高层钢结构设计应用浅析

【摘要】钢结构在高层建筑中的使用越来越多，在高层建筑的建造过程中如何更好的利用钢结构，主要在于其设计方面。本文从高层钢结构的设计和应用两方面来探讨要如何更好的深化高层钢结构的设计和运用。

【关键词】高层钢结构；设计；应用；深化

中图分类号： TU392 文献标识码： A 文章编号：

一、前言

钢结构使用在高层建筑上，其设计和施工的要求都极高，同时设计的优劣将会影响高层建筑的使用效果以及安全性。所以，明确高层建筑的特点，将钢结构的设计更好的融合在高层建筑的特质里面，设计出更加完美的高层钢结构建筑，是我们研究探讨的方向。

二、高层建筑结构体系

高层钢结构的建筑设计是要从钢结构的设计开始的。钢筋混凝土和受力外包钢筒系统运用起来是比较经济的系统，被有效地运用于大批的民用建筑和商业建筑中。一般情况，40层以上，高度在100米以上的建筑被定义为超高层建筑。对于结构设计来讲，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系，一般分为六大类：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、框-筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。

三、钢结构设计的特点极其原则

1、高层钢结构设计的特点

（一）对高层钢结构的设计首先应该要考虑高层钢材的承重结构设计，在对承重结构设计的时候需要分两个方面进行设计，即：承载能力极限状态和正常使用极限状态。在设计的过程中要考虑到构件和连接的强度破坏的承受能力，如果因为疲劳导致破坏或者因为钢材过度的变形不在适合继续承载，钢材的结构将会转变为机动体系和结构倾覆。

（二）在对高层钢结构的设计时，必须要进行柱网的布置设计，在设计时可以考虑选取一榀框架单元，对柱截面和梁截面要首先进行初选。框架梁受到竖向恒荷载、竖向活荷载、水平风荷载和地震力的作用的影响。对内力的计算时要采用分层法来进行相应的计算。

2、高层钢结构设计的原则

高层钢结构设计的基本原则是：结构必须有足够的强度、刚度和稳定性，整个结构安全可靠；结构应符合建筑物的使用要求，有良好的耐久性；结构方案尽可能节约钢材，减轻钢结构重量；尽可能缩短制造、安装时间，节约劳动工日；结构构件应便于运输、便于维护；在可能条件下，尽量注意美观，特别是外露结构，有一定建筑美学要求。

（一）梁柱体系

平面采用普通梁格体系。梁采用热轧焊接H 形截面钢梁，柱为焊接箱型钢柱。整个结构设计成刚性框架结构，竖向荷载由梁、板、柱承担。框架的梁与梁、梁与柱、柱与基础均按刚性连接设计，现场连接采用高强螺栓与焊接共同作用。次梁为H 形截面单跨简支梁，设计主次梁时均不考虑楼盖与钢梁的组合作用。

（二）抗剪体系

分析计算表明，在全部水平风荷载和地震力作用下，结构体系局部刚度较弱，因此钢框架—支撑结构体系通过布置中心支撑来抵抗水平荷载。钢框架—剪力墙结构体系的中间部分电梯井与楼梯间布置钢筋混凝土剪力墙，来抵抗水平外力的冲击。

（三）楼盖体系

一般各层楼（ 屋） 盖均采用钢筋混凝土楼（ 屋） 盖，现在，有部分建筑开始使用成品组合楼板体系， 楼板厚度依结构计算定为110mm，120mm,140mm等。在结构计算中，认为楼盖刚度足够大，符合平面内无限刚性的假定。

四、高层建筑钢结构设计的主要内容

1、方案设计

在高层建筑的钢内结构设计中，除了要考虑建筑的使用功能以及施工工艺性能外，还必须因地制宜，对方案的总体进行设计。对于高层建筑钢结构而言，建筑承受的主要载荷是以风载及地震作用为主，这与以承受竖向载荷为主的一般建筑物不同，其设计的一个主要目的就是要减少侧移，防止出现扭转现象，避免在建筑中出现薄弱层面及薄弱环节。

高层建筑的抗侧力结构体系的设计还需要考虑到建筑物的高度。

2、构件设计

对于钢结构的构件及其连接节点的设计，除了按照必要的规范及规程进行设计之外，还必须做到以下几点。

（一）结合具体工程的实际情况对构件的结构形式进行创新，采用新的连接方式，形成新的连接方法与高效截面。

（二）对结构的力学计算要达到相当的可靠性的考虑。在进行电算之后还应该根据经验进行判断，必要时还可以采用手算的方法对结果进行校核，保证将误差控制至最低，可靠性达到最高。

（三）对于计算结果，结构设计师要根据钢结构的实际工作状态（这可以通过实际测算并结合结构力学知识进行估算），对一些重要构件的截面以及节点间连接的承载力进行必要的调整。

（四）根据结构的环境进行的具体设计。例如，在施工中，设备的吊装能力较大时，进行构件设计时可以尽可能地扩大拼装结构的规模，这样可以大大地加快安装速度，实现综合经济效益的最大化。

五、高层建筑钢结构设计中应注意的问题

1、结构选型与结构布置

高层建筑钢结构体系一般根据其抗侧力结构体系的特点分为四类：框架结构体系、框架—支撑结构体系、筒体结构体系和巨型结构体系。在实际工程中，钢结构的设计过程主打“概念设计”牌，应根据工程的条件和特点，综合考虑建筑的荷载性能、使用功能、制作安装、材料供应等因素，择优选择抗震性能良好，而又经济合理的结构体系和结构形式。其次，应通过力学关系的对比、钢材结构的优缺点整合和细节上的对比来实际考量。目前，已经有一些针对计算数据正常与否的软件投入到工程的设计中，不仅可以避免人工手算出现的失误，还能解决结构分析阶段不必要的繁琐计算。此外，结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般来说，要遵循结构刚度匀称，力学分布平稳，体形力求简单，最大限度减少荷载的影响，各层的抗侧力刚度中心和水平作用合力中心重合，尽可能减小房屋的扭转效应，使其以最直接的线路传递到基础。同时应便于施工，满足建筑使用要求，如进深、层高、层数和平面关系等要满足使用要求。

2、钢结构建筑的抗震设计

钢结构建筑抗震设计时，应根据设防烈度、结构类型和房屋高度，采用不同的地震作用效应调整系数，并采取不同的抗震构造措施。首先，结构刚柔度的选择应该结合结构的具体高度、体系和场地条件进行综合判断，使结构在满足变形要求的同时具有足够的刚度。受弯钢构件的板件局部稳定可以通过限制板件宽厚比，使之达到屈曲的极限承载能力，不在构件整体失效前屈曲；或者允许板件在构件整体失效前屈曲，然后利用其屈曲后强度达到构件的承载能力。其次，高层钢结构应采用全刚接框架，当结构刚度不足时，可采用中心支撑框架、钢框筒等结构形式，在高烈度区宜采用偏心支撑框架和钢框筒结构。最后，加强各构件之间的连接，以保证结构的整体性，抗震支承系统应保证地震作用时结构的稳定。

3、构件深化设计

在钢结构工程设计中，设计人员应重视对钢材、连接材料与焊接等产品标准的了解与应用。构件的设计首先是材料的选择，不建议使用质量等级为A级的钢材，原因是这种类型的钢材不保证冲击韧性和延性性能，比较常用的是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理，若从经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择Q345；稳定控制时，宜使用Q235。其次，焊缝质量的好坏直接影响到结构安全，所以应当根据结构或构件的重要性和受力性能及焊缝的受力情况，确定焊缝的质量等级。一般来说，板材的对接焊缝，承受动力荷载构件的焊缝，需作疲劳验算的焊缝，以及须与钢材等强的受拉、受弯对接焊缝，其焊缝应采用坡口全熔透对接焊缝，其焊缝质量等级不得低于二级。

4、确保设计理念的先进性

在进行设计时要充分考虑到建筑物改进的可能性及方便性。从这个角度来看，平面结构的钢架将优于空间结构，工业建筑中通常采用平面结构钢架也是出于这方面的考虑。

六、结束语

钢结构的高层建筑虽然具有很多的优势，但是，在设计方面必须严格遵循高层建筑的设计原则和特点，确保高层建筑能够拥有足够的实用性的美观性。同时，在使用钢结构建造高层建筑的时候还需要注意一些必要的设计问题，避免建造出来的高层建筑偏离原来的预期。总之，高层建筑钢结构的设计还是需要科学、有效的设计，符合高层建筑的特点。

参考文献

[1]钢结构稳定设计的探讨[J].江西 2004（4）：332-351马奇 罗志兵

[2] 姜学诗；钢结构房屋结构设计中常见问题分析[J]；建筑结构；2003年06期

[3] 钱屹；多层住宅钢结构的研究[D]；武汉理工大学；2003年