淺談建筑鋼結構設計方法及設計要點

李偉男

摘要：當前鋼結構應用越來越普遍，以它強大優勢占據著建筑領域相當大的比例。與混凝土相比，它有自重輕、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的優點。本文從建筑鋼結構的設計過程、設計方法、穩定性設計、設計要點這幾方面進行了闡述，以供參考。

關鍵詞：建筑鋼結構；設計方法；設計要點

鋼結構具有空間跨度大、結構性能突出、施工快、安裝便利等優勢。建筑鋼結構的設計過程中，要對其優勢有所了解，并對設計中需注意的問題有明確的認識，才能設計出合格的結構，從而在建筑運用中取得更好的效益。

一、建筑鋼結構的設計過程

1、鋼結構設計圖和鋼結構施工詳圖的區別。

我國鋼結構施工圖紙的設計分為2個階段：鋼結構設計圖和鋼結構施工詳圖。鋼結構設計圖是在結構計算的基礎上，對結構體系、整體布置和節點連接方式進行的整體描述，鋼結構施工詳圖設計是在設計圖的基礎上對結構進行的二次設計，這也是鋼結構施工詳圖與混凝土的施工圖紙實質性的區別。鋼結構施工詳圖設計必須以鋼結構設計圖紙為依據，結合工程概況、鋼結構加工、運輸和安裝等施工工藝和其他專業的配合進行。其主要內容有：使用計算機放樣制圖或使用詳圖軟件建立結構空間實體模型制圖，提供制造加工和安裝的施工詳圖、構件清單及設計說明。

2、鋼結構設計的具體步驟及計算工具。

進行結構設計時首先需要判斷結構是否適合采用鋼結構，一般說來，鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、要求能活動或經常裝拆的結構。然后，根據不同結構形式的特點進行結構選型，根據建筑要求進行結構布置。國內在進行鋼結構設計時一般采用建研院的PKPM軟件中的STS模塊或同濟大學的3D3S軟件，但隨著時代發展，越來越多的設計軟件投入到工程設計中，如Midas、Ansys、Sap2000、盈建科等，為今后的結構設計復核提供了越來越多的選擇。

3、鋼結構詳圖設計的具體步驟及詳圖繪制工具。

首先在做詳圖之前，我們需了解鋼結構的組成部分、構件的加工順序、焊縫的表示方法等。在此基礎上進行二次深化設計，深化設計的一般步驟如下：①熟悉鋼結構設計圖；②與相關專業溝通；③建模型及繪制詳圖。詳圖設計一般采用CAD或TEKLA軟件建模。

4、不同軟件之間的優劣對比

鋼結構設計時，設計師們多選擇PKPM及3D3S的原因在于其對國內規范理解更深刻，出圖更符合國人習慣。但多年來軟件更新速度較慢，操作界面不友好和計算過程不透明等詬病給設計師們也造成了困擾。如今設計軟件眾多，設計師們應該豐富自己掌握的計算軟件種類，了解其特點，如Midas的快速前處理、Ansys及Spa2000的強大計算功能、盈建科的豐富數據接口等，選擇合適的計算軟件進行計算及復核。

鋼結構施工詳圖設計時，Auto CAD其強大的圖形編輯功能，可以用于零件放樣和材料表繪制，但其最大的缺點是不能方便的建立3D模型，從而出現一些不必要的錯誤，導致安裝困難。而TEKLA和PKPM（STXT）可以直觀地觀察到3D模型，也能自動生成2D加工詳圖，提供完整的2D圖畫編輯功能及構件碰撞校核功能，但其生成的圖紙標注不夠清晰，不適于車間工人快速識圖，所以調圖的時間很多。一般小項目采用三種方法均可，但對于大型的復雜項目，鑒于TEKLA出錯率低，多采用TEKLA進行深化設計。

二、建筑鋼結構設計方法

1、塑性設計法。采用塑性設計原則是指結構構件的塑性性質和強度要高于標準荷載乘以安全系數，在構件內力結構分析中一般采用鋼塑性分析法或是一階塑性分析法。塑性設計法的主要優點在于結構進入塑性后允許進行內力的重分布，但必須要求其構件和結構能有足夠的延性，在設計中嚴格的限制了翼緣和截面腹板的比例尺寸。塑性設計法雖然考慮到了非線性，但是在結構設計中依然不能反映出結構構件與材料屈服的擴展。

2、容許應力法。容許應力的設計原則是：其結構計算應力應小于結構構件設計所規定的容許應力。結構構件的計算應力按荷載標準值以線性彈性理論計算；容許應力由規定的材料彈性極限（或極限強度）除以大于1的單一安全系數而得。容許應力主要存在的缺點在于：第一，不能合理的考慮到結構幾何的非線性影響；第二，由于容許應力法采用的是單一安全系數，不能反映出荷載變異和抗力的獨立性等，結果較為保守。

3、極限狀態法。極限狀態法是為了克服塑性設計法和容許應力法所存在的缺陷而提出的，這種方法主要是采用荷載分項系數和抗力來替代單一安全系數。目前，極限狀態法以是我國最常用的設計方法。其結構由于荷載的作用，可在一定的周期內達到兩種極限狀態，第一種是承載能力極限狀態，第二種是正常使用極限狀態。承載能力極限狀態所對應的是結構的安全性，主要是指構件的塑性變形、斷裂等造成的結構破壞。正常使用極限狀態所對應的是結構或構件達到正常使用或耐久性能中某項規定限度的狀態。

三、建筑鋼結構的穩定性設計

在設計鋼結構的過程中，需遵循其結構的設計原則，保證鋼結構的安全可靠，從而有足夠的強度、剛度和穩定性。在了解鋼結構的設計原則時，首先要區別強度和穩定，強度關鍵取決于材料特征，對于脆性材料都要取最大強度，如混凝土；對于鋼材則取屈服點，而穩定在解決強度問題時，需找出其不穩定的平衡狀態，這種不穩定狀態存在于內部抵抗力與外部荷載之間，也是變形快速增長的開始點，通過這樣區分，可以指導強度問題最主要就是一個變形問題。

建筑鋼結構設計穩定性特點首先分為結構整體穩定和局部穩定兩方面。其次，從鋼結構的整體剛度和失穩方面來看，應采用現行規范的折減系數法和臨界壓力求解法來進行穩定計算，對于軸心壓桿的穩定計算通常用這兩種方法。再次，在彈性穩定計算的過程中，不止考慮結構整體性特點，還應考慮二階分析，這主要是由于結構內力會受到柔性構件大變形的影響。

四、建筑鋼結構的設計要點

1、加強對鋼結構受力體系以及細部節點的設計。首先，針對鋼結構受力體系設計而言，要確保結構體系的傳力途徑簡單，破壞機制明確，保證強柱弱梁和強節點弱構件的構造要求。其次，鋼結構建筑的設計要求細致且設計內容復雜，都需要對細部節點進行嚴格的控制。

2、鋼材的選擇。對于鋼結構設計來說，選材是一項極為重要且難度較大的工作。究其原因，一方面是我國鋼鐵工業迅速發展，鋼材的種類繁多，要從眾多的鋼材種類中選出適合某種建筑工程的鋼材是有難度的；另一方面是因為目前鋼結構建筑的種類也在不斷增加，不同建筑物對鋼結構的強度、變形度、疲勞應力等方面的要求也不一致，因此選擇合適的鋼材顯得至關重要，否則就不能充分發揮出鋼結構建筑的功用。

3、判斷鋼結構的適用性。現今建筑行業中，鋼結構多是用于跨度和荷載較大、體型復雜的建筑中。要求其能夠承受較高的溫度、方便拆卸、能夠承受大幅度的振動、密封嚴實，因此在鋼結構設計之前必須要對這些方面進行全面的分析，考慮所設計的鋼結構是否適用、能否滿足要求。

五、結束語

鋼結構設計擁有眾多的優勢和利于人們可持續發展的狀態。隨著科學的進步，時代的發展和人們的生活態度、習性的改變，越來越多的鋼結構建筑將會從觀賞性建筑走向人們的生活區間。在不久的未來，鋼結構設計勢必將成為未來建筑的主流。

參考文獻

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