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2加建工程的现状
我国加建设计起步比较晚，与世界先进国家之间存在着一定的差距。随着社会的不断发展与进步，科学技术水平的不断提高，加建工程得到了很大的发展空间，并且在我国各地都开展了一些旧房挖潜、改造、加建等工程，并且在上海、重庆、广州、贵阳、昆明等地都将旧房改造工程列入到了城市规划项目当中，颁布了相应的文件与规章制度。由此可以看出，我国加建工程得到了很大的发展空间。1)由以往的单个房屋加建发展为成片住宅区的加建工程;2)各种新材料、新工艺应用到了加建工程当中;3)轻钢结构加建技术得到了深入的分析与研究，并且在加建工程中得到了广泛的应用。
3钢结构加建的优缺点
开展钢结构加建工程的时候，具有以下优点:1)节约土地，提高土地面积的使用效率，缩短建设工期;2)因为钢结构的自重比较轻，因此，加建部分的荷载作用对原结构的影响非常小，不需要单独对地基进行加固处理，这样不仅可以减少工作量，还可以缩短工期，节省部分施工成本;3)钢结构具有较强的多样性，在进行加建的时候，可以充分发挥空间的优势，降低对原建筑结构的影响;4)钢结构加建的适用范围比较广，不仅可以对房屋建筑进行加建，还可以对工业建筑进行加建，因此，在建筑加建工程中得到了广泛的应用。当然，其也存在着一些缺点:1)在进行钢结构加建之后，其整体建筑结构就会呈现一种上柔下刚、上轻下重的质量与刚度分布，导致建筑整体性较差，缺乏一定的抗震性能;2)钢结构耐久性较差，在进行加建的时候，需要进行防腐、防火等措施的考虑，这样就会增加一些建筑材料的使用，此时不仅会涉及到原材料的质量问题，还要考虑原材料的成本问题，因此，存在着一定的不足。
4混凝土框架顶层加建钢结构设计
1)楼板设计。在设计楼板的时候，现阶段一般选用的都是现浇灌技术。目前，现浇灌技术是楼板设计中最为常用与有效的方法，在采用此种方式进行钢结构施工的时候，可以有效提高建筑结构整体的稳定性、牢固性与安全性。同时，在钢结构施工中，此种方法可以对出现的问题进行灵活的处理与调整，根据实际情况，提出有效的解决办法，保证楼板设计与施工的顺利进行，确保建筑工程的整体施工质量。2)梁设计。在进行梁设计的时候，一定要结合国际设计标准与实际设计情况，制定合理、科学的钢构设计要求:首先，在进行梁设计的时候，一定要保证其截面宽度不会低于200mm，同时宽度与高度之间的比值不要超过4。其次，在梁设计中必然要使用一些钢筋，对其使用钢筋也要进行一定的规定，保证梁结构具有一定的硬度与抗震性能，进而确保建筑工程整体结构的牢固性与安全性。最后，在设计扁梁的时候，一定要保证梁中线和柱中线重合，采用双向布置结构。同时对扁梁进行严格的计算与设计，保证其结构的合理性与科学性，增强建筑工程整体结构的稳定性。3)柱设计。在进行柱设计的时候，一定要保证其截面符合设计标准:通常情况下，柱截面宽度与高度均不可低于300mm，柱直径一定要超过350mm，截面短边与长边的比值不可以超过3，柱纵向钢筋配比不可以低于0．2%等。在设计柱的时候，一定要严格遵照以上要求，这样才可以保证柱设计的合理性与科学性，同时增强钢结构的稳定性，保证建筑工程施工的顺利完成。4)基础承载重量构件设计。在进行基础承载重量构件设计的时候，一定要综合考虑各方面的因素，结合建筑负荷、结构形式、施工状况等，加强基础设计的合理性与科学性，使其达到建筑工程整体设计要求。针对设计不合理、不符合要求的部分，一定要进行相应的修改，保证其设计的合理性与科学性，这样才可以保证建筑工程整体的施工质量。
1．前言
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》公布以来已经快三年。这几年，这类工程发展，《规程》起了很大推动作用，但也陆续听到一些令人不安的情况。今冬雨水较大，降雪较多，有些地方雪特别大，结构压坏恐怕很难避免，但有的地方雪不大房子也有垮的，漏水的更多。最近某厂屋顶漏水解决不了，找到钢结构委员会来了，不是雨水，是冷凝水，以前还没有碰到过。另外，也看到一些工程，有的框架梁太细，令人担心，遇到大雪很可能出问题。有的骨架立起来摇摇幌幌，没有支撑，说装上墙板就好了，好象有了墙板就可以不要支撑。现在排架多起来。用钢筋砼柱、轻钢梁，造价较低，但有的严重不合规定。现在是市场驱动，有些企业搞承包能省就省，尽量压低造价，管它是否符合规定。有的连规定也不清楚。利用开年会的机会，结合了解到的一些情况，就门式刚架房屋设计施工中的问题，作一个发言，抛砖引玉，希望和与会代表交流，取得一致看法。
2．设计方面
1）屋面活荷载取值
框架荷载取0.3kN/m2已经沿用多年，不打算修改。但屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5kN/m2。《钢结构设计规范》征求意见稿规定不上人屋面的活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6。门式刚架一般符合此条件，所以可用0.3kN/m2，与钢结构设计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15-0.5N/m2的附加荷载，而我们无此规定，遇到超载情况，就要出安全问题。现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有克扣荷载情况，今后应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“挖潜”。
2）屋脊垂度要控制
框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度？过去不明确，它可能讲课时说过不包括屋脊点垂度。现在了解到，美国是计算的。他们作框架分析，一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于要验算跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。要的度本来就小，脊点下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。现在打算做个规定，刚架侧移后，当山尖下垂对坡度影响较大时（例如使坡度小于1/20），要验算山尖垂度，以便对屋面刚度进行控制。
3）钢柱换砼柱
少数单位设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接。多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很并，在外力作用下很容易松动和破坏。还有的单位，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。应当指出，砼柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成砼柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，要的工程斜梁很细，可能与此有关。建筑结构是一门科学，如果不按科学办事，是要吃苦头的。今后国家要执行建筑法，实行强制性条款，违反其中一项，出了工程事故，是要受罚的。
4）檩条计算不安全
檩条计算问题较大。檩要是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效。有效宽度理论是在《冷弯薄壁型钢构件技术规程》中讲的，有的设计人员恐怕还不了解，甚至有些设计软件也未考虑。但是，设计光靠软件不行，还要能判断。软件未考虑的，自己要考虑，否则就不需要高级工程师了。再有，设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略钉孔减弱。这种减弱，一般达到6-15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。《规程》3.1.7条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算，受压强度应按有效截面计算，稳定性应按有效截面计算，变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。曾有人问，这条规定是什么意思？如果有人再提这样的问题，我想问他，钢结构学过没有？因为这是钢结构的基本概念问题。如果这样的问题都签不出，说明他还不具备钢结构的设计资格的。有的单位看到国外资料中檩条很薄，也想用薄的。国外檩条普遍采用高强度低合金钢，但我国低合金钢Q345的冲压性能不行，只有用Q235的。人家是按有效截面计算承载力的。如果用Q235的，又想用得薄，计算时还不考虑有效截面，荷载稍大时檩条就要垮。
3．施工方面
1）柱子拔出
有的刚架在大风时柱子被拔起，这是实际中常出现的事故。主要原因不是刚架计算失误，而且设计柱间支撑时，未考虑支撑传给柱脚的拉力。尤其是房屋纵向尺度较小时，只设置少量柱间支撑来抵抗纵向风荷载，支撑传给柱脚的拉力很大，而柱脚又没有采取可靠的抗拔措施，很可能将柱子拔起。，因此，在风荷载较大的地区刚架柱受拉时，在柱脚应考虑抗拔构造，例如锚栓端部设锚板等。
2）没有柱间支撑
这种情况最近较多，需要大声疾呼，这样不行。蒙皮作用虽然各国都在研究，但没有任何一本规范允许不设支撑。蒙皮作用的影响因素太多，并非在任何情况多能发挥作用。特别是柱间支撑，受力较大，绝不能省略。蒙皮作用最多只能视为一种刚度储备。
3）端板合不上
端板连接是结构的重要部位。由于加工要求不严，而腹板与端板间夹角又，有的工程两块端板完全对不上，合不起来。强行用螺栓拉在一起，仍留下很宽缝隙，严惩影响工程质量。
4）锚栓不铅直
框架柱柱脚底板水平度差，锚栓不铅直，柱子安装后不在一条直线上，东倒西歪，使房屋外观很难着，这种情况不少。锚栓安装应坚持先将底板用下部调整螺栓调平，再用用无收缩砂浆二次灌浆填实，国外此法施工。最近在上海讨论轻钢施工验收规程，不少专家强调了这种方法。
5）保温材吸水超重
有些房屋雪不大就垮了，究其原因，是屋面防水施工太差，雪融化后水逐渐渗入，为保温村所吸收。今年冬季落雪多次，迁延时间较长。屋面的设计荷载很小时，当吸水量达至一定程序，超过了结构的承载能力，就要倒塌。
6）保温材料胡乱安装
保温材料一般采用玻璃棉，其厚度根据热功计算确定。正规做法是采用背面带铝箔隔汽层的玻璃棉，有的不用铝箔，用牛皮纸，我不清楚牛皮纸是否可作隔汽层，如果可以，也比不用任何隔汽层好。防止冷凝水向室内滴水，是房屋的使用要求之一。有人以为铝箔只是为了美观，或承受拉力，实际上它的主要作用是作隔汽层。承受悬挂时的拉力还可以用玻璃纤维布或钢丝网。现在看到有些工程，玻璃棉不用任何隔汽层。另外，当采用内层钢板吊顶时，不是将保温卷材压在檩条上，而是为了施工方便，将保温材剪断，放在檩条之间的吊顶上，形成冷桥。某工程在这样处理的同时，又将吊顶钢板搭接方向弄反。加之，冬季混凝土地坪施工作业时，将周边门窗关闭，由于室内外温差大，大量水汽在屋顶凝集，由吊顶钢板搭接处流下，形成了“外面不下里面下”的状况，使工程不能交工。经验告诉我们，当保温卷材有隔汽层并保持接缝处密封时，卷材是干燥的，无隔汽层时卷材是湿的。在水份的长期浸泡下，随着时间的推移，保温棉将被逐渐压实，最终失去应有的保温作用，因此安装方法是否对头，关系很大。
2深化设计内容及方法
2.1空间坐标及平面定位
由于本工程“扭转上升并内敛”的结构特点，塔楼框架钢柱每一层坐标都在变化，结构控制点坐标的定位是关键，根据设计院提供的结构坐标在CAD中放样再局部修正并导入Tekla软件中。在雨篷和裙房深化中，建筑外形呈空间扭曲造型，结构定位相当困难，只能根据建筑三维模型及幕墙预留空间找结构坐标，再进行结构布置及优化，并提交设计院审核。
2.2节点设计及优化
1)柱脚节点设计考虑到现场安装方便，增加横向固定钢板将14件直径为30mm的锚栓固定，同时也起到加强锚栓和混凝土结合力的作用，使整体受力更加可靠。2)梁柱节点设计梁柱连接采用强节点弱构件设计，环向牛腿板使整体强度更加可靠，与钢柱和钢梁全熔透焊接能有效传递弯矩、防止局部变形。梁与牛腿腹板高强螺栓连接按照抗剪等强配置，若螺栓过多无法排布可适当折减保证抗剪承载力≥600kN(设计值)。3)钢梁与混凝土剪力墙连接实际施工过程中混凝土浇筑及钢结构安装累积误差可能在10～20mm或更大。在钢梁与剪力墙连接时深化设计要充分考虑，一方面将钢梁端与剪力墙间隙设计到20mm，另一方面连接板在加工时再留20mm余量，现场安装时可根据实际情况切割，此方法可避免扩孔，保证高强螺栓有效传力。4)屈曲支撑节点设计屈曲支撑节点设计时节点承载力应大于屈曲支撑的极限承载力，以保证强节点的要求。屈曲约束支撑与框架结构铰接，因此节点构造应减小转动刚度，尽量减少二次弯矩。根据建筑外观的要求，节点采用销轴连接方式。5)椭圆Y形柱节点设计椭圆Y形柱作为转换构件，必须提供更直接、更有效的传力方式。深化时对原设计的节点做了一些优化:将变截面管的上端尺寸增大，这样分叉的两圆管柱间就有足够的间隙，并取消原设计的现场焊缝，将现场焊缝移至上一层楼面以上。优化后的节点可以避免焊缝集中、方便混凝土浇筑、传力简洁、加工制作简单。
2.3参数化节点建模
对于高层钢结构来说，一般标准层结构布置和荷载相对变化不会太大，再加上结构对称性等原因，在同一层不同位置或不同层同一位置构件截面及连接形式会相似甚至相同，可直接利用Tekla自带节点库，这会给建模工作带来很多方便。宁波中银大厦从下到上旋转内收，和以往高层有很大不同，特别是在梁柱连接上没有一个完全相同的节点。塔楼中间为混凝土核心筒，由一圈钢管混凝土柱和环向梁组成，径向梁一端连接钢柱，另一端与核心筒连接。节点主要有径向梁、环梁与钢柱的刚接节点、径向梁与核心筒埋件的铰接节点、主次梁铰接节点、主梁开孔节点。虽然节点类型不多，但是截面种类繁多，若每个节点一一放样则工作量较大。对于钢柱现场拼接节点、主梁开孔节点、钢梁吊耳码板等标准节点可以做成自定义节点。对于主次梁铰接、钢管柱与钢梁刚接等节点形式类似，只是具体节点板厚、螺栓数量不同，因此节点可以做成带参数的自定义节点。例如钢管柱与钢梁刚接节点，可以按照节点计算结果把每种截面对应的节点板厚度与螺栓大小、间距、数量、等级等信息做成文件或表格，再利用自定义节点中的函数把节点需要的信息从文件读取进去，从而生成正确的节点。也可以把节点计算的过程写成文件，通过自定义节点提供的原始数据直接算出结果返回给节点。这样大大节约了节点建模时间，且能保证准确率。
2.4图纸设计
深化设计图纸包括设计说明、布置图、构件图、零件图及各类清单。钢柱及钢梁构件图表达的内容较多，包括每个零件装配定位信息、焊缝形式及等级、零件尺寸、零件材料表等，每一项内容都需要技术人员精心、细心地编制，都需要有丰富的技术经验作为基础，技术人员设计出来的图纸必须满足工厂制作和现场安装的需要，确保图纸的准确性、完整性、适用性、可行性。
2.5材料排版
利用Tekla自身优势进行材料排版，为材料采购和工厂数控下料提供了有力的技术支持，有效控制了材料损耗。
2.6数字化信息技术
在进行三维建模同时将现场焊缝、工厂焊缝建入模型中，每一条焊缝有一个独立的编号，可直接生成焊接地图及焊缝报表，Tekla提供先进的数字化制造平台为高效率工厂制作提供了技术支持，同时为焊接质量控制和检测提供了简单直观的数据资料。
提起钢结构用钢大家并不陌生,像Q235和Q345这样的钢材是最常用的,也是生活中接触最多的。的确,从材性、材质方面看,现在市场充分供应的Q235及Q345号钢的各类钢材,可以保证建筑钢结构的基本需求。钢结构是以钢材制作为主的结构,是主要的建筑结构类型之一。它的基本特点是强度高、自重轻、刚度大、材料匀质性和各向同性好。
因此,用什么类型的钢材对钢结构的影响很大。下面就从钢结构用钢的钢种钢号及版带钢中的钢结构用钢这两方面对钢结构的选用做一介绍。
一、钢结构用钢的钢种钢号
1.普通碳素结构钢
普通碳素结构钢,按用途可以分为:一般用途普通的普通碳素和专用普通碳素钢。
按含碳量及屈服强度高低分为5种牌号:Q195,Q215,Q235,Q255,Q275.QISH其中钢结构主要用Q235号钢。Q215和Q255也可作结构用,但是产量和用量相对较少。
使用该标准钢号要注意一下几点:
(1)该标准钢号主要用作工程用和一般结构用钢。
(2)该标准钢在在使用品种方面主要有钢板,钢带和型钢。
(3)该标准钢号可用作焊接和栓接结构用钢。但焊接结构不宜选用A级钢,除非有含碳量<0.0022的保证,以保证良好的可焊性。
(4)该标准钢号一般在热轧状态下交货和使用。
2.焊接结构耐候钢
在钢中加入少量合金元素,其耐候性较焊接结构耐候钢更好。其牌号为Q295GNH,Q295NHL,Q345GNHL。
3.低合金钢
低合金钢,按用途可以分为:低合金结构钢:耐腐蚀用钢:低温钢:钢筋钢:耐磨钢:特殊用途的专用钢。按屈服强度高低分为5种牌号,每牌号钢中分别包含了若干钢种,其中钢结构用为Q345,Q390,Q420三个牌号。
二、板带钢中的钢结构用钢
结构用的板带钢主要有:热轧钢板和钢带,冷轧钢板和钢带,花纹钢板以及高层建筑结构用钢板。
三、钢材选用的标准
1.用于承重的冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢和钢板,应采用先行国家标准《碳素结构钢》GB/T700规定的Q235钢和《低合金高强度结构钢》GB/T1591规定的Q345钢。
2.门式刚架、吊车梁、和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用Q235B或Q345A及以上等级的钢。非焊接的檩条和墙梁等构件可采用Q235A钢。当有根据时,门式刚架、檩条和墙梁可采用其他牌号的钢制作。
《钢结构设计规范》GB50017-2003中3.3.1规定,承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢,其质量应分别符合现行国家标准碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时,尚应符合相应有关标准的规定和要求。
这些都是钢结构的一些用钢,当然还有其他的。以钢材制作为主的结构,是主要的建筑结构类型之一。钢材的特点是强度高、自重轻、刚度大,故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜;材料匀质性和各向同性好,属理想弹性体,最符合一般工程力学的基本假定;材料塑性、韧性好,可有较大变形,能很好地承受动力荷载;建筑工期短;其工业化程度高,可进行机械化程度高的专业化生产;加工精度高、效率高、密闭性好,故可用于建造气罐、油罐和变压器等。其缺点是耐火性和耐腐性较差。主要用于重型车间的承重骨架、受动力荷载作用的厂房结构、板壳结构、高耸电视塔和桅杆结构、桥梁和库等大跨结构、高层和超高层建筑等。钢结构今后应研究高强度钢材,大大提高其屈服点强度;此外要轧制新品种的型钢,例如H型钢(又称宽翼缘型钢)和T形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。由于钢结构的这些特点,它将会在建筑方面占有很重要的地位。
参考文献:
[1]中华人民共和国建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.钢结构设计规范.
一、钢结构构件及特点
钢结构构件的另外一个特点是截面多样性：一方面，钢材的各向匀质性使得它可以被加工成各种形状，这与木材的各向非匀质性区别显著：同为线性结构构件，钢结构的截面多样性是木结构所无法比拟的，这也是有工字钢而没有“工字木”的原因，杆件结构中连接构件几乎全部是钢也说明了这一点；另一方面，钢结构构件的截面形状也对连接设计也产生强烈的影响。在受力范围允许的情况下，不同型钢的选择可以导致不同形式的连接。
二、连接设计受到的约束
钢材种类繁多，耐受力也不尽相同，连接设计通常受到以下因素的制约：
1．构件的来源：理论上钢结构构件或是连接构件具有任意加工性，但在各具体项目中，结构构件与连接构件总会受到现实条件的制约。有经验的设计师通常选择容易获得，方便安装的型钢，并设计出简单有效的连接方式与连接构件。
2．连接手段的限制：钢结构的施工特点之一是采用工厂加工、现场装配。这是区别于传统砌筑方式而产生大量节点的原因。各种型钢之间的连接，主要有三种手段：铆接、焊接和栓接。钢结构建筑的早期多采用铆接，施工简单但需要在构件上挖出洞口而降低了断面性能，容易在节点处产生集中应力，近来较少采用。采用焊接的节点，外观简洁而荷载传递效率连续，但施工作业要求较高。后期出现的高强度螺栓连接，同样可以达到类似焊接的强度要求，在现代钢结构中大量采用。
3．连接构件具有层级性：钢结构建筑结构体系之间存在复杂而逻辑的层级关系，在连接层面，这种层级关系反映为构件尺寸与安装先后的差异。连接的目的是实现层级转换，也是实现力由三维向二维转化、最终传递到一维构件的关键。复杂的连接通常由立体连接构件、平面连接构件组合完成。
4．连接构件所处的平面：两个线性结构构件总是处在一个平面内，该平面为构件应力的发生平面，连接构件为了有效抵抗这个平面内的应力、弯矩或剪力，常常设计在此平面内，如钢管与拉索的焊片总处在这两者构成的平面中；在多个构件的连接情况下，组合的平面构件可以与立体的受力情况相对应。
三、连接对象的原型与连接的分类
钢结构建筑的结构构建包括杆件与索两种基本类型，由此产生的连接方式可分作索与索的连接，杆件与杆件的连接，索与杆件的连接。无论平面结构或是空间结构，由于构件单体的线性特质，结构体系的复杂与否并不会导致更多类型的连接，而复杂的连接可看作由这三种基本类型组合而成。
1．索与索的连接
索在结构体系中只承受拉力，内力沿索的轴线不变，索的截面不会因长度变化而变化。其连接特点如下：
a.位于端部的连接必须通过索套来实现。（图1）
b.位于索中部的连接可由各类夹具来完成。
c.多根索的连接需要设计新的节点，根据索与索结合方式的不同而各有差异：如常见的单层或双层索结构，根据布置方式的不同又可以出现平行或辐射等形式。索网的轻质有效，迎合了人们对轻巧与透明的普遍追求。皮亚诺设计的位于意大利的BancaPopolarediLodi总部室外广场的玻璃顶（图2），受力结构由上下两组索网相互拉接而成，玻璃夹在结构中间，并由水平向的联系索加强稳定，固定于四周混凝土墙体之上，所有节点均为索－索连接，轻盈而透明的屋顶表现了索在特定场合的优势。
2．杆件与杆件的连接
杆件较索更早出现，应用也更广泛，由于杆件既可受拉也可受压，这使得杆件之间的连接设计也较索更为复杂多变。决定杆件连接设计的因素主要有以下两个方面：a．杆件之间的交角，b．杆件各自的截面形式。前者由结构体系决定，后者可以在连接设计阶段选择不同型钢或进行组合，以方便连接构件的设计。
在交角非垂直的情况下应该谨慎选择构件截面，降低节点设计难度。在柏林某信息中心（图3）的梁柱连接中，圆钢管柱被突兀地截断，然后与多块钢板焊接于工字钢梁，交接显得十分机械而僵硬。与之形成对比，赫佐格设计的汉诺威展览大厅（图4）屋顶处梁柱连接设计中，一方面，选择拉索避免了杆件间的非垂直交接；另一方面，方形钢管柱在连接处的分解与圆形变化，使其与圆形钢管梁之间的连接过渡的自然合理。
在贝聿铭设计的美秀博物馆（图5）屋顶构架中，多根杆件的立体交接没有采用常规球形节点做法，而是设计了一个多方向板式铸钢节点构件，横向钢管贯穿其间且保持截面不变，其余构件在节点处转化为钢板与节点构件用螺栓连接，从而保证了结构面与屋顶面平行，取得简洁平整的效果。如若用普通球形节点，那么庞大的节点势必使屋顶构架显得沉重，也无法反映传统木构建筑中榫卯连接的简洁，更难以取得这样的艺术效果。
3．索与杆件的连接
虽然索最符合钢材的材料性能，但由于它是只具备单向抗拉性能的柔性构件，所以索与杆件结合组成的结构体系可以取得轻盈与稳定的双重优势，如近年来在大跨领域十分流行的张拉弦结构。即使在较小跨度建筑中，索与杆件组合的方式也相当普遍。
连接设计根据索的连续与否，须采用不同的连接件以对应：位于索端部的连接，需要通过索套、螺栓、焊片一系列构件与杆件固定，此种连接程序构造简单合理，应用也十分普遍，同时可以选择索套夹焊片或是焊片夹索套两种不同的方式。如意大利热那亚旧海港的重新开发项目中（图6），索膜与杆件的连接在分别涂以灰色和白色的不同的层级中采用了上述两种方式。但也可以通过索套的特殊设计与杆件直接结合，需要注意的是焊片的省略意味着索套必须承担转化索与杆件所成角度的功能，如吉芭欧文化中心（图7）拉索与基座的连接：尺度夸张有力且旋转了一定角度的索套整合了焊片的功能，使得这一节点在此类连接中独树一帜。位于索中部的连接，可以采用索夹，索卡（少数情况下也可采用焊接的办法）来固定索与杆件的位置。汉诺威贸易交易大厅（图8）鱼腹梁中，上弦杆与下弦索的连接设计采用了索卡固定。
四、连接设计的方法
在相当一部分的钢结构建筑中，结构对于构件形式与尺寸的要求并不十分苛刻，这就给构件与连接设计带来相当大的设计余地。建筑师对于构件形式与尺寸的选择与连接设计或者说连接形式息息相关。对国内设计师而言，实际情况常常是有限的型钢选择与为数不多的成型连接构件，所以设计方法就显得尤为重要，即使这些方法或手段常常带有纯粹表现的色彩。
1.分解分解的对象是结构概念中抽象的单一构件，在实际连接中常表现为构件数量的分解或截面形式的分解。这一手法在包括了钢结构的杆件体系的连接设计中颇为常见，如悬挂结构中的受压杆常分解成几根杆的组合；柱子常分解为束柱等等。这些分解有的是出于结构受力的需要，有的仅仅是为了在构件中制造间隙，方便连接。复杂节点采用分解设计有利于提炼出连接的基本形式，从而达到简化连接概念，整合节点设计的目的。
位于美国休斯敦名为CyTwombly画廊（图9，图10）的钢结构屋顶连接设计中，大量运用了分解的概念，巧妙地将多层的屋顶结构与遮阳系统结合起来。首先是由工字钢组成的网格状遮阳结构，天窗结构悬挂在遮阳结构之下。由于受拉构件更符合钢材力学性质而尺寸较小，因此悬挂的拉杆没有分解，而钢梁受力较为复杂（受弯、剪），故尺寸较大且由一根分解作两根。整个屋顶设计逻辑清晰，与屋顶功能上的分层概念相得益彰。
2.转化截面形式的考量与尺寸的转化也是连接设计的主要问题。转化的目的是为了缩小构件截面，方便连接设计。构件截面一般可分为两大类：管状类截面（如圆钢管）及非管状类截面（如工字钢）。前者之间的连接往往需要缩小截面，如网架球节点处的缩小了的实心钢管。后者之间的连接通常对构件做简化处理，如去掉宽翼，只保留型钢的高度部分，而且常与分解设计相结合。除了改变构件截面形状外，沿垂直于构件轴线的面将构件切断后，再设计新的节点去连接也是经常使用的方法。如前面讨论过的美秀博物馆（图2）屋顶构架节点中，钢管截面的转化不仅带来连接的便利，也使得节点设计的灵活性得以体现，在表达传力的同时，利用雕塑似的造型设计将力的流动视觉化、艺术化。
3.整合整合设计立足于减少构件种类及数量，简化连接方式，强调结构形式方面的整体性，使得这类设计作品往往具有优雅的形象。这种方法有两个前提：1）各节点受力方式相同。2）结构构件截面形状类似、尺度近似。受力方式相同保证了选择相似截面的科学性，截面形式相似、尺度近似则保证了视觉的整体性。
福斯特设计的由钢和玻璃组成的英国剑桥法律系楼（图11）的外表皮，模糊了窗、墙、屋顶之间的概念，构件间的连接采用整合设计正好表达了这一思想。编织状的表皮是由许多高度极小的拱型空腹梁交织而成的结构，所有构件皆为圆形钢管焊接，整个结构显得匀质而典雅。无独有偶，OMA设计的西雅图中央图书馆（图12）的表皮设计运用了同样原理。为了达到整合的效果，整个建筑的所有表面完全由相交成菱形的工字钢组成，工字钢截面形状、尺度大小完全一致，联结方式也统一采用铆接，经过受力分析计算，在受力较大、需要加大截面高度的地方采用了两根或三根工字钢叠加完成，手法理性而又浪漫，成就了图书馆安静祥和的气氛。
结语
尽管类型可以分析归纳，方法可以分类总结，但这并不意味着设计成了教条，也不意味着获得优秀设计有了方程式。由于对钢材性能的挖掘与对形式极致的追求，导致连接设计包含了大量的技术性因素，即使这样，连接构件的设计也不应成为工程师或构件商的责任，因为技术的扎实储备始终是建筑师获得优秀连接设计的无法超越的渐进步骤。虽然符合钢材性质的连接方式（铆接、焊接、拴接）必须要遵循这些定律并在钢材的允许范围内进行设计，但是优秀的设计仍然能够找到优美的连接的形式而不会因为受到约束而产生刻板的机械产品。即使美观在各个时代的评价标准存在差异，但一种内在的、符合材料逻辑的吸引力必然会突破风格或理论的限定而达到美的真谛。
主要参考书目及文献：
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1 引言
钢结构由于其高强度和良好的抗震性在建筑中得到了越来越广泛的应用，钢结构不仅能够节省空间，而且还能降低工程成本，但是稳定性是钢结构的一个突出问题。钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，是目前亟待解决的首要问题。
2 钢结构设计的原则
根据稳定问题在实际设计中的特点提出了以下三项原则并具体阐明了这些原则，以更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定。
（1）结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求
目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。
（2）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致
目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。在实际工程中，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种，即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。这种情况若按规范的系数计算，都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。
（3）设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。
结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。
3 钢结构稳定设计的主要特点
（1）失稳和整体刚度： 现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。
（2）稳定性整体分析：杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体稳定。稳定分析必须从整体着眼。
（3）稳定计算的其它特点：在弹性稳定计算中，除了需要考虑结构的整体性外，还有一些其他特点需要引起重视。首先要做的就是二阶分析，这种分析对柔性构件尤为重要，这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响；其次，普遍用于应力问题的迭加原理，在弹性稳定计算中不能应用。这是因为迭加原理的应用应以满足材料变形服从虎克定律，应力和应变成正比，结构的变形很小等两个条件为前提。
而弹性稳定计算一般均不能满足结构变形很小的条件，非弹性稳定计算则两个前提都不符合。
了解了在钢结构设计中应该明确的一些基本概念，有助于我们在设计中更好地处理稳定方面的问题，随着新型钢结构体系的不断发展，我们对稳定问题的研究要求也必须不断地提高，之所以在设计中出现结构失稳问题，另一个重要原因就是我们对新型结构稳定知之甚少，这也是目前钢结构稳定研究中存在的问题。
4 钢结构主要构件设计
（1）柱
钢结构住宅一般为大开间，框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应该考虑强柱弱梁的 要求。而目前广泛使用的焊接H型钢或I字热轧钢截面，强弱轴惯性矩之比3～10，势必造成材料浪费。因 此对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱是适宜的。对于方钢管混凝土柱，不仅截面受力合理，同时可以提高框架的侧向刚度，防火性能好，而且结 构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。因此，尽管平面受力结构中，选用H型钢或I字钢在受力上还是合理的但总体上，箱形钢管柱尤其是方钢管混凝土柱应得到广泛应用。方钢管混凝土柱将是钢结构住宅发展 的 主要方向，但由于缺乏相应的规范、规程，目前在住宅中应用还很少。尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂，不利于工厂制作和现场施工，应加大力度开发研究。
（2）楼盖
在多层轻钢房屋中，楼盖结构的选择至关重要，它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是 保证与抗侧力结构的空间协调作用；另外从抗震角度来看，还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。常用的楼盖结构有：压型钢板-现浇混凝土组合楼板，现浇钢筋混凝土板以及钢-混凝土叠合板， 而以第一种最为常用。目前，在多层轻钢房屋整体分析时，还普遍不考虑楼盖与钢梁的组合作用，即使设置抗剪键，也偏保守地假设钢结构承受全部荷载，这样不仅增加材料用量和结构自重，反而会造成强 梁弱柱的不利情况。有一6层算例，考虑楼盖组合作用对梁刚度以及结构整体刚度的影响。 算例表明，考虑组合作用后主梁的刚度大大增加，使得梁的挠度和地震作用下柱顶的侧移大为减少，此考虑组合作用应予关注。为使楼层高度减到最小，提供更大的空间，组合扁梁楼盖也成为一种趋势。
（3）支撑体系
支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种，前者耐震能力较差，后者在强震作用下具有良好的吸能 耗能性能，而且为门窗洞的布置提供了有利条件，目前国内用的还很少，建议在高烈度区首选偏交支撑。常用的EBF偏交支撑形式此所示。剪切型耗能梁段，加劲肋按以下公式设计：a=29tw-d/5，（γp=±0.09rad）（1）a=38tw-d/5，（γp=±0.06rad）（2）a=56tw-d/5，（γp=±0.03rad）（3）式中，a―加劲肋间距，d―梁高，tw―腹板厚度，γp―塑性转角；弯曲型耗能梁段还需在 梁段端点外1.5bf处加设加劲肋。
（4）节点抗震计
框架梁柱节点一般采用两种连接方法，根据“常用设计法”，即翼缘连接承受全部弯矩，梁腹板只承受全部剪力的假定进行设计。震害表明，这种设计不能有效满足"强节点弱杆件"的抗震要求，在高烈度区隐患很大。改进框架节点设计，在梁端上下翼缘加焊楔形盖板或者将梁端上下翼缘局部加宽盖板面积或加大的翼缘截面面积主要由大震下的验算公式确定：式中：为基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力，全部由局部加大后的翼缘连接承担；为梁件的全塑性受弯承载力；为基于极限强度最小值的节点连接最大受剪承载力，仅由腹板的连接承担；为梁的净跨；为梁在重力荷载代表值作用下按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。
5 结语
2钢柱拼接节点
圆管柱的工地拼接，采用全熔透坡口对接焊缝，焊缝质量等级为一级。根据《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》规定，下段圆管柱成品应在现场拼接节点位置设置内衬垫管，并在钢管的四个方向上设置安装耳板。待上段钢柱吊装就位后，用安装螺栓将耳板链接，使待拼接的上、下两段圆管柱对接固定后，进行现场焊接作业。焊接部位上下各100mm范围的区域内，不得涂刷防腐油漆。
3梁、柱连接节点
梁、柱的连接节点构造应与连接类别的受力特征假定相符，根据强柱弱梁的原理，通常采用柱贯通的形式。梁、柱的连接构造主要有以下几种形式：全焊接节点、栓焊混合节点及全螺栓连接节点。全焊接节点的缺点在于焊接工作量过大，并且在同一节点处焊缝数量过多的话，宜造成节点区焊接应力过大，甚至变形，影响其他钢构件的连接。全螺栓连接节点，螺栓的数量可通过梁柱连接节点产生的内力来计算螺栓的数量。采用此方法，首先应先确定梁柱连接节点所产生的内力，包括弯矩、剪力、轴力，再根据内力来计算节点区螺栓的数量。全螺栓连接往往需要大量的连接螺栓，因此大量的螺栓孔洞会对母材强度产生削弱。并且对螺栓孔位的精度要求较高，孔位稍有偏差既可能影响多个构件的连接。本工程采用栓焊混合节点，梁翼缘与柱采用剖口全熔透焊，主要承担节点弯矩；梁腹板与柱采用高强螺栓连接，主要承担节点剪力及轴力。栓焊混合节点的优点是既减少了工地焊接的工作量，又避免了由螺栓承担弯矩的弊端，因此被广泛采用。
4梁、梁连接节点
主、次梁的连接主要有两种连接方式，即刚接和铰接。当采用铰接连接时，次梁可视为简支梁，设计时主要考虑次梁腹板所承受的剪力，并根据螺栓等强连接的模型计算所需螺栓数量。常见的梁梁铰接节点如下图1、图2所示。图2所示的连接节点，螺栓孔对主梁易产生偏心距使主梁局部承受扭矩，且外伸的连接板在构件的运输过程中易损坏、变形。因此建议将梁梁连接的铰接节点采用图1的节点形式。
随着我国钢结构建筑的迅速发展，轻钢结构的发展也是如火如荼，特别在工业厂房的建设中则更为迅猛。其特点有：其整体刚度和抗震性能好、施工速度快、自重轻、承载力高，在大跨度及超高层建筑中代替了钢筋混凝土结构，本文拟就轻钢结构的优点、材料选择和设计中的注意点、在设计中根据其特点扬长避短才能更好地发挥钢结构的作用，就钢结构工业厂房在设计中的几个问题作简单阐述。
一、轻钢结构及其适用范围
所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结构：①冷弯薄壁型钢结构；②热轧轻型钢结构；③焊接或高频焊接轻型钢结构；④轻型钢管结构；⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。
1. 适用范围
根据我国目前情况来看，这种结构由于其用度广、优势明显，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。对单层工业厂房而言，通常以H型钢，采用焊接连接作为梁柱，以C形或Z形轻钢板作檩条，屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也可以再配钢筋。墙面围护也可采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。
2. 主要优点
⑴施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需2个月左右。
⑵综合经济效益好：由于施工周期短，可以提前投入使用，提前获取投资效益；更由于采用色彩鲜艳的彩色压型钢板，美观华丽，改善了周边环境的动态感；因为建筑物本身的自重轻，一般情况下不需要做桩基，可以节省投资；由于采用了聚苯已烯泡沫夹心板或单板加保温棉等措施后，使保温、隔热和隔章等效果良好。彩色钢板是以镀锌为基板又用硅酮作为表面，经两除两烘加工而成，耐久性也较好，根据目前我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构，当厂房的跨度越大时，其优势更为明显，这也是它赖以竞争的一大优势。
⑶抗震性能好：由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。我国是一个多地震区国家，在地震区建筑中应多多推广应用钢结构，必可大大减少地震灾害和人员伤亡。唐山地震的惨痛教训应予记起。目前，天津市已正式启动轻钢结构住宅。
⑷宜于拆卸搬迁：一旦业主对所造厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而所有这些是钢筋混凝土建筑所无法具备的。
正是由于轻钢结构的诸多优点，而且随着近年来防火、防腐新产品的不断出现，已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。
二、材料选择和设计中的注意事项
轻钢结构作为普通钢结构的衍生结构，以提高构件的截面刚度和整体稳定承载力，为此，不得不突破钢结构设计规范中对板件宽厚比限值的规定，允许板件产生局部失稳，进而利用屈曲后强度的提高。
轻钢结构门式刚架是主要的承重结构，一般是采用实腹型变截面的柱和梁组成。门式刚架的形成可以单坡、双坡和多坡，多跨建筑的中间柱多采用较接的摇摆柱。门式刚架工字截面钢构件中腹板以受剪为主，抗弯作用不如翼缘有效，增大腹板的高度，可使翼缘抗弯能力发挥得更为充分。但是，在增大腹板高度的同时，如果厚度增之过大，则腹板耗钢量太多，也是不经济的。因此，先进的设计方法是采用高而薄的腹板，而是还有相当可观的屈曲后强度可以利用。在主要为均布荷载起控制作用的结构中，在允冲击、疲劳、振动等荷载的条件下，可充分利用结构受力板件的屈曲有效截面来分析压弯杆件腹板的稳定性，从而使其腹极高厚比限值可以大幅度提高。根据天津大学所作的试验证明，当荷载超过理论计算的屈曲临界载限多时腹板才呈现凸曲变形，且凸曲变形都不大，故适当利用屈曲后强度是可行的。
当前，我国钢结构（含轻钢结构）发展的形势很好， 21世纪是钢结构快速发展时期，长期以来，由混凝土结构、砌体结构一统天下的格局将被打破，从事钢结构制造、施工企业前景宽阔，建筑设计技术人员也面临着新的机遇和挑战。笔者认为，以下几点仍需我们加以重视。
1．钢材的保温隔热与防火
钢材具有很高的导热性能，其导热系数为50w(m.℃)，当受热达到100℃以上时，其抗拉强度就会降低，塑性增大；温度达到250℃时，钢材抗拉强度会稍提高，但塑性却降低，出现蓝脆现象；温度达到500℃时，钢材强度降至很低，会致使钢结构塌落。所以当钢结构所处环境温度达到150℃以上时，就必须做隔热防火设计。其做法一般为：钢结构外侧包耐火砖、混凝土或硬质防火板材。或者钢结构刷厚涂型防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料技术规程》计算。
2．屋面支撑系统及屋面设计
屋盖支撑系统的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车吨位和所在地区的抗震设防烈度等条件来决定。一般情况下无论有檩或无檩体系的屋盖结构均应设置垂直支撑；在无檩体系中，大型屋面板有三点和屋架焊接，可起到上弦支撑作用，但考虑到施工条件的限制和安装需要。无论有檩或无檩体系屋盖均应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。对于屋架间距不小于12m的厂房或厂房内设有特重级桥式吊车或厂房内有较大振动设备的均应设置纵向水平支撑。
屋面的排水及防水设计在屋面设计中需重点考虑，根据《屋面工程技术规范》的规定，屋面坡度最小为5％，在积雪较大的地区，坡度应适当加大。单坡屋面的长度主要取决于所在地区的温差以及降雨所形成的最大水头高度。根据工程设计经验，单坡屋面长度宜控制在70m以内。目前，市场上钢结构屋面的做法常用的有两种：①刚性屋面：双层彩色压型钢板内夹保温棉；②复合柔性屋面：由屋面彩钢板内板、隔气层、保温层、卷材防水层组成。
3．温度伸缩缝的设置
温度变化将引起钢结构厂房的变形，使结构产生温度应力，当厂房平面尺度较大时，为避免产生较大的温度应力，应在厂房纵横两个方向设置温度伸缩缝，区段的长度可以根据钢结构规范来执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱的方法来处理，对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座。
4．防锈处理
钢结构表面直接暴露在大气中就会锈蚀，当钢结构厂房空气中有侵蚀性介质或钢结构处在潮湿环境中时，钢结构厂房锈蚀就会更加明显和严重。钢结构的锈蚀不仅会使构件截面减小，还会使钢构件表层局部产生锈坑，当构件受力时将引起应力集中现象，使结构过早破坏。因此，对钢结构厂房构件的防锈蚀问题应予以足够的重视，并应根据厂房侵蚀介质情况和环境条件在总图布置、工艺布置、材料选择等方面采取相应对策和措施，以确保厂房结构的安全。一般钢结构的防腐常采用防锈底漆和面漆，涂装层数及厚度常根据其使用环境和涂层性质来决定。一般室内钢结构在自然大气介质作用下，要求涂层厚度100μm，即底漆两道，面漆两道。露天钢结构或在工业大气介质作用下的钢结构，要求漆膜总厚度为150μm～200μm。且在酸环境中的钢结构要求使用氯磺化防酸漆。钢柱柱脚在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹，其保护层厚度不小于50mm。
5．立面设计
1引言
随着体外预应力技术的日趋成熟和新型建筑材料的发展，许多国家的工程师都在对大跨径桥梁的主梁轻型化问题进行研究。在上世纪八十年代，法国首先设计并建造了以波形钢腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型组合结构桥梁－Cognac桥，其后又相继建造了Maupre高架桥、Asterix桥和Dole等数座波形钢腹板的组合结构桥梁，该形式箱梁的典型结构如图1所示。自上世纪九十年代起，日本也对该类形式的桥梁进行了研究，在参考法国同类桥梁的基础上，先后修建了新开桥、本谷桥、松木七号桥等一系列桥梁，其中有连续梁桥，也有连续刚构桥，拓宽了其使用范围，发展了设计和施工技术。
波形钢板即折叠的钢板，具有较高的剪切屈曲强度，用它作为混凝土箱梁的腹板，不但充分满足了腹板的力学性能要求，而且大幅度减轻了主梁自重，缩减了包括基础在内的下部结构所承受的上部恒载，还省去了施工时在腹板中布置钢筋、设置模板等繁杂的工作。此外，波形钢板纵向伸缩自由的特点使得其几乎不抵抗轴向力，能更有效地对混凝土桥面板施加预应力，提高了预应力效率。这种组合结构能减少工程量、缩短工期、降低成本，在施工性能和经济性能方面都具有很大的吸引力。
2设计方法
当桥梁上部采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的结构形式时，和普通的钢筋混凝土箱梁桥一样，其设计需要针对施工和使用阶段的不同要求。施工阶段的计算要结合具体的施工形式，比如，连续梁桥可以采用悬臂施工、顶推法施工或其它的方法，主要的计算荷载有自重、预应力、混凝土不同龄期的收缩徐变、施工荷载等。使用阶段则要考虑汽车荷载、风荷载、温度荷载等。箱梁内通常同时设置体内和体外预应力，由混凝土顶板和底板内的体内预应力抵抗施工荷载和恒载，箱内的体外预应力用来抵抗活载。这样考虑的原因之一，是为了满足更换体外预应力钢束时结构的受力要求。
2．1纵向抗弯计算
波形钢腹板在轴向力的作用下，轴向变形很大，表现出来的等效弹性模量很小。波形钢板在纵向的等效弹性模量和板厚、波纹形状有关，可由下式计算
Ex＝αE(t／h)2（1）
式中，Ex为等效轴向弹性模量；E为钢材的弹性模量；t为钢板厚度；α为波纹的形状系数。根据此式，日本新开桥Ex＝E／617。已进行的模型实验和有限元计算的结果，进一步证实波形钢腹板在受弯时纵向正应力、正应变很小，可以忽略，即在进行截面抗弯设计时，只考虑混凝土顶板和底板的作用，并近似的认为混凝土顶板和底板内的纵向正应变符合线性分布规律，仍然按照平截面假定计算应力、布置预应力钢束。
2．2抗扭计算
箱梁在偏心荷载作用下，截面将发生扭转变形。在混凝土腹板箱梁中，扭转的影响并不大，但在波形钢腹板箱梁中，由于腹板的弯曲刚度和混凝土顶板、底板相比小得多，这对截面扭转变形的影响显著增大，会在混凝土板内产生较大的扭转翘曲应力。到目前为止，关于波形钢腹板箱梁扭转刚度的计算还没有明确的结论。通过对建成的该类桥梁的技术总结和研究，日本工程师上平等人提出了一种计算其抗扭刚度的方法(2)式中，Jt为抗扭刚度；Am为箱梁的横截面面积；b1为箱体的宽度；h1为波形钢腹板的高度；ns为钢材和混凝土剪切模量的比值；t为构件的厚度；α为修正系数(3)实际设计当中，鉴于截面扭转刚度和横隔板布置有密切关系，在不过于增加主梁自重的前提下，适当增加横隔板数量并调整间距可以有效的保证箱梁抗扭刚度。
2．3波形钢腹板的应力计算
波形钢腹板主要承受剪应力。在设计中可以偏保守地假定结构所有的剪应力都由波形钢腹板承受，忽略混凝土顶板和底板对剪应力的抵抗作用，从而计算出波形钢腹板所需的最小厚度。
波形钢腹板不仅承受上述剪应力，同时也承受横向弯曲所引起的弯曲应力，因此必须对波形钢腹板的合成应力进行验算，公式为(4)式中，σb为拉应力；σa为抗拉强度；τb为剪应力；τa抗剪强度；γ为安全系数，建议取值为1．2。
2．4波形钢腹板的屈曲稳定性计算
波形钢腹板的屈曲破坏主要有三种模式(如图2所示)。
（1）局部屈曲模式
波形钢腹板的某一个波段部分出现屈曲破坏的现象。局部屈曲强度的计算可按下式
(5)
式中，τcr?熏L为局部屈曲强度；E为钢材的弹性模量；ν为钢材的泊松比；b为腹板的高度；a为波段长；K为屈曲系数，有
(6)
（2）整体屈曲模式
波形钢腹板整体出现屈曲破坏的现象。整体屈曲强度的计算可按照下式
(7)
式中，τcr?熏G为整体屈曲强度；β为波形钢腹板两端的固定度系数；E为钢材的弹性模量；Iy为y轴的惯性矩；Ix为x轴的惯性矩，t为钢板的厚度；b为腹板的高度。
（3）合成屈曲模式
波形钢腹板同时出现局部屈曲破坏和整体屈曲破坏的现象，是处于局部屈曲和整体屈曲中间的屈曲模式。合成屈曲强度由下式计算
(8)式中，τcr为合成屈曲强度；τcr?熏L为局部屈曲强度；τcr?熏G为整体屈曲强度。
2．5波形钢腹板和混凝土顶板、底板的连接
模型实验表明，在加载后期，除了底板横向开裂外，波形钢腹板与底板交界处沿纵向开裂，随着裂缝的发展，结构刚度迅速降低，最终导致破坏，破坏特征为腹板和底板的连接部碎裂（如图3所示）。波形钢腹板和混凝土顶板、底板的连接直接关系到结构的承载力，是设计此类桥梁中非常关键的环节。
对于连接部的设计，通常的做法是在波形钢腹板的上下端焊接钢制翼缘板，翼缘板上焊接剪力钉，使之与混凝土板结合在一起（图4－a）。还可以采用在钢腹板上钻孔，穿过钢筋，再在钢板的上下端部焊接纵向约束钢筋后埋入混凝土板的做法（图4－b）。在此基础上，还可衍生出其它的连接方法。
3工程实例
自1993年起，日本从法国引进了波形钢腹板组合结构的技术，目前，日本大力鼓励设计人员在主要高速公路中采用这种结构形式。
正在建设中的中野高架桥是日本关西地区阪神高速公路段的一部分，为采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的四跨连续梁桥。全桥的立面布置见图5。主梁为单箱单室的变高度箱梁，同时设置了体外和体内预应力体系。支点梁高4．0～4．6m，跨中梁高2．0～2．2m，梁高按照二次抛物线变化。波形钢腹板采用抗拉强度490MPa、抗剪强度205MPa的耐腐蚀钢板，波长1．2m，波高200mm，钢板厚度9～19mm。为了提高主梁的横向抗变形能力，除在支点和体外预应力的转向处设置横隔板，还在纵向的不同位置加设了横隔板。主梁截面和波形钢腹板的一般构造见图6。
该桥的上部结构采用悬臂浇筑法施工，墩顶的0号节段长12m，在墩架上现浇。其余节段分别长3．6m和4．8m，均在挂篮上悬臂浇筑混凝土及拼装钢腹板。
4结语
钢－混凝土组合结构桥梁的设计和建造在国内起步比较晚，尤其是本文介绍的波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥在国内尚无实桥。与此同时，法国、德国，尤其是日本相继建设了数座此种类型的桥梁，设计和施工技术日益成熟。波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁，特别适合于中、大跨径的连续梁桥。随着国内对这种结构的研究分析工作的开展，波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥将会在我国的桥梁建设中得到应用。
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〔2〕刘磊，钱冬生．波形钢腹板的受力行为．铁道学报，2000（增）：53－56
2我国目前规范对钢筋混凝土排架设计的不足
在钢筋混凝土排架结构的抗震设计方面，GB50191—2012构筑抗震设计规范和GB50011—2010建筑抗震设计规范指导规范不同地域、不同排架结构的抗震设计。本文结合《构筑抗震设计规范》的具体条文，阐述了目前规范中钢筋混凝土排架结构中设计的不足和缺陷。有关排架结构上部屋架结构计算的规定有:
1)《构筑抗震设计规范》6．2．19条规定，针对Ⅲ，Ⅳ类场地和8度、9度时，应该考虑屋架下弦的拉压效应对结构的影响并核算屋架承载力;
2)《构筑抗震设计规范》6．2．22条规定，针对Ⅲ，Ⅳ类场地和8度、9度时，应验算变形产生的附加内力。上述两点叙述，规范使用“应”字，因此应考虑建立合适的屋架和支撑的杆系模型，否则无法得出上述内力值。在钢结构排架设计方面，钢排架结构施工进度快，造价低，但以后要经常维护保养。框架结构施工复杂，造价高，后期维护工作量低。在工程建设中，钢架也就是在排架柱方向通过设置联系梁或桁架的方式使排架柱方向形成可以抵抗纵向力下变形的钢框架(局部开间或连续开间)，具体做法可采用实腹联系梁或格构桁架———根据可设置高度选用，采用门式柱间支撑，可以留出工艺空间，还能对柱平面外予以加强。但我国处于高度使用水泥的情况，环境污染日益严重，从节能减排方面讲，钢排架结构应作为首选，但规范未给具体说明。
图1建筑剖面图
2基础设计
2.1地质条件
根据岩土工程勘察报告，工程地质情况见表1，建筑场地类别为Ⅲ类。
表1地基各岩土层设计计算指标推荐使用值表
层
号
指项
标目
值
岩土层
名称
天然
容重
压缩模量
内聚力
内摩擦角
承载力特征值
桩端阻力特征值qsa和桩侧阻力特征值qsa
桩侧负摩阻力系数
层厚（米）
预制桩
r
Es1-2
Es2-3
Es3-4
C
φ
fak
qsa
qsa
ζ
kN/m3
Mpa
Kpa
度
Kpa
Kpa
0.25
1.6~2.2
①-1
素填土
17.5
70-80
0.25
0.4~2.5
①-2
填中砂
17.0
80-90
0.4~0.9
②
粘土
18.7
4.0-5.0
15
7.5
110-120
10-13
0.20
15.2~37.3
③
淤泥
15.6
1.5-20.
2.0-2.5
3
3.1
40-45
6-7
0.25
1.1~12.10
④
粘土
19.1
5.5-6.5
7.0-9.0
31
11.6
170-190
18-20
1088-2000
1.2~1.8
⑤
淤泥质土
16.1
2.0-2.5
2.5-3.0
5
6.5
55-60
9-10
2.8~4.9
⑥
粘土
19.3
7.0-8.0
9.0-10.0
40
11.0
180-190
18-20
5.5~
2.2桩基础设计
根据工程地质条件及电算结果，由于业主工期要求快，故采用PHC预应力高强管桩，以粉质粘土④为持力层。桩身进入持力层0.8m。单桩竖向承载力特征值R=500kN，由于柱脚固接，吊车作用下，柱底弯矩较大，为使桩不出现拉力，而形成抗拨桩，因此必须采用双桩，而且桩距不能按常规取3.5d。本工程边柱最大轴压力N=653kN，M=-364.8kN，V=-77.8kN，两桩桩距取3.2m，承台高1.2m。墙体传来4.1×4.5×6=110.7kN
桩最小反力Nmin=(653+110.7+0.8×4.220)/2－(364.8+77.8×1.0)/3.2=262kN＜R=600kN
Nmax=568.35＜1.2R
中柱，N=1137kN，V=35.4kN，M=225.6kN算得Nmin=513.9＜R=600kN
Nmax=690.3＜1.2R=720kN经计算满足要求，可满足抗冲、抗剪要求。
3上部结构设计
本工程为两跨21m，两台10t+15t重级工作制吊车，柱距6m，共有39跨固接的门式刚架，为保证吊车正常运转，厂房稳定，满足位移变形要求加强支撑设计和吊车制动桁架来增加厂房的整体空间刚度，全长234m，不设伸缩缝，墙体采用压型钢板。选用热轧H型钢经选用电算定下，用钢量最低的刚架尺寸，见图2
图2刚架图
3.1柱间支撑设计
若支撑设置不当，吊车行走时，就会造成刚架晃动，存在安全隐患，因此支撑的设置非常关键，因选用用钢量小的窄翼缘H型钢，因此柱平面外计算长度仅能取4m，在高4m处设置一道焊接钢管侧向水平支撑。交叉支撑采用角钢，在厂房的头、尾跨设置柱间支撑，中间跨每隔4跨设置一道。在设置柱间支撑的同一跨并设屋面支撑，为能更好传递风荷载在屋面每隔4米设一道水平钢管刚性系杆。
3.2抗震措施
工程地处设防烈度7度区，房屋自重小，承载力不受地震作用效应组合控制，可不进行抗震计算。仅针对轻钢结构的特点采取抗震构造措施。
构件之间的连接均采用螺栓连接，斜梁下翼缘与刚架柱的连接均加腋，柱脚底板设抗剪键。增设吊车制动桁架。
3.3隅撑的设计
隅撑可以用来提高屋面梁式柱的受压翼缘稳定能力，因此在檐口位置，刚架斜梁与柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处，各设置一对隅撑。在斜梁下翼缘受压区隔一檩条设隅撑，并使其间距不大于相应受压翼缘宽度的16倍，见图3。
图3隅撑的设计
3.4高强螺栓连接设计
由于屋面荷载很轻，在设计荷载作用下，斜梁与柱的连接部位主要承受弯矩作用，剪力很小，高强螺栓以受拉为主。剪力由连接构件间的摩擦力传递剪力。本工程建筑大量采用阳光板，开窗面积少，风顺力大减少，相应剪力也小，选用摩擦型高强螺栓，因此表面可不作专门处理。不必进行摩擦而抗滑移试验，这有助于提高效益和降低成本。
3.5檩条设计
檩条的设计计算是最为困难的。首先，在目前设计规范或规程中尚无简单实用的计算公式供设计人员采用，其次，为节省钢材，轻钢结构中的檩条除用于承担梁的功能外往往兼作支撑体系中的压杆，同时还通过隅撑对门式刚架的梁和柱提供侧向支承。如果考虑门式刚架房屋中的蒙皮效应，则檩条的构造和受力计算更为复杂。檩条通常由薄钢板冷弯成型，计算中还需考虑屈曲后的有效截面等问题，因此，精确计算檩条的承载力非常困难。在竖向荷载作用下，檩条的自由翼缘受拉，受压翼缘由于和屋面有可靠的连接面不存在稳定问题。
由于Z型连续檩条是拱接而成的连续檩条，其内力分布较均匀刚度大，能节省用钢量，同时在制作、运输、安装诸方面都很便利，因此本工程采用Q345Z型檩条，内力计算按如下一种简单通用的模式考虑：按等截面连续梁计算模式，考虑活荷载按不利分布作用，光按50%活载均匀满布得到一个效应值S1，再用50%活荷载按最不利隔跨分布得到一个效应S2。两者相加即为最不利活荷载所产生的效应S。另外再考虑在支座处因搭接嵌套松动所产生的弯矩释放10%。
在风吸力作用下，檩条的自由翼缘受压。因此，当檩条下翼缘无面板侧向支撑时，必须对檩条的下翼缘进行稳定性验算。福州地区基本风压为0.7kN/m2，按门式刚架技术规程附录E公式计算结果得知，是风吸力作用下稳定计算起控制作用。选用Z180×70×22.2Q345，檩距1.2m，可以满足要求。
4结语
本工程至今已竣工投产近一年，吊车运转正常，经历几次强台风和冬夏大温差的考验，均能满足正常使用要求，取得较好的经济效益和社会效益。
轻钢结构的优点是节材高效，耗钢少，自重轻，制造安装运输简便，工期短，可拆迁，定型批量生产易于实现商品化等。近年来发展迅速，应用领域日益广泛。本工程采用刚接柱脚和Q345钢使用钢量减少了许多，经对比验算采用Q345钢的用钢量比采用Q235钢的用钢量下降16%左右，采用较平缓坡度（1/10）的门式刚度也可节约钢材。为达到进一步减少钢耗，降低成本的目的，还可以采用各种先进的科技手段，如引入预应力技术以加强结构刚度和承载力，提高结构稳定性，若能在檩条中张拉板材可以防止风吸力下的局部失稳和提高弹性受力幅值，将可大大减少檩条的用钢量。为此，在谋求改进方面希望本文能起到抛砖引玉的作用，同时我们期待着与专家同行的合作。请大家共同关注与探讨并指正。
参考文献
[1]陆赐麟，轻钢结构的重量应该更轻，建筑结构[J]，2003（10）
