题的分析探讨
与钢筋混凝土结构设计相比，钢结构设计在强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件等方面有许多共性之外，还有自己的一些特性，例如，钢结构的防腐设计，防火设计，整体与局部稳定问题、压型钢板非组合楼板设计、节点连接问题等。
2.1钢柱脚设计
以作者所做项目为例，对现行《建筑抗震设计规范》中钢柱脚与基础连接的极限承载需满足以下公式（2.1-1）要求，作一探讨。
Mju，base ŋj Mpc（2.1-1）
Mju，base---- 柱脚极限受弯承载力
Ŋj-------- 连接系数
Mpc ----- 考虑轴力影响是柱的塑性受弯承载力
2.1.1按照结构实际受力时不利荷载组合计算
计算参数：结构平面布置图2.1-1所示，采用柱下独立基础，基础混凝土强度等级C30，地基承载力特征值160KPa，图中所选钢柱为国标热轧型钢HW300X300，材质Q345B，通过软件计算读取图中所示钢柱柱底荷载为：轴力N=339kN，弯矩MX=41 kN*m，VY=38.9kN。
图2.1-1结构平面布置图图2.1-2独立基础图
根据上述参数计算出基础大小如图2.1-2所示。
2.1.2采用柱脚的极限受弯承载力进行基础设计
当采用柱脚的极限受弯承载力进行基础设计时，即 N=339kN，M=Mju，base，Vy=38.9kN，其中Mju，base=ŋj Mp，ŋj=1.1， Mp=Wpfy（1-µ），截面塑形抵抗矩Wp=1464750mm3，柱轴压比µ=0.10，带入后计算得Mju，base=450kNm，在基础埋深及承载力特征值相同条件下，算得基础底面尺寸为：3200mmX3200mm，较结构在不利荷载组合作用下算的基础底面积扩大了3.54倍。若采用第一种算法来进行基础设计，则在柱脚设计时采用的Mju，base实际上是达不到的，因为在柱脚荷载值未达到Mju，base时，基础已经超过了设计的承载要求，而采用Mju，base作为基础设计的荷载，基础底面积明显偏大，而在现行《建筑抗震设计规范》中并未明确应该采用哪一种荷载作为基础设计的荷载。作者在基础设计时通常以基础承受弯矩的极限值即基础倾覆前的弯矩值为准来校核基础面积，使之满足柱脚的极限弯矩要求。
2.2 构件连接的净毛截面系数
在钢构件螺栓连接设计中，计算程序一般假定净毛面积比为0.85来考虑由于螺栓开孔对截面强度的影响，作者通过连接计算发现，不同的连接孔径，不同的连接板厚对净毛面积比有一定影响。本文以10.9级高强摩擦性螺栓M22连接国标热轧H型钢HN400X200（如图2.2-1所示）为例进行计算。
图2.2-1梁连接简图
计算参数：每个M22螺栓抗拉承载力，N1=0.9nµP=0.9X1X0.4X190=68.4kN，连接螺栓孔径d=24mm，钢梁翼缘由于开孔的拉力损失值为：N2=fyA =310X13X2X24=193.44kN, 连接用高强螺栓由于各有半个螺母在孔壁前可以起到对翼缘强度的加强，其值为一个螺栓的抗拉承载力68.4kN，综合考虑翼缘的净损失拉力为193.4-68.4=125kN。折合为净毛面积比为：1-125X1000/(310X13X200)=0.84.采用相同的计算方法，通过改变螺栓孔径和连接板厚，分别得到以下两组数据。
2.2.1 连接板孔径大小对净毛截面比影响
图2.2-2孔径对连接板净毛面积比的影响 图2.2-3连接板厚对净毛面积比的影响
从图中可以看出，当螺栓孔径大于22mm时，连接板的净毛截面积比是低于0.85的，在结构计算时应适当调整软件参数设置的净毛截面积比值。
2.2.2 连接板板厚对净毛截面比影响
从图中可以看出，当连接板厚大于18mm时，连接板的净毛截面积比是低于0.85的，在结构计算时应适当调整软件参数设置的净毛截面积比值。
2.3 压型钢板非组合楼板配筋计算
为与钢结构框架主体快速的施工相对应，钢结构建筑的楼板多采用现浇压型钢板组合楼板，根据楼板底部钢承板在使用阶段是否参与受力，可分为组合楼与非组合楼板，二者均需验算在施工阶段混凝土未硬化前底部钢承板的受力与变形，在楼板使用阶段由于非组合楼板不考虑压型钢板受力，只是将其作为施工阶段的模板使用，故不需要对其进行防火处理，根据需要也可在使用阶段将其拆除。
2.3.1 压型钢板非组合楼板计算假定
为了增加压型钢板刚度以抵抗在施工阶段的变形，压型钢板一般凹槽较高，多在70mm以上，工程做法通常在凹槽顶部以上再浇筑50mm高混凝土，如图所示，这种非组合楼板由于一个方向混凝土只有50mm，一般都按照顺凹槽方向的单向板来计算，在计算板底受力正筋时，可简化为T形单筋梁配筋计算（如图2.3-1），但在计算支座负弯矩时，由于T形梁的扩大端位于受拉区，可简化为矩形截面单筋梁计算（如图2.3-2）。设计人员在计算楼板正筋时，通常按等厚度的楼板计算，当截面中和轴在混凝土50mm厚现浇层内时，两者是等效的，当中和轴位于下部压型板凹槽内时，按照等厚度的楼板计算时，实际配筋量是偏小的。计算支座负弯矩配筋时，按照等厚度楼板计算则与实际受力相差较大，
图2.3-1T形单筋梁简图图2.3-2矩形单筋梁简图
2.3.2 支座处按不同截面假设配筋量比较
计算参数，假定弯矩设计值为3.0kNm，混凝土等级:C30，fc=14.3N/mm2，钢筋种类:HRB400，fy=360N/mm2，纵筋合力点至近边距离: as=15mm 。
2.3.2.1按照矩形单筋梁假定计算
1）计算截面有效高度ho=h-as=125-15=110mm，
2）计算相对界限受压区高度
ξb=β1/(1+fy/(Es*εcu))=0.80/(1+360/(2.0*105*0.0033))=0.518
3）. 确定计算系数
αs=γo*M/(α1*fc*b*ho*ho)=1.0*3.000*106/(1.0*14.3*58*110*110)=0.299
4）. 计算相对受压区高度
ξ=1-sqrt(1-2αs)=1-sqrt(1-2*0.299)=0.366≤ξb=0.518 满足要求。
5）. 计算纵向受拉筋面积
As＝α1*fc*b*ho*ξ/fy=1.0*14.3*58*110*0.366/360=93mm2
2.3.2.2按照等厚度楼板假定计算
1）. 计算截面有效高度
ho=h-as=125-15=110mm
2）. 计算相对界限受压区高度
ξb=β1/(1+fy/(Es*εcu))=0.80/(1+360/(2.0*105*0.0033))=0.518
3）. 确定计算系数
αs=γo*M/(α1*fc*b*ho*ho)=1.0*3.000*106/(1.0*14.3*200*110*110)=0.087
4）. 计算相对受压区高度
ξ=1-sqrt(1-2αs)=1-sqrt(1-2*0.087)=0.091≤ξb=0.518 满足要求。
5）. 计算纵向受拉筋面积
As＝α1*fc*b*ho*ξ/fy=1.0*14.3*200*110*0.091/360=79mm2
两者相比较可以看出，不同假设条件下钢筋量相差20%左右，在进行楼板设计时应引起注意。
3.结语
与钢筋混凝土结构相比，钢结构设计更应该注重整体和构件的稳定性设计，节点的连接设计及钢结构的防腐、防火等方面的设计内容。
参考文献：
【1】《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
【2】《钢结构设计规范》GB50017-2003
【3】李星荣 魏才昂等 《钢结构连接节点设计手册》第二版
【4】《钢结构设计规范应用讲解》 中国计划出版社 2003