現代鋼結構設計要點探究

王益民 運城市建筑設計研究院

1 前言

伴隨科學技術進步，新型技術設備逐漸被應用于工程建設中，促使鋼結構取得明顯發展成效，同時實現了部分大跨度與高難度鋼結構工程項目，在更好服務社會經濟與日常生活基礎上，促使鋼結構的設計取得明顯成效。對于鋼結構建筑來講，因其呈現質量輕與施工快等特征，使鋼結構建筑具有較強適應性，根據多年工作經驗發現，鋼結構建筑設計仍然存在不同問題，需要進行深入研究，同時正確掌握其設計要點，以便于提高整體設計質量。

2 現代鋼結構特點

2.1 預工程化高、成本低

對于鋼結構建筑來講，實現模數協調標準可以促進建筑順利建設，確保建筑具有預工程化特點，保證不同材料和形狀建筑構件均具備較強通用性，以便于實現預工程化材料加工、安裝的一體化，從而減少建設成本，同時促進工程順利施工。與此同時，此種建筑工期可以縮短至40%以上，有利于房地產的開放商資金周轉，確保建筑項目更快投入使用。例如：長沙遠大集團15天建成30層高樓。

2.2 符合超高度與超跨度需求

因為鋼材組織比較均勻，強度較高，存在較高彈性模量，密度和強度比值低于磚石與混凝土等特點，在相同受力作用下，鋼結構的自重小，可以作為跨度較大、高度高結構[1]。目前，此類建筑已經成為比較標志建筑，例如：20世紀70年代建成的上海體育館，圓形平面，直徑110m，鋼平板網架結構。我國目前以鋼索及膜材做成的結構最大跨度已達到320m。

2.3 原材料的循環使用

其一，鋼結構建筑選擇全封閉式的保溫防潮系統，因溫度變化較小與熱損失低，無論冬夏，可以保證居住環境的舒適性。當室外溫度達到0℃，室內仍然維持17℃以上；如果室外溫度為30℃，室內溫度仍然維持21℃左右。其二，和磚混結構建筑比較，鋼結構建筑的節能效果理想，約超過60%，對于冬夏季的空調設備使用，可以節約耗電超過30%，對于結構廢舊使用率達到100%。和磚混結構對比，相同樓層凈高標準下，對于鋼結構的維護墻體較小，可以節約空調能源，降低維護費用。

3 現代鋼結構設計原則

在鋼結構的設計過程，穩定性屬于比較突出問題，對于不同類型鋼結構建筑設計，均會面臨不同程度穩定問題，是設計工作中比較急需解決問題，如果發生鋼結構失穩事故，除了會發生嚴重經濟損失之外，還會造成人員傷亡，相關案例較多。現階段，總結鋼結構失穩事故發現，其主要是因為設計人員經驗不足造成，未掌握結構和構件穩定性，缺少結構穩定性正確了解，均會導致結構設計出現薄弱部位[2]。對此，整個設計過程，需要確定鋼結構的穩定性理念，以便于解決其設計問題，總結其設計原則主要包括以下幾點：第一，結構布置應該考慮其整體性與穩定性。結構主要是根據平面體系設計，例如：框架和桁架，避免平面結構發生平面失衡情況，以結構整體考慮，需要設置支撐構件，換而言之，計算結構構件穩定性，需要與結構布置維持一致。第二，細部構造與構件穩定計算應該相互配合進行，保證兩者一致性。對于結構計算、構造設計，通常屬于結構設計比較關注話題。對于不傳遞、傳遞彎矩節點連接，需要其具有較強剛度、柔度，對于桁架節點需要盡可能避免桿件偏心，均屬于設計人員加強構造細部考慮內容，然而，考慮穩定性能，構造上通常會提出不同強度需求，如簡支梁的抗彎強度，對于不動鉸支座，阻止位移屬于其基本要求，但允許平面轉動[3]。

4 現代鋼結構設計要點

4.1 科學選擇鋼材

根據國內規范要求可知，對于鋼結構設計方案，需要確定標注鋼材和焊縫質量。我國目前鋼結構的設計，在焊縫質量等級要求不具有明確性，一些項目甚至未完全提及。通常情況，鋼結構建筑對于鋼材使用，需要符合抗拉強度等相關施工特征，對于抗震要求偏高的建筑設計項目，鋼板厚度通常會超過40mm，在對此類鋼結構建筑進行設計時，焊接連接屬于基本鋼結構的連接方法，其焊接質量情況會對結構安全性造成直接影響，應該嚴格按照結構和構件重要性等進行，明確焊縫質量等級[4]。

4.2 合理結構選擇

對于鋼結構的設計需要強調“概念設計”，結構選項和布置階段極其重要。針對無法精準分析、規范未確定問題，需要按照整體結構和分體系間力學關系，考慮震害與試驗現象等設計理念，以全局角度明確控制結構布置，以實現細部科學構造。基于此，早期迅速和有效構思，對于獲取結構方案比較容易計算，明確力學行為，預防結構分析過于繁瑣，同時也是判斷輸出數據是否可靠性的重要保障。在結構選型方面，需要考慮結構形式特點，如果建筑屋面覆蓋存在較大跨度，對于懸索、索膜結構選取需要考慮構件受拉力。在鋼結構高層建筑設計時，往往選取鋼混凝土結構進行；對于地震烈度較高、不規則高層，嚴禁單純考慮經濟忽視抗震力等。

4.3 加強結構布置

在現代鋼結構建筑設計中，結構布置屬于比較難的內容，需要考慮其大小問題與均勻問題，即柱子主要方向為朝向，明確支撐與剪力墻的設置等。如果未分析結構的布置情況，無法發揮結構抗力，傳力途徑缺少合理性，均會影響其整體經濟性。在初算后，對于結構柱子的主方向和支撐等需要相應調整，盡可能考慮結構變形圖與主振型圖，但在實際設計中，對于結構布置和建筑使用，通常存在沖突情況，需要調整結構布置，在符合使用功能集成上，保證結構布置的科學性。

4.4 精準計算結構

在梁、柱截面選擇時，應該分析構造要求，嚴禁僅考慮鋼指標，需要選擇梁與柱截面的高度增加、厚度變薄相關措施，此種做法會出現負面效應。目前，在進行結構分析時，通常會忽視結構自振周期，部分結構層間位移和頂點位移均符合規范要求，然而，自振周期偏長，會影響建筑抗震。如果建筑物面臨低頻地震波，對于此種建筑影響偏大，需要根據要求嚴格控制梁、柱變形。若梁跨度偏大，關于梁的變形驗算應該分析相對變形、絕對變形等[5]。

4.5 做好節點設計

鋼結構建筑節點設計時，不僅需要確保節點強度與延性，而且還應該考慮節點構造的簡潔性，以促進工程順利施工。在節點設計時，明確螺栓數目，對于翼緣連接的焊縫厚度較為直觀。

在梁、柱鋼性設計中，需要特別注意：（1）嚴禁過薄、過厚，如果較厚很難發揮節點耗能作用；過薄會導致框架發生較大側向位移。（2）在梁腹板和柱方面選擇螺栓進行連接，需要控制螺栓排數，即嚴禁低于兩排。（3）對于梁上翼緣應該進行樓板加強，在維持良好施焊條件同時，如果震害較少無需進行特殊處理，對于梁下翼緣焊接襯板進行焊接，或者選擇割除襯板，再清根補焊，全面消除其焊接襯板缺口效應。在鋼結構的柱腳部位存在外露板式與埋入式等，其中埋入式具有較為理想抗震能力，對于強地震區需要做到優先考慮。在鋼結構的連接時，如果發生破壞，主要是因為焊縫質量差導致，應該強化施工質量監管，確保工程建設質量得到提升。

5 結束語

在城市經濟發展下，建筑施工項目持續增多，使鋼結構快速發展，鋼結構建筑逐漸成為綠色環保型建筑，逐漸成為重點建設項目。伴隨人們生活水平提升，鋼結構設計要求不斷提升，因此，促進新型與輕質建材應用，可以保證建筑結構的安全設計，考慮其經濟、可靠性顯得極其重要，要求工程師不斷提升自身創新能力，以實現綠色與優秀鋼結構建設。