高層住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析

摘 要：鋼材作為一種獨特的建筑材料，在我國各類建筑中的應(yīng)用日益廣泛，由鋼材形成的構(gòu)件進而到結(jié)構(gòu)，其具有強度高、自重輕、抗震性能好、構(gòu)件截面小、建筑空間大而靈活、施工工期短、可實現(xiàn)裝配化及綠色環(huán)保等優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用在高層住宅建筑中。本文著重從建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計、節(jié)點設(shè)計、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計等方面針對高層住宅建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進行了深入地分析與研究，旨在為類似的工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵字：高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；構(gòu)件設(shè)計；節(jié)點設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)形式中，鋼結(jié)構(gòu)由于具有重量輕、穩(wěn)定堅固、安裝方便、節(jié)省施工時間等方面的優(yōu)點，因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，我們應(yīng)結(jié)合項目實際情況，合理選擇建筑結(jié)構(gòu)形式。同時，要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的受力形式、結(jié)構(gòu)尺寸和防火要求選擇鋼結(jié)構(gòu)材料。除此之外，建筑鋼結(jié)構(gòu)施工通常采用現(xiàn)場拼裝方式，因此要確保鋼結(jié)構(gòu)在起吊時擁有足夠的剛度，以確保建筑結(jié)構(gòu)的堅固性和穩(wěn)定性。

一、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的原則

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個突出問題。在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，都會遇到穩(wěn)定性問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應(yīng)有的損失。

根據(jù)穩(wěn)定性問題在實際設(shè)計中的特點提出了以下三項原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計中構(gòu)件不會喪失穩(wěn)定性。

（一）結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定性計算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停車場的屋蓋結(jié)構(gòu)塌落，1985年土耳其某體育場看臺屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設(shè)置適當?shù)奈膿味斐沙銎矫媸Х€(wěn)。

（二）結(jié)構(gòu)計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計算十分重要。目前設(shè)計單層和多層框架結(jié)構(gòu)時，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定性分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定性計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩(wěn)定性時用到的柱計算長度系數(shù)，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定性分析得出，才能使柱穩(wěn)定性計算等效于框架穩(wěn)定性計算。然而，實際框架多種多樣，而設(shè)計中為了簡化計算工作，需要設(shè)定一些典型條件。

（三）設(shè)計結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定性計算必須相互配合，使二者有一致性。結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造設(shè)計相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計者處理構(gòu)造細部時經(jīng)常考慮到的。但是，當涉及穩(wěn)定性性能時，構(gòu)造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。然而在處理梁整體穩(wěn)定性時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定性分析所采取的邊界條件。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。

（二）結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該被強調(diào)的是“概念設(shè)計”，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要，對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設(shè)計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部措施。運用概念設(shè)計可以在早期迅速、有效地進行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運算。

建筑鋼結(jié)構(gòu)平面布置是否合理將直接影響到項目的投資成本，為了控制項目的投資成本，需要對建筑結(jié)構(gòu)平面設(shè)計進行優(yōu)化，具體措施有：使建筑平面柱網(wǎng)相互對齊；控制柱距尺寸，盡量能夠接近；核心筒布置要居中，結(jié)構(gòu)傳力要簡潔；建筑核心筒的高寬比和鋼筋配置要控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

（三）構(gòu)件設(shè)計。構(gòu)件的設(shè)計首先是材料的選擇。通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理，經(jīng)濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。構(gòu)件設(shè)計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面，這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配。當前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級，并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。

（四） 節(jié)點設(shè)計。連接節(jié)點的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對節(jié)點的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計的節(jié)點與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免。按傳力特性不同，節(jié)點分剛接，鉸接和半剛接。

（五）鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定性設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定，在設(shè)計各種類型的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，會因為鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，在施工中造成安全事故更為常見。為了減少事故的發(fā)生，提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性，保證施工項目的安全和質(zhì)量，我們要積極的對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行了詳細的研究。

鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，和強度較小的剛度都會在一定程度上對鋼結(jié)構(gòu)造成破壞，但穩(wěn)定性和強度是不一樣的。穩(wěn)定性是變形，材料的組成部分由內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抵抗力和外部荷載不穩(wěn)定，關(guān)鍵是要找出不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，防止變形的快速增長而導(dǎo)致破壞。

（六）圖紙編制。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計出圖分設(shè)計圖和施工詳圖兩階段，設(shè)計圖為設(shè)計單位提供，施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)設(shè)計圖編制，有時也會由設(shè)計單位代為編制。由于近年鋼結(jié)構(gòu)項目增多和設(shè)計院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾，有設(shè)計能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參與設(shè)計圖編制的情況也很普遍。

設(shè)計圖及施工詳圖的內(nèi)容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設(shè)計單位之間及其與鋼結(jié)構(gòu)公司之間不盡相同。初學(xué)者可參考他人的優(yōu)秀設(shè)計并參考相關(guān)的工具書，并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。

三、結(jié)論

綜上所述，通過針對本項目住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析，作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，應(yīng)不斷總結(jié)多高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗，反復(fù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)平、立面布置，認真細致地做好構(gòu)件設(shè)計和節(jié)點設(shè)計，只有這樣才能提升建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計水平及保證工程的質(zhì)量。

參考文獻：

[1] 《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99—2012）.

[2]《高層建筑鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS 230-2008）.

[3] 徐培福. 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.