楼层钢结构建筑设计与施工问题探讨

王得健 李焕然

（中国中材国际工程股份有限公司 211100）

【摘要】一般业主常认为，钢骨的韧性和强度比起钢筋混凝土都要好，所以钢结构就一定会比钢筋混凝土结构来的有韧性，耐震力也必然增强。殊不知若欲设计一耐震的钢结构，除钢材之外，尚必须针对结构系统、接头、銲接与施工等问题审慎考量，否则难以完成一栋耐震建筑。根据本研究调查发现，民间许多低楼层钢结构可能未经详细结构分析与设计，甚至只是凭粗浅的经验就迳行搭建，这样的钢结构是否真的在耐震能力方面胜过钢筋混凝土结构，在施工方面，楼层钢结构建筑的施工质量常是一项令人忧心的问题。由于施工人员对钢结构的认知程度不足，有些即使是经过详细设计的建筑物，也有可能因为施工细节疏忽的问题而扭曲了原先整个结构耐震系统的设计概念，在本文稍后将有进一步的说明。

【关键词】楼层钢结构；建筑设计；施工问题；探讨

一、引言

国内在近两年以来所新建的低楼层钢骨建筑，有很多因为设计不良或是施工不当，再加上缺乏有效的监工，已经使得这些钢结构建筑变得不安全，也使得原先耐震的理想变的遥不可及。另外，从专业角度来看，很多只是凭着土师傅经验便匆忙上阵，因此也就遑论施工质量保证。深究这其中原委，钢结构专业知识的普遍缺乏是造成低楼层钢骨建筑质量低落的根本原因。本研究的主要目的包含以下两点：1. 从民间低楼层钢结构建筑调查中发现的设计缺失，分析对整体结构的影响，评估其安全性。2. 由施工与监造之角度，探讨国内低楼层钢骨建筑存在的一些问题，并提出可能的建议。

二、建筑的设计方面

在低楼层钢骨建筑的设计方面，民间业者常会出现的问题之一就是缺乏在耐震方面的正确考量。这是一个矛盾的现象，因为现今许多业主都是因为害怕地震才选择钢结构建筑。然而，选择了钢结构建筑却不知钢结构若没有经过适当的设计可能会比施工不良的钢筋混凝土结构更为危险。钢构的设计存在以下几项常见的问题：

2.1 结构系统设计问题：

这包括建筑配置违反耐震设计的基本原则，如平面与立面配置不当、劲度分配不均，形成软弱层或扭力效应等。

2.2 梁柱接头设计问题：

本研究发现许多案例的梁柱接头仅以梁腹板锁螺栓的铰接方式来施工。如果梁柱接头原本就以铰接设计时，此类型的钢结构比起梁柱接头为刚接的结构，在受到地震力作用时，钢梁中心点与柱之底部所受到的弯矩将会增加很多，因此梁或是柱所需的断面也须增大，亦即较不经济。如果梁柱接头原本就以刚性接合设计时，由于偷工而省略梁端翼板与柱的全渗透开槽銲的施工，将使原设计为刚接的梁柱接头行为近似铰接。当地震来临时，可能因梁与柱断面之抗弯强度不足而破坏。许多案例显示原本梁柱接头采用刚接方式设计，但是因为施工不当，使得钢结构与原设计之理念背道而驰，情况十分严重。

2.3 低楼层钢结构建筑设计分析

钢骨构架耐震设计时，常用的梁柱接合方式为梁柱抗弯接头（刚接接头），其施工方式是将梁上、下翼钣与柱之接合采用全渗透开槽銲接方式，并且在钢柱腹板加上连续板传递梁翼板的弯矩，使柱与梁之间形成一固定接头，得以传递弯矩和剪力。另一种接合为简支接合（铰接接头）的方式，常用于小梁与大梁之接合，采用梁腹板加剪力板锁螺栓之方式，大梁与小梁的翼板并不接触。简支设计只用来抵抗剪力，对于弯矩的传递十分的有限。本研究调查案例中发现许多低楼层钢结构建筑，在工地现场其梁柱接头仅采用梁腹板锁螺栓的铰接方式来施工。如果梁柱接头以铰接设计时，此类型的钢结构比起梁柱接头为刚接的结构，在受到地震力作用时，钢梁中心点与柱之底部所受到的弯矩将会增加很多，因此梁或是柱所需的断面也须增大。如果梁柱接头原本就以刚性接合设计时，由于偷工而省略梁端翼板与柱的全渗透开槽銲的施工，将使原设计为刚接的梁柱接头行为近似铰接。当地震来临时，可能因梁与柱断面之抗弯强度不足而破坏。结构梁端采用铰接方式时之变位能符合规范之要求外，其余3 种钢结构在侧向地震力作用下，所产生之变位均远超过规范所要求之容许层间相对侧向位移角的规定。

三、施工问题探讨

对于钢结构而言，其构件必须经由螺栓及銲接等组装才能成为完整的构架，组装的施工质量若不良，当地震来时将会比混凝土结构更容易发生破坏。从调查案例中可发现种种不同的施工问题，例如钢梁开孔问题、梁柱接头处之梁端銲接问题、扇形开孔问题、连续板问题以及强柱弱梁问题与柱基脚施工不良等问题。

3.1 梁端腹板开孔问题

钢梁常为了安装、接合、或配管经常需要开孔，若依开孔类型区分，可大致分为下列两种：

（1）接合设计所需之开孔

接合设计所需的开孔一般属于螺栓孔，其孔径较小，此类的施工问题多属于开孔之间的间距太小或开孔与钢板边缘之距离过于接近，或螺栓孔未依规定事先在工厂内施作完成等。

（2）管线施工所需之开孔

结构施工时为配合水电工程的管线配置或空调系统的管线配置，会于梁腹板处开孔预留管线，一旦腹板面积减少，梁抵抗剪力或弯矩的能力也随之降低，其中又以抗剪力的能力降低最多。因此，开孔后必须做一些补强的措施，补强的方式包含以下两种：一种是在开孔的周围加上加劲条，另一种则是增加开孔周围的腹板厚度，此两种方式都可达到补强腹板开孔的功能。

（3）梁柱接头处之配管与开孔问题

管线配置的问题是本研究调查中常见的施工问题之一。民间中小型的钢结构施工中，为了方便管线通过，许多业者会任意在钢梁上烧切开孔，完全无视于开孔对结构强度之负面影响。柱子上预留柱与梁之接头原本应在原有设计接合的剪力板上，但是施工时业者将原有的梁往柱子后方移动组装，而前面的部位则留给管线使用。

（4）梁柱接头处螺栓配置问题

一般钢结构常用的螺栓有美规A490 与A325 两种或是日规F10T 与F8T 两种。对于螺栓之安装，设计规范中规定必须以规定的预拉力（Pretension）安装，也就是螺栓应力达到螺栓最小抗张强度的70% 时之载重值。连接钢骨构材之柱梁接合若采用螺栓接合一定要用高强度螺栓，利用其轴力对接合面产生摩擦力的特性来传递结构应力。螺栓之造型有六角头型与圆头型，其中圆头型之螺栓尾端均有一施工时须在达到设计轴力扭断之尾部。目前于工地多采用断尾式螺栓，采用的螺栓就是断尾螺栓，于螺栓锁固至预拉力值后自断尾部。

四、结语

长久以来，由于许多建筑师、包商、工地主任与监工缺乏正确的钢结构专业知识，所以时常不知道问题出在何处，更遑论确实监造。基于本研究之调查与分析发现，国内部分低楼层钢构造建筑确实存在许多设计、施工与监造方面的问题与缺失。为避免在下次大地震来临时造成严重损害与倒塌，期望政府与民间相关单位能以大众生命财产安全为优先考量，尽速谋求改善之道。

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