淺析高層建筑鋼結構工程設計

【摘 要】目前隨著高層建筑的不斷興起，在高層建筑的結構中，鋼結構以其強度高、自重輕、抗震性好及材料可回收等諸多優(yōu)點得以在高層建筑中廣泛應用。由于鋼結構在許多方面優(yōu)于傳統(tǒng)的混凝土結構和砌體結構，其不僅穩(wěn)定性較好，而且可以在廠房加工完成后再到現(xiàn)場進行裝配，有效的加快了工程建設的速度。目前在高層建筑中鋼結構已得到廣泛的應用。本文分析了現(xiàn)代鋼結構的建筑特點和鋼結構的設計原則，同時對鋼結構在高層建筑中的應用進行了闡述，并進一步對鋼結構設計中應該注意的問題進行了說明。

【關鍵詞】高層建筑；鋼結構；設計

1 現(xiàn)代鋼結構的建筑特點

1.1 加工和安裝一體化，成本較低，施工速度較快

由于鋼結構建筑模數(shù)標準統(tǒng)一后，鋼結構可以進行規(guī)?；纳a(chǎn)，而且構配件之間具有良好的通用性和互換性，這就加快了鋼結構建筑的加工和安裝一體化進程，有效的降低了建設的成本，施工速度加快，有效的縮短了工期，建筑企業(yè)可能更早的確保經(jīng)濟效益的實現(xiàn)。

1.2 鋼結構使建筑更富功能化

鋼結構的設計與功能一體化后，使鋼結構建筑的功能性更有效的突顯出來，可以有效的實現(xiàn)技術和藝術之間的相融性。

1.3 能夠滿足超高度和超跨度的要求

由于鋼結構可以稱為勻質(zhì)體，無論其強度和彈性都較高，即使在相同的受力條件下，鋼結構由于自身重量較輕，所以其可以做成跨度和高度都強于混凝土和木材等結構形體，目前超高層建筑的建設，就是利用鋼結構的大跨度和較高高度的特點。

2 鋼結構工程設計原則

2.1 鋼結構設計的穩(wěn)定

在進行鋼結構設計中，其中穩(wěn)定性是一個十分關鍵的問題，一旦設計中沒有把握好穩(wěn)定性這一關，則會帶來不必要的損失。而導致設計中穩(wěn)定性問題出現(xiàn)的原因通常都是由于設計人員自身的原因所導致，首先是缺乏相關設計經(jīng)驗，沒有充分掌握結構和構件的穩(wěn)定性概念，其次是對于一些新型結構不夠了解，從而導致設計中薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。

2.2 選擇合適的基礎方案

在進行鋼結構設計時需要對工程的地質(zhì)條件進行基礎設計，確保所選擇的基礎方案的合理性，所以在設計過程中不僅需要具有詳細的地質(zhì)勘察報告，而且還需要對地基變形進行驗算，確保基礎方案的經(jīng)濟合理性。

2.3 結構計算簡圖和計算方法

在進行設計時需要對框架結構進行穩(wěn)定計算，目前在進行單層和多層框架結構設計時，則只進行框架柱的穩(wěn)定計算，但在實際施工過程中，框架的種類較多，所以在設計中需要設定典型條件，從而確保設計中的能夠簡化計算工作。

3 鋼結構在高層建筑中應用

3.1 安裝布置和結構的選擇

鋼結構并不是所有建筑都適合的，通常情況下平面較為規(guī)則的建筑則宜采用鋼結構，其他一些較為復雜的軸線、扭轉較大的住宅平面則不適宜采用鋼結構。而在進行鋼結構設計時還需要充分的考慮到建筑的負荷量，控制好水平位移，因此在設計時需要對抗側力結構進行充分的考慮，如把樓梯間、電梯間墻體、單元分戶墻、廚房和衛(wèi)生間的墻體等設計成抗側力結構。

3.2 對變形的設計考慮

抗側力結構可以是鋼結構，也可以是鋼筋混凝土結構。當采用鋼桁架作為抗側力結構組成純鋼結構時，要按照以下規(guī)定進行：在風的作用下，層間位移1/400，頂點位移1/500；在地震的作用下，層間位移1/250，頂點位移1/300。因此，采用鋼桁架作抗側力結構就會增加用鋼的數(shù)量，增加了工程造價。如果根據(jù)鋼結構的限值1/300來控制整個結構的穩(wěn)定的話，在地震的情況下，鋼筋混凝土剪力墻就會出現(xiàn)損害，這樣的設計考慮還是缺乏規(guī)范。若按鋼筋混凝土剪力墻限值有1/800的控制力度時，鋼梁、鋼柱截面會因地震力加大而不斷增加。

3.3 柱網(wǎng)的確定以及柱斷面型式的選擇

柱網(wǎng)的確定主要根據(jù)平面的分割情況、結合梁的位置和截面高度、以及鋼梁的隱蔽方法來決定。通過外墻處的柱距可以確定柱網(wǎng)，處理好沿外墻鋼梁和外墻窗上皮的高度關系，柱網(wǎng)就能基本確定。鋼柱的截面型式分為三種：圓管柱、方管（箱形）柱和H型鋼柱。其中，管柱內(nèi)灌注混凝土，制作成鋼管混凝土柱，其比鋼筋混凝土的承載力高出很多，同時還能節(jié)省用鋼。在節(jié)點的構造作法上，方管柱結構簡單科學。但是，管柱在與鋼梁連接上下翼緣部位，需要用橫隔板的形成貫通節(jié)點，在一定程度上增加了操作的難度，也增加的工程造價。H型鋼柱，當外包鋼筋混凝土時形成鋼骨混凝土柱。H型鋼柱的加工和使用都比較簡單，只是需要較多的鋼材。

4 鋼結構設計中應該注意哪些問題

4.1 鋼結構的選型和布置

進行高層建筑鋼結構設計時需要充分的考慮建筑條件、荷載能力、使用功能、制作安裝和材料使用等因素的影響，而且在確保結構體系具有良好的抗震性和防火性。同時在使用鋼結構進行布置時還需要根據(jù)鋼結構的使用情況及性質(zhì)來進行綜合的考慮，要在唯鋼結構的剛度的情況，使其受力均勻，減少建筑的扭轉效應，同時確保各層的抗側力強度，確保建筑的使用功能得以滿足。

4.2 構件的選擇

在鋼結構設計中，設計人員要注意正確選用質(zhì)量合格的鋼材、連接材料和焊接材料。鋼結構所用的鋼材應該具有抗拉強度、延展強度、伸長度、冷縮度和硫、碳等物質(zhì)含量的合格證明。在地震頻發(fā)區(qū)，鋼材除以上要求以外，還要求它們具有合格的沖擊韌性強度。焊接材料的質(zhì)量直接影響整個鋼結構的安全，所以應該要根據(jù)鋼結構的受力性能和焊縫的受力情況，確定焊接材料的等級。

4.3 鋼結構建筑的抗震設計

鋼結構建筑的抗震設計中，應該要根據(jù)設防強度、結構類型和房屋高度，采用不同的抗震結構。首先，鋼結構的剛柔度的選擇應該結合跟那個結構的具體高度、體系和場地條件驚醒綜合性判斷，使鋼結構同時滿足變形和強度的要求。受彎鋼構件的板件局部穩(wěn)定要通過限制構件的寬厚比較，達到受彎的極限能力，然后利用其受彎的極限能力達到構件的承載能力。其次，高層鋼結構因該采用全鋼框架，當結構的剛度不足時，可采用中心支撐框架、鋼框筒等結構形式。最后，設計人員要加強各構件之間的連接，保證結構的整體性，抗震支承系統(tǒng)應保證地震時鋼結構的穩(wěn)定。

4.4 鋼結構建筑的抗火設計

在利用鋼結構進行設計時，需要對其抗火設計進行重視。盡管鋼材是非燃燒材，但由于鋼材具有較好的導熱性，而且在高溫下膨脹系數(shù)的增長會導致鋼材強度喪失，從而使其在火災中極其脆弱，所以需要對其抗火設計進行加強。

5 結束語

在高層建筑施工中，鋼結構設計是整體工程中極其重要的部分，由于其具有其他結構所無法比擬的優(yōu)點，所以在當前建筑行業(yè)中得到廣泛的應用。而且隨著設計水平的不斷提升，高層建筑鋼結構所存在的問題也將逐漸解決，這就有效的推動建筑行業(yè)的調(diào)整發(fā)展，使國民經(jīng)濟得以快速的增長。

【參考文獻】

[1]葛家琪，張愛林，楊維國，張國軍，王樹，張玲.基于性能的大跨度鋼結構設計研究[J].建筑結構學報，2011-12-05.

[2]劉任峰.鋼結構房屋結構設計中常見問題分析[J].中國建筑金屬結構，2013-10-23.

[3]高志嶺.現(xiàn)代鋼結構建筑的設計分析[J].中國建筑金屬結構，2013-10-23.

[責任編輯：劉帥]