基于建筑鋼結構設計要點的探討

摘要：鋼結構由于強度高、自重輕、抗震性能好和材料可回收等諸多優點而被廣泛應用到現代建筑工程中。而鋼結構在建筑工程當中應用的范圍十分廣泛，究其原因在于其擁有自重輕，高強度和工業化強度高的特點，所以鋼結構設計對建筑物的安全和使用壽命起著至關重要的作用。

關鍵詞：建筑;鋼結構;設計

1.建筑鋼結構的特點

建筑鋼結構與鋼筋混凝土結構相比具有以下優點：一是鋼結構可工廠化制作，減少現場施工的工作量，施工周期短;二是由于鋼結構自重輕、結構荷載小，減少了地基處理的工作量和費用;三是鋼結構利于抗震，給投資方帶來較好的經濟效益和社會效益;四是鋼結構由于其材料本身的性能好，強度高，與鋼筋混凝土結構相比結構斷面小，在廠房布置中可以節省一部分空間，更容易滿足工藝靈活布置的要求。

2.當前我國鋼結構設計中存在的問題

2.1設計質量下降

當前設計院的設計任務相當繁重，所承攬的工藝及綜合專業部分設計收費較高，而鋼結構部分卻是難啃的硬骨頭，費工費力收費低，不愿意承接鋼結構設計任務，或者缺乏鋼結構的設計經驗，故往往將鋼結構部分分包給另一單位。一些無資質的單位，拿到工程后，用買來的圖標搞設計，使設計質量存在重大隱患。

2.2設計深度不夠

當前，不少設計單位，鋼結構的設計水平比較低，承擔工程的設計者多為剛畢業不久的學生，缺乏實踐經驗，更缺乏鋼結構的設計知識，盲目照搬規范，套程序，對關鍵技術不進行研究，設計院只做到了“方案設計”或初步設計的深度，將施工圖交給加工廠，加工廠缺乏計算軟件，又將施工圖任務轉包出去，由于這些分包單位缺乏專業配套知識，對設計總體要求不明確，往往所做出的圖紙不符合原設計要求，存在嚴重的質量隱患。有的加工廠為了節約鋼材，降低造價，盲目進行鋼材優化，結果造成工程質量事故。

2.3盲目照搬設計方案

由于國外結構工程師對我國地震和風荷載的特殊情況了解得不深，故設計方案在抗震設計方面很不合理，如國家體育場，采用了鋼結構屋蓋和砼看臺完全脫開方案，幾萬噸的巨大鋼桁架所產生的地震荷載由鋼結構柱傳至柱底，而數千噸的巨大柱底水平力由與看臺基礎脫開的巨型鋼柱腳傳遞，結果造成用鋼量達到五萬噸，相當同類體育場用鋼量的四倍，這是抗地震設計極不合理的方案，如將數萬噸的鋼結構產生的地震力傳給砼看臺，可以減少大量的鋼材，在保持原建筑風貌不變的情況下，可使龐大笨重的鋼結構減少鋼材用量兩萬多噸。

2.4設計未充分考慮施工

一些設計人員出于經濟利益，整天埋在辦公室的圖紙堆里，理論脫離實際，不深入現場，不了解施工。嚴重者會給施工帶來極大困難，總的造價大量增加。如×工程設計要求屋蓋最后合攏的溫度為14度±4度，但本工程合攏時正值盛夏，中午時鋼材表面溫度達到55度，為滿足14度合攏要求，曾提出“深挖井、添冰塊、噴冰水”的區域降溫的方案。

3.建筑鋼結構設計要點

3.1正確選用鋼材與焊縫質量等級

按照國內現行的相關規范要求，在鋼結構的設計方案中，應明確標注鋼材與焊縫質量等級。在國內現階段的鋼結構設計中，對于焊縫質量等級的要求缺乏明確性，部分項目甚至并沒有提及。在抗震要求較高鋼結構建筑的設計時，鋼板的厚度應≥40mm，在承受沿板厚方向的較大拉力時，要保證板厚方向的截面收縮率。在鋼結構設計中，焊接連接是基本的鋼結構連接方法，焊縫質量的優劣直接影響到結構的整體安全，所以，必須根據結構、構件的重要性與受力性能等，合理確定焊縫的質量等級。

3.2結構形式與結構布置

鋼結構的設計過程主打“概念設計”牌，概念設計在鋼結構的整個過程中都是異常重要的。建筑鋼結構通常分為框架、平面（桁）架、網架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等幾種結構。在對項目進行鋼結構的選型確定時，一定要根據各項目特點的不同，分析實際情況進行設計。遇到有較大負重的荷載時要放棄門式鋼架而采用鋼結構網架形態。大跨度的建筑要對覆蓋屋頂構建進行拉索或索膜結構的建立。對于高層或者超高層鋼結構項目，可對鋼結構框架布置支撐結構，承受水平荷載和抵抗側移變形能力更佳，經濟效益也要比簡單的鋼框架要高的多。另外采用鋼筋混凝土結構外加巨型SRC柱的組合則能充分發揮鋼結構和混凝土各自的優勢，能更好地控制好項目的投資。

鋼結構的設計應使結構受力路線清晰且可以以最接近直線的路線將受力傳給地基支撐。鋼結構在布置上要遵循結構剛度勻稱，力學分布平穩，最大限度減少荷載的影響。鋼結構抗力的支撐住間距要適中，且設置多道防線以背意外發生，核心撐柱的受力應至少占總受力的20%。

3.3結構計算

梁、柱的截面初選時，要考慮構造要求，如翼緣寬厚比、腹板高厚比、構件長細比等。不宜為了一味追求用鋼指標，而采用把梁、柱截面高度加大、腹板厚度變薄、翼緣寬度變窄、厚度變薄等措施。如這樣做后，將產生負面效應。首先，這將使得梁、柱自身的整體穩定性不易保證。其次，使得運輸、施工中都難以保證構件不發生翹曲變形。結構分析中一定要注意結構分別在風荷載作用下、地震作用下的層間位移、頂點位移、自振周期。設計中常常不重視結構的自振周期，有時結構的層間位移、頂點位移都滿足規范要求，但自振周期卻比較長，這對于建筑物抗震是十分不利的。當建筑物遇到主要為低頻的地震波時，地震波對這種周期長、高柔的建筑影響很大。梁、柱變形應該按照規范嚴格進行控制。當梁跨度很大時，梁變形驗算要同時考慮相對變形和絕對變形。

3.4節點設計

鋼結構節點設計是整個設計中的關鍵。設計時既要保證節點具有足夠的強度和延性，又要使節點構造簡潔，便于施工。節點設計中連接螺栓數目的確定，翼緣連接焊縫厚度的確定，相對是比較直觀、容易的。而節點域抗剪驗算、連接板等計算是常常被忽略，但它們亦是決定節點安全性的重要因素之一。梁、柱剛性連接設計應注意以下幾點：

1）不能太厚，也不能太薄。太厚了使節點域不能發揮其耗能作用，太薄了將使框架的側向位移太大。

2）建議8度3、4類場地和9度時采用梁一柱骨形連接。該法是在距梁端一定距離處，將翼緣兩側做月牙狀切削，形成薄弱截面，使強烈地震時梁的塑性鉸自柱面外移，從而避免脆性破壞。

3）當梁腹板與柱采用螺栓連接時，螺栓排數不少于兩排。

4）當梁上翼緣有樓板加強，且施焊條件較好，震害較少時，可不做特殊處理，而應對梁下翼緣的焊接襯板邊緣施焊，也可采用割除襯板，然后清根補焊的方法，以達到消除焊接襯板的缺口效應。

鋼結構柱腳有外露板式、埋人式和外包混凝土式。埋人式和外包混凝土式柱腳具有較好的抗震能力，強地震區應優先采用。外露板式柱腳的震害說明：地腳錨栓是抗震的薄弱部件，抗震設計中，應充分考慮地震剪力，增強錨栓的抗震強度。鋼結構連接的破壞多是由焊縫質量不好引起的，因此應加強對施工質量的管理和監督。

3.5構件設計

構建設計也要考慮材料的合理性，取材上一般選擇Q235和Q345兩種。一般情況下，結構計算中，如果結構強度起控制作用則選取以Q345材質經濟效益更明顯，如果結構穩定性或者結構變形為控制作用則以Q235更省投資。

當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步，一些軟件可以對整個結構進行截面優化，我們僅做的就是對優化后的截面稍加調整并進行程序自動驗算，直至合理，如PKPM中的STS等。這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。但要注意，利用結構軟件設計一定要注意模型的建立和參數定義，尤其是柱及梁的平面內、外計算長度。

4.結語

目前，我國的鋼結構建筑行業正處在大發展、大飛躍、大挑戰的階段，而鋼結構設計是本行業的重中之重，我們只有不斷的提高鋼結構設計水平、逐步完善相關法律規范、深化行業內部改革，才能在世界范圍內的相關領域處于不敗之地。

參考文獻：

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