钢结构的优点及建筑钢结构的设计

摘 要： 随着我够经济的高速发展，钢结构在我国现代化建设中的地位正日益突出，在国民经济的各个领域都得到了大量应用。本文通过对钢结构优点的阐述， 着重分析钢结构设计的原则及注意问题。

关键词： 钢结构优点； 钢结构设计；

中图分类号：TU391文献标识码： A

近年来，由于钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好和材料可回收再生等诸多优点，建筑钢结构在我国现代化建设中得到广泛的应用。随着社会的发展，高层钢结构住宅工业化和商品化程度在不断地提高，能够把设计、生产、施工和安装整合为一体，进而使住宅产业化水平得以提高。

一、钢结构的优点

钢结构是以钢材（钢板和型钢）为主制作的结构，与传统的混凝土结构和砌体结构相比，它性能稳定、质量轻强度高、抗震性能好，施工时可以在厂房进行加工再到现场装配，不仅装配的完整度好精密度高，而且能够大大地加快施工进度缩短工期。具体来说，钢结构具有如下优点：

1、钢结构强度高、自重轻

钢比混凝土、砌体和木材的强度和弹性模量要高出很多倍，因此，钢结构的自重常较轻。例如在跨度和荷载都相同时，普通钢屋架的质量只有钢筋混凝土屋架的 1/4~1/3, 若采用冷弯薄壁型钢屋架，只有约 1/10，轻得更多。由于自重小、刚度大，钢结构特别适宜于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。由于质量轻，钢结构也便于运输和吊装，且可减轻下部结构和基础的负担，降低造价。

2、钢结构材质均匀

钢材由现代化工厂冶炼和轧制，其内部组织均匀，非常接近于各项性体。且在一定的应力范围内，属于理想弹性工作，符合工程力学所采用的基本假定。因此可根据力学理论对钢结构进行计算，且计算结果准确可靠。

3、钢结构的塑性、韧性好

钢材具有良好的塑性，钢结构在一般情况下，不会发生突发性破坏，而是事先有较大的变形。此外钢材还具有良好的韧性，能很好的承受动力荷载和地震作用。这些都为钢结构的安全应用提供了可靠保证。

4、钢结构制造简便，施工周期短

钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。 构件在工地拼装，可以采用安装简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期 。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。

5、空间利用具有高效性

通常情况下，在建筑施工中， 建筑商会选择很多的施工材料来满足整个建筑结构的实际需要， 这就导致占用了建筑的可用空间； 而如果不占用空间， 实现建筑结构的合理有序规划， 就不得不选用很厚的楼板， 但这样就使得建筑的美观性大大降低， 这二者长期以来都存在着矛盾。 而钢材结构由于其本身的强度较结构较稳定， 能够在施工的过程中实现施工空间的合理布局， 解决了这一重要问题， 从而实现了建筑空间利用的合理性和高效性，这种建筑施工效果是钢筋混凝土等材料无法实现的。

6、钢结构的密闭性好

焊接的钢结构可以做到完全密闭，因此适宜于建造要求气密性和水密性好的气灌、油缸、管道和高压容器等。

二、钢结构工程设计原则

稳定性是钢结构的一个突出问题 在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题 对于这个问题处理不好，将会造成不应有的损失。钢结构体系应该遵循以下三个基本原则：

1、安全性原则

钢结构的安全问题既结构的稳定问题是实际工程设计中必须注意的问题，只有保证结构的稳定才能实现建筑结构的安全可靠，才能更好地保证钢结构不会丧失其使用功能。

结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求，目前，结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此，保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件 。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致 ，就1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落这两次事故，都是没有设置适当的支撑而造成平面失稳。

2、钢结构体系的“适用”原则

钢结构体系的“适用”原则是针对钢结构体系的功能要求而言的，钢结构体系适用性与建筑物的使用功能有密切联系。为此在结构设计时，必须把握以下方面：对建筑物的功能、特点和所处的环境条件有充分的了解，如建筑物是民用建筑还是工业建筑，民用建筑是用于展览馆还是体育馆等，工业建筑是钢结构仓库还是钢结构厂房，钢结构厂房的生产工艺对建筑结构的影响情况等；建筑物对防火、保温、隔热、隔振和防腐蚀有何要求；对建筑所在地的环境状况和气象条件应有足够的了解；建筑物内是否有特殊设备或特殊载荷作用，及吊车的设置情况如何等。

3、钢结构体系的经济性原则

钢结构设计服务于钢结构的施工与使用，钢结构工程使用目的是为了创造效益。公共建筑偏重于社会效益，工业建筑则偏重于经济效益。因此，“钢结构经济性”是钢结构设计的另一个重要方面。 “钢结构经济性”原则应从总体上加以分析，不能仅从某一方面孤立地去考察。在很长一段时间内，钢结构设计以耗钢量为标准，即耗钢量低就是先进的设计、是好的结构体系或形式。在钢材匮乏的年代，节约钢材是一种重要的手段。然而，总体而言，单纯以耗钢量为评价标准是不完全的，也不尽合理。对门式刚架轻型钢结构房屋，全面评价结构体系的合理性应综合考虑用钢量、加工制作费、安装费、施工周期及基础费用等。

三、钢结构设计中应注意的问题

1、选择合适的基础类型。钢结构在进行结构设计时，需要首先考虑的应该是安全因素。而安全最起点的因素就是基础类型的选择。地基基础是建筑工程的根基，也是建筑中最重要的组成部分，是建筑安全的保障。如果建筑没有坚实的地基，即使再好再美的上部结构，再先进的建筑方法，也只能打造一个空架，影响建筑安全。

合理选择结构设计方案在高层建筑工程钢结构设计中显得尤为重要。一般高层建筑基础类型的选择较复杂，甚至比上部结构的选型更难，由于高层建筑地基的影响因素诸多，因此要慎重选择。高层建筑的基础类型应根据地基的性质、载荷特性、结构类型及施工条件等综合因素加以考虑。有些高层建筑由于埋置深度的要求，还需要设置地下室，而地基的合理选型，也会对地下室设计的实用性、经济性等产生影响。因此在高层建筑的基础选型过程中，应制定多个方案以便选择最经济、安全的类型。

2、选取合理结构形式。目前，我国高层建筑的结构优化设计大幅落后于理论的发展。虽然现在计算机技术能够帮助结构设计人员进行一些常规的计算，大大增加了结构设计的效率和精确度，但是，由于建筑工程结构面临的约束条件很多，高层建筑的结构设计优化依然很难。很多结构设计人员认为设计只要符合建筑规范，计算精确即可，但在现实中，设计方案却经常因工程施工的具体情况而做出调整和改动。目前，现有的两种结构形式各有利弊，在选用中必须考虑建筑所处的具体地理环境，同时也要兼顾建筑的用途。

目前来看，我国的钢结构制造能力处于提升过程中，虽然钢结构技术在西方已经比较成熟，但是也不能迷信，尤其是在防火上，采用钢结构的高层建筑必须充分考虑到火灾的影响。应该妥善的对钢筋混凝土结构、钢结构等形式加以有机结合，确定最优的解决方案。

3、注重构件设计

构件设计也要考虑材料的合理性，取材上一般选择Q235和Q345两种。由于对工程管理便捷的追求，钢结构设计主体时常把材料限定在一种材质上，但是如果出于经济情况上的考量，也有很多施工单位将不同材质钢构件强强组合的用于施工，强度上的要求以Q345为主，稳定性的要求上以Q235为主。当前的结构软件, 都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以对整个结构进行截面优化，我们仅做的就是对优化后的截面稍加调整并进行程序自动验算，直至合理，如PKPM中的STS等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。但要注意，利用结构软件设计一定要注意模型的建立和参数定义，尤其是柱及梁的平面内、外计算长度。

随着城市经济的发展和高层建筑的增多，我国钢结构发展也开始迅速起来，钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已经开始作为重点推广项目。所以，我们必须深刻的认识到，无论技术多成熟，对建筑设计质量的要求不能放松。设计时要注重外表的独特性与建筑结构的稳定性和安全性相一致，以保证人们的居住安全，促进建筑行业的持续良好发展。

参考文献：

[1]王月红、关杰：高层建筑工程结构设计综合分析，《山西建

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[2]唐小山：对高层建筑结构设计问题的分析，广东科技，2011

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[3] 彭建离 浅析高层建筑中钢结构的设计与施工 建筑钢结构 2013年第12 期