有關建筑工程中鋼結構設計優化研究

文/張國燦 廣東杭蕭鋼構有限公司 廣東珠海 519000

有關建筑工程中鋼結構設計優化研究

文/張國燦 廣東杭蕭鋼構有限公司 廣東珠海 519000

隨著社會的快速發展以及科技的不斷進步，建筑結構也發生了顯著的變化，高層建筑不斷涌現，現代建筑結構要求也越來越高。本文通過對當前建筑工程鋼結構設計存在的主要問題進行分析，并針對性的提出了鋼結構設計優化策略。

建筑工程；結構設計；優化設計；鋼結構

近些年來我國的綜合實力有了明顯的增強，在社會不斷發展的過程中建筑行業得到了快速的發展，加之科學技術水平的不斷提高，我國鋼鐵產業的鋼材生產數量也在與日俱增。在這樣的情況下，鋼結構不僅僅在工業廠房的建設中得到了較為廣泛的應用，同時也得到了建筑工程師們的青睞，使其廣泛應用于房屋建筑結構設計中。但是通過實際的情況來看，鋼結構雖然在房屋結構式設計中發揮了重要的作用，但是在工程建設中，對于鋼結構的應用存在著很大的問題，要想充分發揮鋼結構在房屋結構設計中的作用，這些問題亟需得到解決。

一、當前建筑工程結構設計中主要問題

1.1 短肢剪力墻

目前，高層建筑結構設計當中的問題較多，一些看來很小的問題甚至會對建筑物形成致使的影響，更會嚴重損害建筑的結構。在眾多問題當中，短肢剪力墻的設置不合理就是非常典型的一個，此設置存在的不合理在很多高層建筑結構設計當中普遍存在，設計人員通常都容易增設短肢剪力墻，這使得高層建筑的安全性與穩定性受到了一定的影響，高層建筑甚至會因為短肢剪力墻而降低抗震能力，使高層建筑建成后長期處于不安全環境當中，不利于長期使用。

1.2 嵌固端

嵌固端同樣是高層建筑結構設計的重要組成部分，嵌固端的設計通常分為下列幾點：第一，設計人員選擇嵌固端位置存在很多問題，特別是不少高層建筑的嵌固端都被設置在了人防頂板或者地下室，存在一定的安全問題，效果也難以實現。第二，嵌固端的上下層存在不合理的剛度比例設計。相對于合理的嵌固端設計來看，其上下層剛度比例是非常重要的一項指標，就這個指標而言，目前有很多高層建筑的嵌固端設計都存在計算失誤問題。第三，另一個突出問題是嵌固端設計與抗震縫隙的處理上有著一定的沖突與矛盾，缺乏平穩性，導致高層建筑結構缺乏穩定性。

1.3 超高

當前，高層建筑結構設計中普遍存在的問題就是所設計的建筑物超高。超高問題，指的是高層建筑單位未嚴格按照有關的標準與制度規定將高層建筑的高度過度增加。雖然建筑物的高度增加會使經濟利潤全面提升，但是超高問題確嚴重的影響著高層建筑的結構。特別對高層建筑的穩定性以及抗震能力都會帶來不良的影響，若遭遇到強風或者地震等自然災害會使高層建筑結構發生斷裂、倒塌等情況，將會給住戶的人身安全與財產安全造成嚴重的威脅。高層建筑結構設計涵蓋的內容很多，須注意的重點性能也是全方面的，高層建筑存在的問題通常表現在結構的牢固性、抗震性、相應的應力處理等方面，高層建筑結構設計當中的設計位置計算的準確性對于建筑的整體結構也有著嚴重的影響，影響計算的準確性的因素是多方面的，像計算公式選擇是否恰當、資料是否健全、過程是否存在失誤等都會使計算結果出現一定的問題，并對整體的結構設計效果造成嚴重的影響。

二、建筑工程鋼結構設計優化策略

2.1 結構布置與選型

對于設有吊車的建筑，宜選用等截面焊接H型鋼柱。確定鋼柱與軸線定位關系時，應以最大限度減少鋼牛腿外伸尺寸為原則。當鋼柱截面較大或吊車噸位較大時，應注意收縮牛腿以上柱截高度，以免影響吊車正常運行。當建筑設有雙層吊車時，上下層吊車頂面高差應滿足空載的上吊車主鉤與下層吊車頂面間最小安全距離。

1）柱距的確定，輕鋼建筑一般取6-9m，有專門的研究表明：取7.5m最為經濟。重鋼建筑可取6-15m，值得注意的是，隨著柱距增大，吊車梁截面尺寸及其單位用鋼量會迅速增加。計算表明，當柱距＜7.5m時，主剛架與吊車梁用鋼量比約1：1；當柱距＞12m時，這個比例接近1：2。因此，工藝允許情況下，應適當選擇比較經濟的柱距。柱距對屋次結構系統有直接影響，當柱距＞9m時，屋面檁條的截面尺寸已超出常規范圍，極不經濟。如在兩棍剛架之間設置支撐于鋼托架上的屋次梁以減少檁條跨度，可明顯降低屋面次結構的用鋼量。

2）柱間支撐構件選型，支撐形式可選用十字或人字撐，桿件軸線與水平支面夾角應控制在35～55之間。對輕鋼建筑，與屋面梁可靠連接的鋼板內天溝及屋脊雙擦可以作為剛性桿使用。支撐截面宜優先選用雙拼角鋼和圓鋼管，不宜選槽鋼。如下表所示：

以弱軸為控制方向2L90x56雙拼角鋼比[18輕型槽鋼節省鋼材21%。當采用圓鋼做支撐時，宜使用花籃螺栓施加拉力，以確保圓鋼處于張緊狀態。避免同一結構單元出現不同的結構形式。這是新抗震規范明確要求的。過去常見的一些做法已被禁止。例如：以磚墻為外維護墻的輕鋼建筑中，靠近山墻的軸線上不布置剛架，將端跨屋面檁條直接支撐在山墻上。正確的做法是：山墻僅作為自承重的圍護結構，設置山墻剛架支撐檁條。

3）合理布置屋面梁拼接位置。屋面梁拼接點可選擇在屋脊、梁柱連接節點、梁直線段與楔形段交接處及翼緣寬厚改變處。考慮到運輸方便，一段梁長不要超過14m。另外，法蘭拼接板外伸可能與屋面檁條布置沖突，因此宜事先考慮二者相互避讓。

2.2 構件連接節點及柱腳設計

1）門規CECS102—202給出三種梁柱節點連接方式：垂直面、水平和斜面拼接。可參照下表確定其適用性。當采用斜面拼接時，應注意梁柱外翼緣與拼接板間形成的銳角會縮小第一排高強螺栓安裝空間，要根據放樣調整孔位。

2）嚴格限制在梁柱翼緣上直接開孔栓接小構件，（如雨蓬梁與邊柱連接）以避免構件截面削弱。改變連接方式是解決問題的有效途徑。雨蓬梁可以通過焊接在柱上的短牛腿與柱連接。

3）錨栓埋人混凝土基礎的最小長度應按照建筑基礎設計規范GSB50007的規定計算。不要把這個埋人長度與混凝土規范中錨固長度混淆，它們是兩個概念。當錨栓設有端錨板時，錨板外輪廓可能超出鋼柱底板范圍。鋼結構設計要提醒土建設計注意：混凝土基礎短柱截面尺寸不僅要大于鋼柱柱腳尺寸B1還要大于相應的錨板外圍尺寸B2為便于鋼柱就位及精確校正，底板四角錨栓可設調整螺母并相應延長絲扣長度。灌漿層應使用專用灌漿料，不應以細石混凝土或高標號砂漿代替：

4）抗剪鍵可采用角鋼、槽鋼、工字鋼等型鋼，其設置方向應使強軸垂直于剪力方向。抗剪鍵長度取100-150mm以確保伸人混凝土柱頂抗剪槽內。不得利用灌漿層抗剪。

2.3 屋面檁條優化設計

實際工程中，不合理的檁條構造設計常導致檁條整體扭曲失。例如：檁條與W90型屋面板的連接一般采用自攻釘連接于波峰位置，這種構造雖減少了屋面漏水的機會，但不能保證屋面板起到阻止檁條失穩的作用。采用帶防水墊片的專用自攻釘將屋面板波谷與檁條直接連接，才能可靠地防止檁條失穩。為了釋放溫度應力，某些咬合式和暗扣式屋面板采用滑片和支架與檁條連接，這種構造因屋面板與檁條間有相對滑動，也不能保證屋面板起到阻止檁條失穩的作用，應引起注意。擦間拉條的設置同樣需要考慮與檁條穩定計算相協調。其設置位置不能一成不變地取在距檁條上翼緣1/3腹板高處。當屋面板能控制住檁條上翼緣失穩時，拉條位置應取檁條下翼緣附近。極端情況下（屋面板不能控制住檁條上翼緣失穩，且檁條下翼緣在負風壓下也可能失穩），宜設上下雙層拉條。

結束語：

綜上所述，我國城市化進程逐步開始并不斷深入，社會對于房屋建筑的需求也逐漸凸顯，建筑鋼結構也因其自重輕、強度高、性能強、工業化程度較高且使用簡便等特點而受到廣泛關注與應用。在具體工程實踐中，建筑鋼結構設計仍存在許多未達到標準的方面，影響著建筑的安全穩定。需要我們從建筑鋼結構設計出發，分析存在的問題，并找出相應的優化策略，以促進建筑工程鋼結構設計的穩步發展。

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