谈钢结构建筑设计

摘 要：随着我国建筑造型和建筑功能要求日趋多样化，无论是工业建筑还是民用建筑，在钢结构设计中遇到的各种难题也日益增多。现就钢结构设计的要点提出几点思考意见。

关键词：钢结构；特点；设计

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

引言：

钢结构定义为型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成的工程结构。由于它具有自重轻、可靠性高、抗振（震）性及抗冲击性好、制造的工业化程度较高、可以准确快速装配、施工工期短等特点，钢结构被广泛应用于工业与民用建筑中。

1.钢结构的特点

钢结构是一种较为新型的建筑结构形式，近期发展迅速，其优势是尤为明显的，主要体现在以下几个方面：

1.1钢结构建筑质轻高强度

钢结构与混凝土结构相比，质量轻，且强度高，用一个鲜明的例子来形容：对于跨度相同、承受荷载相同的屋架，一个是钢筋混凝土屋架，另一个是钢屋架，则钢屋架的自身质量仅是钢筋混凝土屋架的1/3～1/4，从这个例子可以充分看出钢结构质轻高强的特点，基于这个优点，钢结构适合大跨度的建筑使用。

1.2钢材的材质均匀，基本符合力学计算的假定

我们在进行力学计算时，首先要假定此刚体是材质均匀、各向同性的，而在钢结构力学计算时，无需假定此条件，因为钢结构的材料本身就满足这个性能，这一点非常难能可贵，优势较为明显。

1.3钢材的塑性、韧性好

塑性好，表明材料抵抗静力荷载的能力较强，韧性好，说明材料抵抗动力荷载的能力强，钢材的塑性、韧性均较好，表明钢结构建筑既能抵抗较大的静力荷载又能提抗较大的动力荷载。基于这个特点，钢结构建筑抗震性能较为优越。

1.4钢结构构件制作精度高、施工周期短

钢结构的基本构配件均在标准的钢结构厂房进行制作，制作精度可想而知，普通的钢筋混凝土结构构件是无法与其比拟的，施工单位只需从生产钢结构构配件的企业把构件运到施工现场，在现场进行连接，目前主要采用焊接、螺栓连接的方式进行构件组装，这样一来，既提高了结构构件的制作精度，又加快了施工进度，施工周期明显缩短。此外，钢结构工业化程度高、综合效益高、属于无“湿作业”的环保建筑、符合我国提出的可持续发展的结构形式。

2.钢结构设计

2.1准确判断是否适合用钢结构

钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、场馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这和钢结构自身的特点相一致的。

2.2结构选型与结构布置

在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是"概念设计"，它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。钢结构通常有框架、平面（桁）架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。结构选型时，应考虑它们不同的特点。

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。一般的说要刚度均匀，力学模型清晰。尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。柱间抗侧支撑的分布应均匀。其形心要尽量靠近侧向力（风震）的作用线。否则应考虑结构的扭转。结构的抗侧应有多道防线。比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1/4的总水平力。框架结构的楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。

通常为了减小截面沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高，顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。

2.3预估截面

主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接 H 型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的 1/20~1/50 之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按 l/b 限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。柱截面按长细比预估。通常 50

2.4构件设计

构件的设计首先是材料的选择。比较常用的是Q235(类似A3)和Q345(类似16Mn)。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。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;当稳定起控制作用时,宜使用Q235。构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面,这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。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,一些软件可以将验算时不通过的构件,从给定的截面库里选择加大一级。并自动重新分析验算,直至通过,如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了设计师的很多工作量。但是,至少应注意两点:

2.4.1软件在做构件(主要是柱)的截面验算时,计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定;目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以,尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件,设计师应该逐个检查。

2.4.2强度不足,通常加大组成截面的板件厚度;其中,抗弯不足加大翼缘厚度,抗剪不满足加大腹板厚度。变形超限,通常不应加大板件厚度,而应考虑加大截面的高度;否则,会很不经济。使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能,很难考虑上述强度与刚度的区分,实际上,常常并不合适。

2.5节点设计

节点设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构设计前，应当对节点的形式细致思虑。实际设计中，经常出现的一种情况是：节点设计完毕，设计的节点与结构分析所得模型中设定的形式不一致，如果不足以确定这种不一致带来的偏差在允许范围内，通常是5%，就应当提前避免。钢结构节点连接的不同对结构影响较大，例如，有些刚接点即便能承受一定的弯矩，然而其会产生较大转动，与结构分析中的假定相悖，这样会导致实际工程钢结构构件变形大于设计计算数据等不良后果，我们在具体设计时一定要充分注意这一点，避免不必要的误差和麻烦出现。此外，在钢结构设计时还要注意：结构截面的初步估算，主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸；受弯构件的强度计算和整体稳定计算；轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算；弯扭屈曲与换算长细比；图纸编制；保温隔热；防火设计；防水；抗震设计等方面的问题，由于时间关系，在此不一一列举，这些将是我以后研究的重点和主要分析目标。

3.结语：

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，已经开始做为重点推广项目。因此，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中，我们要充分发挥结构工程师的创新能力，因为他们是结构设计革命的推动者和执行者。

参考文献：

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