关于钢结构工程设计问题的分析

摘要：当今钢结构工程越来越重要，在建筑工程中被广泛使用，其中包括桥梁、民用建筑和工业厂房等，从而传统的砖混结构慢慢被取而代之。本文主要阐述了钢结构体系的优点以及设计理论，分析了钢结构设计的难点，最后提出了一些钢结构设计工作的措施。

关键词：钢结构；工程设计；分析

中图分类号：TU391文献标识码： A

一、钢结构体系的优点

与大型建筑中使用传统钢筋混凝土结构相比，钢结构体系具有明显的技术、经济和使用方而的综合效益。

（一）提高结构抗震性能

钢结构材料由于具有较高的强度、良好的延性和自重较轻等特点，所以钢结构具有较长的自振周期、良好的抗震性能。大型商业建筑作为人员密集场所，抗震分类等级及抗震构造要求较高，使用钢结构后有效地提高了地震发生时的安全储备。

（二）自重轻，施工便捷，综合效益佳

钢材结构与钢筋混凝土结构比，强度高、自重轻，同时由于采用了轻质墙体材料，降低了建筑物的层高，所以大幅度降低了建筑物的总体重量，使得工程的基础造价大幅度地降低。又由于施工不受气候、季节等因素影响，可进行工厂化加工安装，保证了施工质量。施工时可进行立体交叉作业，无需支模，极大地提高了劳动生产率，缩短了施工周期，节约了大量的人工费用，产生较高的综合经济效益。

（三）设备管线布置灵活方便

一般钢结构楼而钢梁为H型钢，在满足构件受力要求的前提下，允许在腹板上穿孔，为设备管线的合理布置提供了非常便利的条件。

（四）绿色环保，符合可持续发展要求

钢结构在施工安装时可减少对环境的影响、污染，在建筑物拆除时可减少建筑垃圾，材料可以回收再利用，因此，使用钢结构符合绿色环保、可持续发展的要求。

二、建筑钢结构的设计理论

（一）结构布置的依据

在设计钢结构的时候，要做到全面考虑，综合各个因素，在考虑经济因素的前提下，充分利用钢结构的优势，其中包括大柱网、大开间、易改变等因素。当然同时也要做到具体问题具体分析，全面地看问题。

在钢结构的布局上，要整合其体系特点、承重力情况以及结构的性质等因素全面分析。通常，要是钢结构的刚度适合、模型清晰，要避免大荷载和承重的面积，最好以最短的距离到达基础点。尤其要注意的是，在柱间抗侧支撑的分布上要做到均衡，以最靠近风震的作用线为好，不然的话，就应该考虑到钢结构的扭转和抗衡的其他防线。比如，在支撑框架结构中没根柱子需承受1/4的总压力。

（二）结构分析和工程判定

现如今，在具体的钢结构买际设计中，对于结构的分析，通常采用线弹性分析法，有时在条件允许的情况下，也会考虑P-Δ, P-e的分析方法。当下的一些有限元软件可以把几何非线性及钢材的弹塑性能等因素考虑进来，从而为更精确地分析结构创造了有力条件，但是并非所有的结构都适合于软件分析。对于一些比较典型的结构，可以通过查询力学手册之类的工具书，获取相关的内力以及变形。而一些简单的结构就可以通过手算直接进行分析，相对于复杂的结构，就需要运用建模运行程序来进行细致分析，并作出详细的分析报告。

最后，我们要根据“工程判定”对各项周期、总剪力、变形特征的指标进行评估，然后决定是否要重新进行分析或者只是对计算结果进行修正。

（三）节点的设计

针对节点的设计尤为关键，它是钢结构设计内容的重要环节。一般情况下主要采取等强设计和买际受力这两种惯用的技法，设计的主要板块有焊接、栓接、梁接板和梁腹板等。在设计节点的时候，要时刻注意到安装螺栓、现场焊接工程的设计空间和构件的安装工序，这样一来可避免突发状况。同时还要设计图中的难易程度，在保障质量安全和设计理念的前提下，使用最简易的施工方案，这样一来可以降低施工中的难度。

三、钢结构设计中的难点

（一）无法充分地发挥钢结构的多断面隐藏优势

在建筑钢结构设计中，由于技术人员和设计人员的职业水平还有待提高，因此其结构设计仍然比较单一。而过于强调施工的安全性，也让设计人员无法充分发挥想象力，导致结构设计出现了使用和审美上的质量缺陷，也不能充分展示钢结构的造型艺术魅力。因而，在设计时要高度重视装修细节，隐藏结构观感缺陷，改变目前钢结构梁柱和梁断形式，通过设计达到利用墙体和楼板等砌筑体隐藏钢结构的目的，使钢结构更加符合相关标准，满足建筑审美要求。

（二）难以提高集成化程度

在钢结构设计中，对结构、维护体系、服务设施以及构件之间的关系没有协调处理，无法顺利将新的施工工艺运用到传统体系中，出现了新结构老体系的现象。这不仅导致钢结构无法正常衔接和协调，也降低建筑物的整体质量。同时，钢结构在民用住宅中的使用，没有很好地解决结构与墙体的冲突造成的安全隐患，且钢结构与防火、节能、隔音、保温以及轻质等方而的关系也很难处理，而这些又是衡量一个建筑物结构设计水平高低的标准，也是目前钢结构设计和施工中最难解决的问题，直接影响着整个建筑物的质量。由于新工艺与老结构之间的衔接无法协调，而在钢结构施工中，其结构设计是否科学合理直接关系着施工质量，因此这个问题已经成为众多钢结构设计人员密切关注的问题。要人力推广很更好地发挥钢结构的优势，必须提高结构设计水平，在钢结构设计中多于国外技术研究人员进行交流，并且聘用具有丰富实践经验的技术人员，结合他们在施工过程中遇到的难点，具有针对性的调整设计方案，及时解决存在问题，提高钢结构集成化程度，实现一体化施工，确保建筑物质量。

（三）难以让楼板、管线以及钢结构墙体合理地交叉

钢结构设计中，很难避免专业管线从钢梁、墙体或者楼板等结构上穿过这种情况。在施工过程中需要在钢梁腹板上人量的开孔，由于开孔过程中必须要选择剪力较小的地方，或者是弯矩较小处，因而给结构设计人员的工作带来了挑战，在结构设计上要严格控制钢梁腹板的剪力点。而目前在民用建筑中，经常出现随处开孔的现象，这种操作具有危险性，会影响结构梁板的稳定性能，造成结构的安全隐患。在开孔施工中必须要慎重，一定要对设计进行反复审核，及时进行结构设计的加固，使结构不断满足住宅墙体楼板布设管线精度的要求。如果出现偏较大的情况，就必须要及时调整，避免不合理的管线交叉现象，以免影响墙体的隔音、保温和防渗透性能。

（四）难以全面地保证围板墙的质量

在建筑中使用钢结构时，在选材方而就具有一定的难度，要考虑材料的可重复、可循环和可再生性，最人限度的节约材料资源。施工中很多因素都会影响围护墙板的质量，导致外墙裂缝现象、建筑物漏水等问题。目前外墙板应用在钢结构民用建筑方而的规模和推广范围比较小，这主要是山于部分墙体墙板的施工成本比较高。与常规墙体造价相比，其单位建筑而积的投资额会增加60元/m2，且会伴随墙体和结构衔接不够融洽的现象，尤其是定型板材与不同建筑结构相配套的问题。板材的选择工作十分重要，如果板材使用不合理就会出现板与板之间衔接裂缝，造成严重的质量问题。

四、钢结构设计工作的建议措施

（一）构建设计模拟分系统

建筑钢结构设计模拟分系统自成简化模型，其目标状态为理想应力、理想位移和下料长度，将视为设计的主要参数。钢结构工程设计的理论计算，需要明确具体的设计方法和程序，制定具有可行性的设计方案，其中涵盖钢材容重、弹性模量、环境温度等现场参数，井在设计过程中，按照实际设计顺序，详细分析节构体系内的荷载情况，尤其是结构的零状态几何，进而计算出节点位移、截面应力、内力变化、位移变化等设计参数，形成设计控制的基准，而钢结构按照该基准施工，即可保证其安全与质量。

（二）设计监测

针对影响设计控制目标的不确定性因索，要求我们在设计期间监测状态参数，以便获取能够真正反映设计情况的数据，然后比对分析状态参数与设计参数，明确参数控制的目标。工程需要监测的重点参数，包括位移监测、应力监测和温度监测，其中位移监测需要借助经纬仪、光电图像式挠度仪、水准仪、全站仪和测距仪，全方位检查每个关键节点的位移情况，但其间必须同步测试监测范围内温度，只有在温度趋之稳定后，方可保证监测结果的稳定和准确;应力监测需要借助电阻传感器和钢弦式传感器，前者用于检测短暂荷载增加状态下的应力，井需要克服耐久性的问题，对于复杂的监测环境，需要利用后者辅助测试，尤其是远距离的监测;温度量测可选择的方法很多，较为常见的有辐射测温法、热电偶测温法、电阻温度计测温法，以上温度量测仪器的选用，需考虑量测现场的客观条件，予以灵活选用。

（三）设计现场控制

由于钢结构设计，实际状态与理想状态经常存在差异，即两种状态之间存在误差，而钢结构设计处于动态变化的过程，需借助现代控制理论，深入分析实际状态与理想状态之间的误差。首先是误差的分析，重点分析结构几何、截面特征、结构荷载、材料特性等方面的参数，以推荐值和经验值的表达方式，量测结构的实际设计行为，找出具体的状态偏差，井对产生偏差的设计参数予以修正，以上的误差分析，亦可概括为三个步骤，一是引起钢结构状态偏差设计参数的确定，二是分析敏感性设计参数，三是估计和修正设计参数。其次是状态的识别与预测，将钢结构动态设计流程视为随机系统，将各种流程状态视为随机变量，除了在设计阶段考虑到的各种变量因索，其他无法考虑到的影响因索，可根据钢结构设计时的实际反应，估计设计的真实状态，并对下一个设计步骤进行确定，从而行之有效地实现设计的实时动态控制。最后是工程的最优控制，根据状态识别与预测的结果，针对实际状态偏差的实际情况，如果偏差超出允许范围，则应定义某个特定的性能指标，并围绕指标深入优化，尽可能趋近理想目标地控制钢结构安全与质量，工程钢结构设计偏差的最优控制， （四）设计控制管理

钢结构设计控制管理的主体，包括建设单位、设计单位、社会及政府相关部门，在设计过程中，各方主体起到指导、直接管理、间接管理、干涉、监督等作用。工程在设计期间，业主以设计控制委托者和协调者的身份，提出设计控制管理内容和目标的意见或者建议，在发现设计控制管理方案有失偏颇时，就会发表意见井予以最终确认;设计单位则是整个工程设计的直接管理者，其控制管理手段的科学与否，关系到设计控制管理目标的实现;社会监理则是针对设计控制的成效，尤其针对是否发生工程事故等敏感性问题，进行了舆论监督;政府在相关政策和法律规定范围内，就控制管理的内容和目标，发表监督意见。以上的设计控制管理，强调多方协作和共同努力，其前提是建立完善的控制管理，并要求系统内分工明确和责任到位，一旦发现违反安全与质量管理的行为，则令行禁止，确保控制管理工作高效地开展。

五、结语

综上所述，钢结构在建筑物建造过程中具有很强的使用和推广价值，它能增加建筑物空间跨度和高度，并且能满足现代化建筑物在外形审美和内部构造上的需求，极人地推动着建筑行业的发展。虽然目前在钢结构设计上还存在一些问题，无法实现钢结构的使用效果和价值，但是结构设计中存在的难点已经得到技术人员的密切关注。相信随着研究力度的不断加人，在不久的将来，钢结构设计水平一定会得到人幅提升，在民用建筑中充分展现钢结构魅力的同时也提高建筑物的质量。

参考文献：

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