钢结构设计中的细节处理

前一段时间, 葛洲坝集团公司把《细节决定成败》的作者汪中求先生请到葛洲坝作了一场关于细节管理方面的讲演, 于是在集团公司上上下下掀起一股学习《细节决定成败》的热潮, “关注细节, 把小事做细”的精神对我们技术人员来说也很重要, 有时一个细节处理不好就会导致整个设计工作的失败, 导致安全隐患的产生, 书中提到的上海地铁二号线和一号线的差距, 就是一个显著的例子。读了此书, 深受启发, 我从设计中容易忽视的细节问题入手对这十来年的技术工作加以总结, 发现有一些细节值得注意, 下面就是我在钢结构设计和施工中遇到的一些细节问题, 写出来供大家参考。

1 钢结构在水电建设工程中的应用

由于钢结构具有制造安装快捷、有效缩短建设工期, 结构可靠、新功能扩展方便, 可重复使用等诸多优点, 在各行各业得到越来越多的广泛使用;在水电建设工程中也不例外, 特别是在砂石骨料加工系统和混凝土拌和系统的结构设计中被广泛地使用, 为适应拆迁转移和重复使用的要求, 一般采用拼接式结构。这些构筑物可实现工厂加工, 且现场安装快捷, 结构轻、拆装方便。虽一次投资稍多, 但可周转多次, 经济效益显著。如胶带机的桁架、立柱、栈桥, 安装筛分机的筛分楼、筛洗楼, 混凝土系统的拌和楼、制冷楼, 大坝混凝土浇筑施工用的栈桥等等都可以采用钢结构来完成, 但在钢结构的设计和施工中经常有一些细节被忽视, 对制作安装和施工带来不方便或者不经济, 于是细节设计得到越来越多的重视。

2 非对称截面材料的在使用中应注意的问题

在钢结构设计和施工中, 应用最广泛的材料有普通钢板、花纹钢板、圆钢、螺纹钢、圆钢管、方钢管、工字钢、H型钢、槽钢、等边角钢、非等边角钢几种, 其中后面三种 (槽钢、等边角钢、非等边角钢) 材料就是非对称截面材料。当载荷和跨度较小时我们一般采用单一成型型钢, 如各种楼体的立柱, 座筛的筛梁等, 这时使用型钢一般为对称截面的型钢如:工字钢、H型钢、钢管、方管等, 当载荷和跨度较大, 超过了单一型钢的承载能力范围时, 可以采用拼合截面构件, 由于需要额外的切割成型和焊接, 组合截面构件的造价相应提高, 但能充分发挥其承受载荷大、跨度远、抗扭刚度大的优点, 由两个或多个相互连接的型钢构成的拼合截面构件, 如用双槽钢拼合成的简易桁架梁、由小型型钢 (槽钢、角钢) 组合而成的桁架梁及格构式立柱等, 应用起来非常方便。但非对称截面如槽钢、角钢等都应成对使用, 防止因截面剪切中心与载荷中心不重合而导致扭转失稳, 确保构件的稳定性, 并且有必要可增加另外的约束, 这一点非常重要。图1是由两根槽钢成对使用拼合而成的简易桁架梁, 图2是由等边角钢成对使用拼合而成的桁架梁, 图3是由两根槽钢面对面焊接而成, 图4是由两根槽钢面对面由钢板拼接而成, 图5是由四根角钢与钢板拼接而成, 这三种结构经常用于立柱中, 图6是由两根槽钢背靠背由钢板拼接而成, 经常用于吊筛梁中。槽钢、角钢是普偏使用的材料, 在承受较大载荷时应成对使用, 防止偏载造成扭转失稳。

3 充分考虑尺寸偏差, 防止施工困难或不经济

在所有工程领域, 设计者和制造者都允许偏差的存在。这是因为即使按照非常高的标准进行制造, 也无法保证每一个尺寸的绝对精确。在涉及到可动部件的机械工程应用中只允许有很小的偏差, 并且这些部件制造后的机械加工费用昂贵。恰恰在这里, 一定的允许偏差却是允许的。在钢结构工程中考虑到许多构件的尺寸很大以及轧制型钢产品带来的偏差, 要取得很小的偏差所付出的代价非常大。因此从经济角度来考虑, 其习惯作法是按照在一般工厂环境下可以做得到的合理的标准制作构件并进行节点设计, 使其在现场装配时能够吸收小的偏差。诸如对制造构件的端部进行机械加工达到精确长度/或斜角的加工处理是可行的, 但是这只是特例, 仅能由专业的金属加工厂完成。通常机械加工仅限于小构件, 可由远离主要工厂的专业机械工厂完成并在运输到现场之前完成装配。引起尺寸偏差的主要因素有:一是钢材在扎制过程中本身就有偏差;二是测量工具精度低或测量不规范, 如我们在钢结构制作中普偏采用的测量工具是钢卷尺, 精度只能达到1mm, 另外在长距离测量时钢卷尺不能水平拉直, 再加上划线用的石笔, 切割用的割刀等, 综合起来有时偏差可达到5mm;三是金属焊接引起的焊接变形, 焊接引起的变形与焊缝尺寸、焊接过程中输入的热量、焊道的数量、受约束的程度以及材料厚度有关, 在一定程度上, 焊接变形是可以预防和控制的。一般来说, 我们很难改变这些尺寸偏差的大小或者是控制这些尺寸偏差很不经济。但我们可以设法减少尺寸偏差对结构的影响。

(1) 正确的尺寸标注, 确定结构的基准, 选择合理的标注形式, 可以减少构件的尺寸偏差对结构的影响。如梁在高度上以梁顶作为基准采用坐标法标注, 在长度方向上以一端为基准采用坐标法标注, 对称截面型钢由中心线起开始标注, 非对称截面的角钢或槽钢上有孔时标出孔距, 图7是一条胶带机中间驱动时安装驱动装置架和04号机架的一个钢结构平台的俯视图, 两根工字钢上面是安装04号机架的其主要尺寸标注是以工字钢的中心和孔的中心开始标注的, 两根槽钢上是安装驱动装置架的, 其主要尺寸是以孔的中心开始标注的, 而不能以型钢的边缘开始标注, 避免型钢本身的尺寸偏差。

(2) 选择适当的连接方式, 不同的连接方式对构件允许的尺寸偏差也不同。

图8至图11中, a的连接形式比b的连接形式合理, 图8和图9中的件1、件3、件5都允许有较大的尺寸偏差, 相对而言件2、件4, 件6允许的尺寸偏差就很小了, 图10中a比b合理, 搭接焊比对接焊允许有较大的尺寸偏差且焊接方便、可保证强度、变形较小, 图11a中两连接角钢间留有间隙, 以便吸收构件的尺寸偏差, 而b中就要求尺寸较精确才行, 一般我们在胶带机桁架连接时就采用a的连接形式。在设计中尽量采用图八至图十一中a的连接形式, 除非不得已才采用b的连接形式。

(3) 选择适当的结构形式和施工方法。

结构形式不一样, 施工时的难易程度就不一样, 图12和13是胶带机简易桁架梁上安装托辊支架的连接螺栓孔的两种形式, 图12是直接加工在桁架梁上的, 图12是加工在一块小钢板上, 然后焊接的, 其产生的结果就不一样。图12加工困难、尺寸不易控制, 如先在槽钢上面钻孔再进行拼接, 这样钻孔方便但拼接时难度加大、尺寸不易控制, 如果先拼焊再钻孔, 尺寸容易控制, 但钻孔难度加大需来回移动钻床或构件;如用氧气、乙炔气割孔精度低、质量差、外表不美观。图13就简单得多, 这些小钢板可以在机械加工厂钻孔或冲孔来完成, 然后焊接在成型的桁架梁上。

其它的如支腿与基础的连接用预埋螺栓和用预埋钢板也不一样, 用预埋螺栓就要求预埋时要相当准确, 允许偏差不超过2毫米, 这往往是难于达到的, 也是不经济的, 一旦实际偏差太大也是难于补救的, 而用预埋钢板允许偏差就会大很多, 如果实际偏差太大也易于补救。预埋钢板大于400×400mm时中间应挖孔, 一是为了排气, 二是为了便于灌浆和振捣, 保证钢板下面浇筑密实。

4 防腐及维护方面的细节处理

所有暴露于空气中的建筑材料均会随时间而老化。为防止钢结构受大气腐蚀的影响通常需要采取一定程度的防护措施。适用的防护体系很多, 并可为钢结构提供最经济的、足够的保护。细部构造对防护措施的寿命有重要的影响。特别是合理的细部构造, 尤其对于外部构造, 要避免水分和污垢在面层和构件之间积留。如果端部采用焊接封闭, 则空心截面不需要进行内部的防锈处理。对于在内部采用加强筋并需要在以后进行检查的大型内部加强空心截面构件, 如水上浮筒, 通常对其内部采取防锈措施。出入孔要用带垫圈的盖板封闭, 以尽量阻止水分的进入, 这样就可以采用较经济的防锈措施。对于潜没式结构如浮筒, 难以接近进行维护, 可采用阴极保护进行防锈。表1是有关防腐及维护的注意事项。

5 结语

本文对钢结构设计中的细部处理, 列举了一些实例, 这些都是在实际中经常遇到的, 但不仅仅是这些。本文在这里起一个抛砖引玉的作用, 以引起设计人员进行钢结构设计时, 别忘了对细部结构的处理, 使我们的设计更加完美。

摘要：由于钢结构具有制造安装快捷、有效缩短建设工期, 结构可靠、新功能扩展方便, 可重复使用等诸多优点, 在砂石骨料加工系统和混凝土拌和系统的结构设计中被广泛地使用, 如胶带机的桁架、立柱、栈桥, 安装筛分机的筛分楼、筛洗楼, 混凝土系统的拌和楼、制冷楼, 大坝混凝土浇筑施工用的栈桥等等都可以采用钢结构来完成, 但在钢结构的设计和施工中经常有一些细节被忽视, 对制作安装和施工带来不方便或者不经济, 于是细节设计得到越来越多的重视。

关键词：钢结构设计,细节处理