淺析高層建筑鋼結構工程設計

【摘 要】目前隨著高層建筑的不斷興起，在高層建筑的結構中，鋼結構以其強度高、自重輕、抗震性好及材料可回收等諸多優點得以在高層建筑中廣泛應用。由于鋼結構在許多方面優于傳統的混凝土結構和砌體結構，其不僅穩定性較好，而且可以在廠房加工完成后再到現場進行裝配，有效的加快了工程建設的速度。目前在高層建筑中鋼結構已得到廣泛的應用。本文分析了現代鋼結構的建筑特點和鋼結構的設計原則，同時對鋼結構在高層建筑中的應用進行了闡述，并進一步對鋼結構設計中應該注意的問題進行了說明。

【關鍵詞】高層建筑；鋼結構；設計

1 現代鋼結構的建筑特點

1.1 加工和安裝一體化，成本較低，施工速度較快

由于鋼結構建筑模數標準統一后，鋼結構可以進行規模化的生產，而且構配件之間具有良好的通用性和互換性，這就加快了鋼結構建筑的加工和安裝一體化進程，有效的降低了建設的成本，施工速度加快，有效的縮短了工期，建筑企業可能更早的確保經濟效益的實現。

1.2 鋼結構使建筑更富功能化

鋼結構的設計與功能一體化后，使鋼結構建筑的功能性更有效的突顯出來，可以有效的實現技術和藝術之間的相融性。

1.3 能夠滿足超高度和超跨度的要求

由于鋼結構可以稱為勻質體，無論其強度和彈性都較高，即使在相同的受力條件下，鋼結構由于自身重量較輕，所以其可以做成跨度和高度都強于混凝土和木材等結構形體，目前超高層建筑的建設，就是利用鋼結構的大跨度和較高高度的特點。

2 鋼結構工程設計原則

2.1 鋼結構設計的穩定

在進行鋼結構設計中，其中穩定性是一個十分關鍵的問題，一旦設計中沒有把握好穩定性這一關，則會帶來不必要的損失。而導致設計中穩定性問題出現的原因通常都是由于設計人員自身的原因所導致，首先是缺乏相關設計經驗，沒有充分掌握結構和構件的穩定性概念，其次是對于一些新型結構不夠了解，從而導致設計中薄弱環節的出現。

2.2 選擇合適的基礎方案

在進行鋼結構設計時需要對工程的地質條件進行基礎設計，確保所選擇的基礎方案的合理性，所以在設計過程中不僅需要具有詳細的地質勘察報告，而且還需要對地基變形進行驗算，確保基礎方案的經濟合理性。

2.3 結構計算簡圖和計算方法

在進行設計時需要對框架結構進行穩定計算，目前在進行單層和多層框架結構設計時，則只進行框架柱的穩定計算，但在實際施工過程中，框架的種類較多，所以在設計中需要設定典型條件，從而確保設計中的能夠簡化計算工作。

3 鋼結構在高層建筑中應用

3.1 安裝布置和結構的選擇

鋼結構并不是所有建筑都適合的，通常情況下平面較為規則的建筑則宜采用鋼結構，其他一些較為復雜的軸線、扭轉較大的住宅平面則不適宜采用鋼結構。而在進行鋼結構設計時還需要充分的考慮到建筑的負荷量，控制好水平位移，因此在設計時需要對抗側力結構進行充分的考慮，如把樓梯間、電梯間墻體、單元分戶墻、廚房和衛生間的墻體等設計成抗側力結構。

3.2 對變形的設計考慮

抗側力結構可以是鋼結構，也可以是鋼筋混凝土結構。當采用鋼桁架作為抗側力結構組成純鋼結構時，要按照以下規定進行：在風的作用下，層間位移1/400，頂點位移1/500；在地震的作用下，層間位移1/250，頂點位移1/300。因此，采用鋼桁架作抗側力結構就會增加用鋼的數量，增加了工程造價。如果根據鋼結構的限值1/300來控制整個結構的穩定的話，在地震的情況下，鋼筋混凝土剪力墻就會出現損害，這樣的設計考慮還是缺乏規范。若按鋼筋混凝土剪力墻限值有1/800的控制力度時，鋼梁、鋼柱截面會因地震力加大而不斷增加。

3.3 柱網的確定以及柱斷面型式的選擇

柱網的確定主要根據平面的分割情況、結合梁的位置和截面高度、以及鋼梁的隱蔽方法來決定。通過外墻處的柱距可以確定柱網，處理好沿外墻鋼梁和外墻窗上皮的高度關系，柱網就能基本確定。鋼柱的截面型式分為三種：圓管柱、方管（箱形）柱和H型鋼柱。其中，管柱內灌注混凝土，制作成鋼管混凝土柱，其比鋼筋混凝土的承載力高出很多，同時還能節省用鋼。在節點的構造作法上，方管柱結構簡單科學。但是，管柱在與鋼梁連接上下翼緣部位，需要用橫隔板的形成貫通節點，在一定程度上增加了操作的難度，也增加的工程造價。H型鋼柱，當外包鋼筋混凝土時形成鋼骨混凝土柱。H型鋼柱的加工和使用都比較簡單，只是需要較多的鋼材。

4 鋼結構設計中應該注意哪些問題

4.1 鋼結構的選型和布置

進行高層建筑鋼結構設計時需要充分的考慮建筑條件、荷載能力、使用功能、制作安裝和材料使用等因素的影響，而且在確保結構體系具有良好的抗震性和防火性。同時在使用鋼結構進行布置時還需要根據鋼結構的使用情況及性質來進行綜合的考慮，要在唯鋼結構的剛度的情況，使其受力均勻，減少建筑的扭轉效應，同時確保各層的抗側力強度，確保建筑的使用功能得以滿足。

4.2 構件的選擇

在鋼結構設計中，設計人員要注意正確選用質量合格的鋼材、連接材料和焊接材料。鋼結構所用的鋼材應該具有抗拉強度、延展強度、伸長度、冷縮度和硫、碳等物質含量的合格證明。在地震頻發區，鋼材除以上要求以外，還要求它們具有合格的沖擊韌性強度。焊接材料的質量直接影響整個鋼結構的安全，所以應該要根據鋼結構的受力性能和焊縫的受力情況，確定焊接材料的等級。

4.3 鋼結構建筑的抗震設計

鋼結構建筑的抗震設計中，應該要根據設防強度、結構類型和房屋高度，采用不同的抗震結構。首先，鋼結構的剛柔度的選擇應該結合跟那個結構的具體高度、體系和場地條件驚醒綜合性判斷，使鋼結構同時滿足變形和強度的要求。受彎鋼構件的板件局部穩定要通過限制構件的寬厚比較，達到受彎的極限能力，然后利用其受彎的極限能力達到構件的承載能力。其次，高層鋼結構因該采用全鋼框架，當結構的剛度不足時，可采用中心支撐框架、鋼框筒等結構形式。最后，設計人員要加強各構件之間的連接，保證結構的整體性，抗震支承系統應保證地震時鋼結構的穩定。

4.4 鋼結構建筑的抗火設計

在利用鋼結構進行設計時，需要對其抗火設計進行重視。盡管鋼材是非燃燒材，但由于鋼材具有較好的導熱性，而且在高溫下膨脹系數的增長會導致鋼材強度喪失，從而使其在火災中極其脆弱，所以需要對其抗火設計進行加強。

5 結束語

在高層建筑施工中，鋼結構設計是整體工程中極其重要的部分，由于其具有其他結構所無法比擬的優點，所以在當前建筑行業中得到廣泛的應用。而且隨著設計水平的不斷提升，高層建筑鋼結構所存在的問題也將逐漸解決，這就有效的推動建筑行業的調整發展，使國民經濟得以快速的增長。

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[責任編輯：劉帥]