我国高层钢结构设计中若干安全隐患及其应对措施研究

摘要：近年来，我国建筑行业发展飞速，尤其是建筑结构设计的发展也是有目共睹的。随着人们生活水平的提高以及先关技术的发展，高层钢结构建筑可以说比比皆是，并且与人们的生活和安全是息息相关。目前，高层钢结构设计仍然存在着诸多的安全问题亟待解决。本文主要就我国高层钢结构设计中若干安全隐患及其应对措施进行了分析研究。

关键词：高层钢结构 设计 安全隐患 措施

中图分类号： TU39文献标识码： A

近年来，我国城市化进程不断加快，高楼大厦拔地而起，钢结构在高层建筑中的使用也是越来越多，高层建筑的钢结构设计和施工的要求都比较，并且其设计的优劣将会严重影响高层建筑的使用效果和安全性。目前我国高层钢结构设计中仍然存在着诸多安全隐患，威胁到整个工程以及人们的生命安全，所以，有必要对其进行研究，同时要提出相关的应对措施，保证钢结构设计的安全性。

一、高层钢结构设计的概述

1、高层钢结构设计的特点

1.1 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。

1.2 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、高层钢结构设计的优势

在高层建筑中，钢结构设计作为其中的一个关键环节，是保证工程质量的重要因素。它的优势主要体现在以下几个方面：

2.1 钢结构自重较轻

自重较轻是钢结构的优点之一。在高层建筑工程的应用中，钢结构自重较轻，可以减轻建筑物约30%的重量，在现代建筑工程中钢结构被广泛使用。对高层建筑而言，在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方，钢结构利用其自重较轻的优势所产生的综合效益，往往优于一般住宅建筑体系。另外，钢结构由于自重较轻的特点，还可以准确快速地装配，便于施工和安装，在工程中，容易做成密封结构。1.2 钢结构可靠性高

2.2 钢结构在建筑应用中的优点还表现在钢结构的可靠性较高。具体说来，在建筑工程中运用钢结构布置灵活，可使房型多样；可以工厂化生产，施工周期大大缩短；与此同时，还具有隔声和保温的效果。在布置灵活方面，钢结构开间大，具有充分的灵活性、可改性和安全性，有利于满足现代人的居住需要，适应现代住宅的市场需求。在可以工厂化生产方面，更易实现工业化、定型化、批量化生产，提高劳动生产率。在缩短施工周期方面，钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半。在隔声方面，轻钢结构在内外墙及楼盖搁栅间填充玻璃棉，有效阻止了传播的音频部分。在保温方面，在建筑物的外墙和屋面中使用的保温隔热材料能长期使用并能保温隔热。因此，不难看出，钢结构的可靠性较高。

二、高层钢结构设计中存在的安全隐患

1、构件破坏严重

高层钢结构在地震中的局部构件破坏主要是某些支撑杆件的失稳或断裂破坏、钢柱脆性断裂等，而这些多是因为在设计中未充分考虑钢结构的低周疲劳破坏、构件的宽厚比以及塑性设计等方面。甚至出现结构发生坍塌的现象，这是高层钢结构最为严重破坏形式，多是因为钢结构中存在薄弱层或结构选型不合理而引发此类灾害，由于后果极为严重，所以在设计中必须尽一切可能避免出现这种情况。

2、建筑的抗震性能多难以满足规范要求

虽然我国现行的设计规范对于建筑物的抗震性能均做出了比较详细、具体的规定，但有些业主为了节约开支，认为钢结构的抗震性能比较好，会让设计人员降低建筑物的抗震等级，如此以来，建筑物的抗震性能将会成为一个比较严重的安全隐患，因为我国最近已经进入地震的高发期，汶川、玉树以及雅安等地区相继发生了非常严重的地震灾害，对人民的生命财产造成了巨大伤害。

3、建筑结构空间布局缺乏人性化

如果设计人员在前期没有进行认真调研，没有充分领悟业主对建筑物使用方面的要求，仅仅是凭自己感觉或者是套用以前的设计方案，那么最终的建筑结构空间布局很有可能因为缺乏合理性而难以满足业主的需求。同时，还会在安全性方面埋下一些隐患。比如：若是在结构空间布局过程中把承重结构与装饰结构混为一体，未规划出符合要求的消防通道，那么万一发生紧急事件，将很有可能对建筑物内人员的生命财产造成危害。此外，如果建筑结构空间布局不够人性化，还会在一定程度上增加使用成本、缩短使用寿命。

4、节点连接不合理

连接节点破坏这是钢结构建筑物在地震灾害经常出现的破坏，究其根本原因，多是最初的设计环节，相关节点的构造不符合要求，因而致使一些节点连接处容易产生应力集中的现象，进而造成了破坏。

三、我国高层钢结构设计的安全应对措施

1、加强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。

2、不断加强构件设计

构件设计也是高层钢结构设计的重要环节。高层钢结构在构件设计时，一定要注意材料的选择。钢结构的材料选用，最为主要的一点就是保证承重结构的承载能力，防止在一定条件下出现脆性（失稳）破坏。通常比较常用的材料有Q235B、Q345等。在进行构件连接时，要保证轴心受拉构件的刚度。具体方法就是构件的截面要尽量展开，使其在两个主轴方向具有较大的回转半径，以减少高层钢结构建设的工作量，提高构件设计的精度。

3、在建筑结构设计中始终坚持“以人为本”的原则

一名合格的建筑结构设计人员首先应该具有非常专业的知识、灵活的思维方式以及足够的责任心，同时还需要十分清晰的认识到建筑的最终目的是为人服务。这就要求设计人员在工作中认真对待每一个细节，对于同一个问题要善于从不同的角度去思考解决，在辩证的过程中寻求最佳解决方案，要切实做到“以人为本”，如此以来便可提高建筑物的人性化与合理性，从根本上保证其安全性能。

4、注重节点设计的科学性

节点设计在高层钢结构设计中也至关重要。在高层钢结构工程建设中，节点非常复杂，甚至图纸都无法表达清楚，为此，就必须要结合有限元计算对节点做法进行验算复核。由于构造间隙及制造误差会导致连接后连接板有微小转动，进而导致次梁顶标高比设计标高下降一定数值，致使主次梁顶标高不在一个平面上，为了避免这一情况的出现，还需要在节点螺栓尚需承受时，采用双排螺栓所产生的一对力偶引起的弯矩，最终控制旋转中心和制造精度。

四、结束语

总之，高层钢结构设计是一项综合的系统工程，具有长期性和复杂性，它的安全性是与人们的生活息息相关的，为了保证其安全性，我们必须在高层钢结构设计的过程中，应了解钢结构在建筑应用中的优点，科学合理进行高层钢结构设计，避免不安全事故的发生。

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