分析钢结构设计方法的研究进展与展望

摘要：钢结构在各种建筑中得到了极为广泛的应用，取代了传统的砖混结构，为建筑行业的发展奠定了坚实的基础。本文主要阐述了建筑钢结构设计存在问题的特性，介绍了钢结构建筑设计中的分析方法，并论述了结构分析设计的发展，同时提出了一些钢结构设计方法的改进措施。

关键词：钢结构设计；分析方法；改进

中图分类号： TU319文献标识码： A

引言

随着我们国家建筑行业钢结构的迅速发展，建筑钢结构的设计越来越重要。同时钢结构技术的不够成熟，设计存在效用上的缺陷，导致了钢材浪费、造价攀升问题。因此，要不断改进技术、方法和创新，开发出一种高层次的各方面符合我们的要求的材料。

建筑钢结构设计存在问题的特性

1.1、建筑钢结构问题的复杂性

建筑钢结构中存在问题的复杂性主要体现在钢结构设计较为复杂，容易出现问题的环节也较多，宏观监控难度较大。即使建筑钢结构出现的问题性质相同，但产生问题的环节与原因也存在较大的差异，加大了问题解决的难度。例如出现焊接裂缝的情况，问题可能出现在焊接裂缝的表面，也可能出现在焊接裂缝的内部，既可能出现在焊接裂缝的金属部分，也可能由于母材受到高温影响发生开裂；裂缝既可能平行焊道，也可能垂直焊道，既可能是受热导致裂缝，也可能是受冷导致裂缝。因此，建筑钢结构问题存在较大的复杂性，需要实际设计施工人员进行详细的分析与核查才能确定。

1.2、建筑钢结构问题的严重性

如果建筑钢结构出现了问题，施工人员必须停下目前的施工项目转向问题的处理，由于建筑钢结构问题的复杂性，处理的难度较大，会推延建筑施工项目的工期。如果建筑钢结构出现了不可逆性的问题，只有进行拆除重建，加大了建筑施工成本。如果建筑钢结构出现的问题没有及时被发现，甚至会导致建筑垮塌，造成重大的人员伤亡事故，严重威胁了施工作业人员的生命财产安全。

1.3、建筑钢结构问题的可变性

建筑钢结构出现的问题会随着建筑施工的进程而产生变化，从细微到不可发现的裂缝逐步变成巨大的裂缝。例如钢构件的焊接缝隙原本是可以忽略不计的，但是由于受到应力的作用，使焊缝逐渐扩大形成裂缝；钢构件如果长期处于高强度的负荷下，容易发生弯曲、变形，产生重大安全隐患，威胁了社会公众群体的人身安全，也容易产生负面的社会影响。

钢结构建筑设计中的分析方法

2.1、改进现阶段钢结构设计

在施工中钢结构建筑常常会有许多的设计缺陷，而这些缺陷会对设计者产生困扰，因此设计改进在设计允许的弹性范围内进行是必要的。框架柱长度的大小是造成弹性失稳和弹塑性失稳的主要因素，所以在设计改进中，要对建筑框架柱的长度问题进行充分的考虑。除此之外，要比较在一定条件下结构实际长度和设计长度，还要针对构件的制造缺陷以及结构第二阶段影响和梁柱的半刚性连接影响进行考虑。

2.2、建立荷载模型

钢结构设计过程中需要考虑的又一因素就是结构的弹性因素。当结构受到竖向水平荷载力后，材料和结构的之间的弹性就会产生误差，此时就要忽略非弹性材料和结构缺陷二者之间存在的误差。

2.3、加入等效切线概念

在钢结构设计的过程中，适当的降低弹性分析，同时调整结构的非线性与缺陷影响。但要注意的是，在调整的过程中，对于调整精度很难保证。利用结构弹性分析代替非弹性分析的方法是常用的调整方法。而其在设计中有着较大的局限性，因此，在要提高钢结构设计质量，就要在设计中加强等效切线的应用。

结构分析设计的发展

要完全克服上述建筑钢结构设计方法中的3 种缺陷 , 就一定要建立以结构整体承载极限状态和结构整体极限承载力为目标的结构分析设计方法。因此 , 最近几年，一些专家已提出了所谓的集成非弹性设计 （IntegratedInelasticDesign）和高等分析设计 （AdvancedAnalysisDesign）等的方法。这些方法主张主要说的是要在结构分析中对影响结构性能的各种因素进行充分考虑 , 尤其是非线性因素 , 直接计算和验算结构的整体极限承载力 , 进而完全的消除构件计算长度和构件相关方程的概念 , 也就是消除构件验算的这一步骤。

4、钢结构设计方法的改进

4.1、计算软件选用的优化

应该使用最低两个不一样的力学模型的三维空间分析软件，对在钢结构设计里面 B 级高度的杂高层建筑结构以及高层建筑结构，实施整体内力位移的处理。因为当前市场上的商用软件比较齐全，例如：PMSAP、SATWE、TBSA、TAT 等高层计算软件和SAP2000、MIDAS、ANSYS等，因此在处理结构时，应根据工程的特点选择合适的计算软件，同时还要选择两个不一样力学模型的三维空间分析软件，特别是对于受力繁琐的结构，比如发生了数次变换的框支剪力墙结构。除此之外，对于局部受力相对繁琐的结构件，要依据应力分析的结果改进配筋设计。

4.2、计算参数取值的优化

在处理钢结构抗震设计时，应考虑到平扭转耦联计算结构的扭转效应，振型数不能小于 15，多塔结构振型数不能小于塔楼数的 9 倍，并且在计算振型数时，应让振型参与质量大于总质量的90%。但是在现实的施工图的改善阶段，却经常发现会有缺少处理的振型数的问题，更有甚者一些结构设计振型参与质量只有总质量的一半，这就会使得结构计算结果产生比较大的误差。

4.3、钢结构的选型和布置

高层建筑钢结构通常分为 4 类，并且它们通常是不同的，要依据它们的侧向力来进行划分。在实际钢结构设计工作中，通常是概念设计，应加充分的考虑施工条件比如功能、制造和安装、负载能力、使用的材料以及其他的影响因素，采用火灾或地震阻力良好的现实架构。在施工时间上要满足不同的功能和建筑要求。除此以外，应依据系统配置钢的使用情况和特点，对具体性质进行综合考虑。一般情况下，这是必须的，这样才能够保证结构刚度，并保证均匀分布结构受力，同时也尽可能的降低建筑物的扭转影响，进而保证强度层的横向力抵制。

4.4、钢结构的构件设计

首先，构件设计要选择材料。通常情况下，最常用的材料是Q235 和 Q345。若对工程管理进行考虑，在主结构上常常会采用单一钢种，若从经济角度上进行，就需要考虑截面组合的不同强度的钢材。比如：在偏向于强度控制时，可以选择Q345；在偏向于稳定控制时，可以选择 Q235当前。因为当前程序技术的快速发展，一些结构软件可以对整体结构进行全面的优化，我们不但要调整优化后的截面，使其达到合理的截面标准，还要对模型的建立、计算长度的参数定义等数据进行考虑。

4.5、节点的设计

若未充分地考虑在结构分析前节点的形式，就会比较容易出现结构分析模型中的节点与设计中的节点形式不完全相同形式。依据不同的结构传力特点，我们应该将节点分成为刚接、铰接和半刚接。在选用节点时，要准确判断节点的连接形式，进而使设计具有合理性与安全性。除此之外，节点设计还应充分的考虑吊装安装与施工人员现场操作方便等现场问题。

4.6、钢结构建筑的抗火设计

尽管钢是由一种非燃烧的材料制成，可是高温下，由于高的热膨胀系数，就会发生变形，所以即使钢拥有比较好的热导率和电阻，还是会致使火灾的蔓延。有些钢在 600℃的高温时，钢的强度基本上失去了，在火灾中变得很脆弱。高层建筑更有可能导致火灾，且高层建筑火灾较难控制。因此，高层建筑耐火钢的设计是非常重要的。目前，中国的高层建筑钢结构的耐火设计是比较落后的，很多设计不考虑高温、钢的变形和应力，同时也没有考虑各个组成部分之间相互作用的影响。高层建筑钢结构的整体抗火设计基于组件级别，是在建筑防火设计的基础上确定的。

结语

总而言之，对于钢结构的设计，注意做到因时制宜、因地制宜，结合实际、实地考察，并运用先进的技术，合理进行设计，使技术人员应重视学习技术标准和规范，形成遵循严格的标准和规范的工作习惯，进而保证建筑的整体质量。

参考文献：

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