建筑鋼結構設計存在的問題及措施探討

摘要：鋼結構自重輕、強度高、工業化程度高等優點，在建筑工程中得到了廣泛的應用，同時鋼結構建筑還符合國家的可持續發展戰略、發展鋼結構建筑對提高城市建設水平有很大作用，在鋼結構設計中要充分考慮材料的優缺點，綜合考慮各方面的因素加強對結構的整體穩定、局部穩定以及平面外穩定的設計，克服結構設計缺陷，避免出現失穩事故，加快鋼結構應用領域的發展。

關鍵詞：鋼結構;結構設計;問題

1.建筑鋼結構設計特點

1.1鋼結構的制造比較簡便，施工時間比較短

鋼結構需要的材料比較單純并且屬于成材，加工十分簡便，并且利用機械進行操作，因此，通常在專業的金屬結構廠將鋼結構制作為構件，具有較高的精確度。在工地上拼裝構件，可以使用安裝便捷的普通螺栓和強度較高的螺栓，有時候還能夠在地面上進行拼裝及焊接成比較大的單元之后進行吊裝，以便能夠盡量縮短施工時間。除此之外，已經建好的鋼結構進行加固和改建也比較容易，采用螺栓對結構進行連接時可以根據需求實施拆遷。

1.2鋼結構材料具有較高的強度

塑性與韌性要比其他鋼材建筑材料好，例如與木材、磚石作比較，其強度要高出很多。因此，在大跨度和大荷載的結構構件中頻繁使用。鋼材的特點還有良好的塑性與韌性。良好的塑性，在一定的條件下結構不會因為超載而產生斷裂;良好的韌性，結構能夠很好的適應動力荷載。鋼結構具有的延伸性與吸能力還令其抗震性能十分優越。另一方面，鋼材具有極高的強度，制作的構件截面極小且薄，受到壓力時能夠符合穩定的要求，有時無法充分發揮強度。

1.3均勻的材質

鋼材內部組織十分接近向同性和勻質，同時在一定的應力幅度范圍內幾乎是完全彈性的。因此，鋼結構實際的受力狀況比較符合工程力學計算的結果。在冶煉與軋制過程中鋼材的質量能夠獲得十分嚴格的控制，材質在極小的范圍內波動。

2.鋼結構在建筑結構設計中存在的問題

2.1鋼結構設計方案缺乏深度

承接單位和設計單位的分包，在很大程度上降低了設計的深度，甚至有些設計方案不能滿足原設計的要求，例如柱腳設計的錯誤。埋入式、外包式、外露式是柱腳設計的主要類型，外露式主要在民宅中應用，底板的彈性和塑性變形決定了柱腳的剛度，所以底板出現變形就會造成鋼結構的變形，設計人員如果不充分考慮這些問題，不進行內力分析，預留位移角限度值，一旦出現地震災害時，就很容易破壞柱腳節點，損壞建筑物。

2.2設計人員缺乏實踐經驗

鋼結構設計的任務相對繁重，而且相關項目的設計費用較高，在一定程度上增加了鋼結構設計的難度，所以很多設計人員都不愿意接這類工作。此外，有些設計單位缺乏鋼結構設計的實踐經驗，往往將鋼結構設計進行分包，一旦分包單位設計資質欠缺，就會給鋼結構的設計帶來安全隱患。另外，當前的設計市場沒有相關法律的約束，也沒有相應的監督，導致嚴重的后果，如工程事故的發生。

2.3盲目模仿外國設計方案

我國鋼結構設計方案首要考慮的問題是經濟效益，而外國的設計方案由于具備強大的經濟實力的支持，往往不看重經濟效益，因此我國的設計人員照搬外國的設計方案是不符合實際情況的。有些設計人員盲目追求設計的新穎而沒有考慮成本問題，最終導致設計方案不合理。

3.提高建筑鋼結構設計要點的措施

3.1結構選型

在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是”概念設計”，它在結構選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規范未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部構造措施。在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇，所得結構方案往往易于手算、力學行為清晰、定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。結構選型時，應考慮不同結構形式的特點。在工業廠房中，當有較大懸掛荷載或大范圍移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網架。基本雪壓大的地區，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線50度外不需考慮雪載），建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節點剛接的框架有更好的經濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體系。高層鋼結構設計中，常采用鋼混凝土組合結構，在地震烈度高或很不規則的高層中，不應單純為了經濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。

3.2結構布置

結構布置是設計中比較難的部分，它既要考慮結構整體剛度大小問題，又要考慮結構整體剛度均勻問題。具體地說，也就是柱子主方向的朝向，支撐、剪力墻設置的位置等。假如不對結構布置做仔細的分析工作，整個結構的抗力有效性、傳力途徑合理性將得不到充分地發揮，從而使經濟性不佳。建議初算后，調整結構柱子主方向及支撐、剪力墻位置時，可以盡量參考結構整體變形圖和幾個主振型圖的情況。實際設計工作中結構布置與建筑使用功能往往是有沖突的。針對有沖突的地方，結構布置作出相應的調整，努力做到在滿足建筑使用功能的前提下，讓結構布置趨于最合理。

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（尤其平面外的穩定）。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

在鋼結構設計中，最重要最關鍵的是節點設計，在一些工程中，節點非常復雜，甚至圖紙都無法表達清楚，為此，就必須要結合有限元計算對節點做法進行驗算復核。如對于連接板的設計，其厚度的控制，主要以在梁腹板的厚度的基礎上，再加上4mm，最后通過驗算，分析截面的抗剪力。

另外，由于構造間隙及制造誤差會導致連接后連接板有微小轉動，進而導致次梁頂標高比設計標高下降一定數值，致使主次梁頂標高不在一個平面上，為了避免這一情況的出現，還需要在節點螺栓尚需承受時，采用雙排螺栓所產生的一對力偶引起的彎矩，最終控制旋轉中心和制造精度，以此來作出合理的判斷。

此外，在節點設計時，還要要考慮到螺栓的安裝、現場焊接等，優化施工吊裝的順序以及施工空間。

3.5圖紙編制

在鋼結構設計中，對于圖紙的編制，一定要采用合理的鋼結構制作技術，結合工程需求，以施工圖為參照標準，進行圖紙深化，并且要做好細部設計工作，其中，對于細部設計中，主要要控制好桁架的整體穩定性，具體的控制方法就是在桁架單元滑移前增設前后支撐，通過增加支承點的方式來確定計算簡圖，但是圖紙一定要附有詳細的材料表、施工詳圖以及設計圖，從而全面提升高鋼結構設計的質量。另外，還要利用PKPM設計軟化，規范設計流程，確定鋼結構的跨度、柱距、建模，并且要以根據荷載規范加載、計算，最終繪制出施工圖。

4.結語

目前，我國高層建筑鋼結構住宅正在高速發展，可是從設計結構到安裝制作等各個環節我們與外國建筑水平存在著比較大的距離。作為設計人員應對高層建筑的鋼結構進行更深一步的研究，提高我國建筑鋼結構設計水平。

參考文獻：

[1]黃友江，鋼結構的穩定設計分析[J].黑龍江科技信息，2009

[2]陳淑燕，提高鋼結構設計穩定性的有效策略[J].城市建設與商業刊點，2009