基于建筑钢结构设计要点的探讨

摘要：钢结构由于强度高、自重轻、抗震性能好和材料可回收等诸多优点而被广泛应用到现代建筑工程中。而钢结构在建筑工程当中应用的范围十分广泛，究其原因在于其拥有自重轻，高强度和工业化强度高的特点，所以钢结构设计对建筑物的安全和使用寿命起着至关重要的作用。

关键词：建筑;钢结构;设计

1.建筑钢结构的特点

建筑钢结构与钢筋混凝土结构相比具有以下优点：一是钢结构可工厂化制作，减少现场施工的工作量，施工周期短;二是由于钢结构自重轻、结构荷载小，减少了地基处理的工作量和费用;三是钢结构利于抗震，给投资方带来较好的经济效益和社会效益;四是钢结构由于其材料本身的性能好，强度高，与钢筋混凝土结构相比结构断面小，在厂房布置中可以节省一部分空间，更容易满足工艺灵活布置的要求。

2.当前我国钢结构设计中存在的问题

2.1设计质量下降

当前设计院的设计任务相当繁重，所承揽的工艺及综合专业部分设计收费较高，而钢结构部分却是难啃的硬骨头，费工费力收费低，不愿意承接钢结构设计任务，或者缺乏钢结构的设计经验，故往往将钢结构部分分包给另一单位。一些无资质的单位，拿到工程后，用买来的图标搞设计，使设计质量存在重大隐患。

2.2设计深度不够

当前，不少设计单位，钢结构的设计水平比较低，承担工程的设计者多为刚毕业不久的学生，缺乏实践经验，更缺乏钢结构的设计知识，盲目照搬规范，套程序，对关键技术不进行研究，设计院只做到了“方案设计”或初步设计的深度，将施工图交给加工厂，加工厂缺乏计算软件，又将施工图任务转包出去，由于这些分包单位缺乏专业配套知识，对设计总体要求不明确，往往所做出的图纸不符合原设计要求，存在严重的质量隐患。有的加工厂为了节约钢材，降低造价，盲目进行钢材优化，结果造成工程质量事故。

2.3盲目照搬设计方案

由于国外结构工程师对我国地震和风荷载的特殊情况了解得不深，故设计方案在抗震设计方面很不合理，如国家体育场，采用了钢结构屋盖和砼看台完全脱开方案，几万吨的巨大钢桁架所产生的地震荷载由钢结构柱传至柱底，而数千吨的巨大柱底水平力由与看台基础脱开的巨型钢柱脚传递，结果造成用钢量达到五万吨，相当同类体育场用钢量的四倍，这是抗地震设计极不合理的方案，如将数万吨的钢结构产生的地震力传给砼看台，可以减少大量的钢材，在保持原建筑风貌不变的情况下，可使庞大笨重的钢结构减少钢材用量两万多吨。

2.4设计未充分考虑施工

一些设计人员出于经济利益，整天埋在办公室的图纸堆里，理论脱离实际，不深入现场，不了解施工。严重者会给施工带来极大困难，总的造价大量增加。如×工程设计要求屋盖最后合拢的温度为14度±4度，但本工程合拢时正值盛夏，中午时钢材表面温度达到55度，为满足14度合拢要求，曾提出“深挖井、添冰块、喷冰水”的区域降温的方案。

3.建筑钢结构设计要点

3.1正确选用钢材与焊缝质量等级

按照国内现行的相关规范要求，在钢结构的设计方案中，应明确标注钢材与焊缝质量等级。在国内现阶段的钢结构设计中，对于焊缝质量等级的要求缺乏明确性，部分项目甚至并没有提及。在抗震要求较高钢结构建筑的设计时，钢板的厚度应≥40mm，在承受沿板厚方向的较大拉力时，要保证板厚方向的截面收缩率。在钢结构设计中，焊接连接是基本的钢结构连接方法，焊缝质量的优劣直接影响到结构的整体安全，所以，必须根据结构、构件的重要性与受力性能等，合理确定焊缝的质量等级。

3.2结构形式与结构布置

钢结构的设计过程主打“概念设计”牌，概念设计在钢结构的整个过程中都是异常重要的。建筑钢结构通常分为框架、平面（桁）架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等几种结构。在对项目进行钢结构的选型确定时，一定要根据各项目特点的不同，分析实际情况进行设计。遇到有较大负重的荷载时要放弃门式钢架而采用钢结构网架形态。大跨度的建筑要对覆盖屋顶构建进行拉索或索膜结构的建立。对于高层或者超高层钢结构项目，可对钢结构框架布置支撑结构，承受水平荷载和抵抗侧移变形能力更佳，经济效益也要比简单的钢框架要高的多。另外采用钢筋混凝土结构外加巨型SRC柱的组合则能充分发挥钢结构和混凝土各自的优势，能更好地控制好项目的投资。

钢结构的设计应使结构受力路线清晰且可以以最接近直线的路线将受力传给地基支撑。钢结构在布置上要遵循结构刚度匀称，力学分布平稳，最大限度减少荷载的影响。钢结构抗力的支撑住间距要适中，且设置多道防线以背意外发生，核心撑柱的受力应至少占总受力的20%。

3.3结构计算

梁、柱的截面初选时，要考虑构造要求，如翼缘宽厚比、腹板高厚比、构件长细比等。不宜为了一味追求用钢指标，而采用把梁、柱截面高度加大、腹板厚度变薄、翼缘宽度变窄、厚度变薄等措施。如这样做后，将产生负面效应。首先，这将使得梁、柱自身的整体稳定性不易保证。其次，使得运输、施工中都难以保证构件不发生翘曲变形。结构分析中一定要注意结构分别在风荷载作用下、地震作用下的层间位移、顶点位移、自振周期。设计中常常不重视结构的自振周期，有时结构的层间位移、顶点位移都满足规范要求，但自振周期却比较长，这对于建筑物抗震是十分不利的。当建筑物遇到主要为低频的地震波时，地震波对这种周期长、高柔的建筑影响很大。梁、柱变形应该按照规范严格进行控制。当梁跨度很大时，梁变形验算要同时考虑相对变形和绝对变形。

3.4节点设计

钢结构节点设计是整个设计中的关键。设计时既要保证节点具有足够的强度和延性，又要使节点构造简洁，便于施工。节点设计中连接螺栓数目的确定，翼缘连接焊缝厚度的确定，相对是比较直观、容易的。而节点域抗剪验算、连接板等计算是常常被忽略，但它们亦是决定节点安全性的重要因素之一。梁、柱刚性连接设计应注意以下几点：

1）不能太厚，也不能太薄。太厚了使节点域不能发挥其耗能作用，太薄了将使框架的侧向位移太大。

2）建议8度3、4类场地和9度时采用梁一柱骨形连接。该法是在距梁端一定距离处，将翼缘两侧做月牙状切削，形成薄弱截面，使强烈地震时梁的塑性铰自柱面外移，从而避免脆性破坏。

3）当梁腹板与柱采用螺栓连接时，螺栓排数不少于两排。

4）当梁上翼缘有楼板加强，且施焊条件较好，震害较少时，可不做特殊处理，而应对梁下翼缘的焊接衬板边缘施焊，也可采用割除衬板，然后清根补焊的方法，以达到消除焊接衬板的缺口效应。

钢结构柱脚有外露板式、埋人式和外包混凝土式。埋人式和外包混凝土式柱脚具有较好的抗震能力，强地震区应优先采用。外露板式柱脚的震害说明：地脚锚栓是抗震的薄弱部件，抗震设计中，应充分考虑地震剪力，增强锚栓的抗震强度。钢结构连接的破坏多是由焊缝质量不好引起的，因此应加强对施工质量的管理和监督。

3.5构件设计

构建设计也要考虑材料的合理性，取材上一般选择Q235和Q345两种。一般情况下，结构计算中，如果结构强度起控制作用则选取以Q345材质经济效益更明显，如果结构稳定性或者结构变形为控制作用则以Q235更省投资。

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，一些软件可以对整个结构进行截面优化，我们仅做的就是对优化后的截面稍加调整并进行程序自动验算，直至合理，如PKPM中的STS等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。但要注意，利用结构软件设计一定要注意模型的建立和参数定义，尤其是柱及梁的平面内、外计算长度。

4.结语

目前，我国的钢结构建筑行业正处在大发展、大飞跃、大挑战的阶段，而钢结构设计是本行业的重中之重，我们只有不断的提高钢结构设计水平、逐步完善相关法律规范、深化行业内部改革，才能在世界范围内的相关领域处于不败之地。

参考文献：

[1]谢妍，贾茹.建筑钢结构设计现状及存在的问题[J].民营科技，2011（03）.

[2]邵大卫.建筑钢结构设计思路及其规范[J].建设科技，2013（10）.