建筑鋼結(jié)構(gòu)設計的要點分析

郭可

（太原市建筑設計研究院 山西太原 030002）

由于國內(nèi)鋼材產(chǎn)量的不斷上漲，人們對于建筑造型及規(guī)模不斷的追求，結(jié)合鋼材自身有很多優(yōu)點，比如延展性好、抗震性能強、質(zhì)量輕、強度高以及安裝方便等，建筑鋼結(jié)構(gòu)得到越來越廣泛的使用。盡管鋼結(jié)構(gòu)有很好的自身優(yōu)勢，但想要使鋼結(jié)構(gòu)在保證安全的前提下充分發(fā)揮并合理使用并不容易，對于設計人員來說，就要對其進行優(yōu)化設計，對設計要點進行掌握。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)概述

1.1 建筑鋼結(jié)構(gòu)

建筑鋼結(jié)構(gòu)和其它建筑結(jié)構(gòu)進行比較，其有著自身獨特的優(yōu)勢，鋼結(jié)構(gòu)的強度要高一些，韌性要好一些，成本也要低一些。目前，國內(nèi)建筑設計過程中，鋼結(jié)構(gòu)的占比是每年不斷增漲的，已經(jīng)是建筑物結(jié)構(gòu)形式中最常用的一種。所以，在設計過程中，要對鋼結(jié)構(gòu)進行合理的選用，從穩(wěn)定性、效益性等視角出發(fā)，對鋼結(jié)構(gòu)的設計要點進行關注。

1.2 建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點分類

1.2.1 剛性連接節(jié)點

（1）梁的拼接。通常來說，梁的拼接有兩種：①螺栓連接；②焊接連接，從剛度上來看，前者比后者要小一些，然而前者的制作簡單，質(zhì)量能夠得到保證，在現(xiàn)場拼接時使用這一方式。后者的剛度要大一些，一般在工廠拼接時使用。

（2）梁與柱的連接。一般來說，柱與梁的連接使用的是端板連接。就是連接時利用2個建筑構(gòu)件間的端板來完成，它通常在低層、高層框架結(jié)構(gòu)中使用，其優(yōu)點是質(zhì)量好、抗震，不用在現(xiàn)場焊接。

（3）柱和柱的連接。一般來說，結(jié)合柱截面的變化情況，它有兩種連接：①變截面柱拼接；②等截面柱拼接。通常來說，柱和柱的連接使用第二種方式。

1.2.2 半剛性連接節(jié)點

對于半剛性連接節(jié)點來說，使節(jié)點的承載能力與連接的建筑構(gòu)件的承載能力進行比較，前者要大一些。然而在實際設計過程中，半剛性連接節(jié)點是不進行應用的，這是由于這種方式和建筑構(gòu)造設計之間關系，會使得構(gòu)件的彈性剛度與連接節(jié)點的彈性剛度相比，前者要大一些。

1.2.3 鉸接連接節(jié)點

主梁和次梁的連接。大多是以簡支連接為主，然而倘若建筑要求高一些，可以將剛性連接進行使用，此方式要復雜一些，然而次梁不需要進行翼緣處理，所以，這種連接方式受到設計人員的喜愛。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)設計原則

（1）除疲勞強度計算使用容許應力法，其它的設計計算使用極限狀態(tài)設計法進行，其設計基礎是概率論。

（2）全部的承載結(jié)構(gòu)要結(jié)合兩個狀態(tài)進行設計計算，一個是承載能力極限狀態(tài)，另一個是正常使用極限狀態(tài)。

（3）設計過程中要結(jié)合不同建筑特點，來對安全等級要求進行考慮，同時利用相關系數(shù)，將其在荷載效應計算進行體現(xiàn)。

（4）在結(jié)合承載能力極限狀態(tài)，設計結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接過程中，通常來說，要以適用條件為依托，考慮載荷效應的基本組合。

（5）在正常使用極限狀態(tài)時，要結(jié)合設計要求的不同，將不同的荷載組合進行應用。

（6）疲勞強度驗算過程中，要將容許應力法進行應用。

（7）選擇鋼材時，要結(jié)合結(jié)構(gòu)的受荷載情況、環(huán)境位置以及工藝等。

（8）鋼鐘選擇時，要對一系列指標進行關注，比如抗拉強度、屈服點以及碳含量等。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)設計要點

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的選型

現(xiàn)階段，建筑鋼結(jié)構(gòu)的類型有六類：①塔桅；②桁架；③索膜；④框架；⑤網(wǎng)架網(wǎng)殼；⑥輕鋼。在選擇類型的過程中，要結(jié)合建筑工程的具體施工情況而定。例如，對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)來說，通常建筑物的跨度大、荷載輕時進行使用。對于巨型SRC柱以及鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)來說，主要在建筑物的抗震條件較高時進行應用。鋼結(jié)構(gòu)設計過程中，要掌握當?shù)氐奶鞖馇闆r，倘若在冬季，要結(jié)合雪對建筑物的荷載，使建筑的屋頂載荷和重力墜落曲線與要求相一致。對于跨度大一些的建筑工程，鋼結(jié)構(gòu)設計過程中，要對建筑物的拉索、支撐物的設置進行考慮，使建筑物坍塌得以避免。不僅如此，鋼結(jié)構(gòu)選型過程中，還要對受力路線的清晰性進行結(jié)合，使受力分布均勻得以保證。

2.2 對鋼結(jié)構(gòu)的變形限值進行考慮

通常來說，倘若無抗側(cè)力結(jié)構(gòu)時，使用純鋼結(jié)構(gòu)，必須考慮兩個方面的內(nèi)容：①在地震條件下，要使頂點位移在1/300得以保證，同時層間位移1/1250也要確保；②倘若在風力條件下，要使頂點位移在1/500得以保證，層間位移在1/400得到保證。鋼結(jié)構(gòu)的撓度變形也是重點設計考慮因素，大的變形除了讓人產(chǎn)生不舒適的感覺以外，還會導致鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)從而破壞，因此各類鋼結(jié)構(gòu)形式要嚴格控制好結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的撓度變形。

2.3 選擇結(jié)構(gòu)體系

倘若建筑層數(shù)不足6層的話，可以將框架體系進行選擇，對于建筑層數(shù)高于6層時，可以將框架——混凝土剪力墻支撐體系進行選擇，也可以將框架支撐體系進行應用。一般來說，建筑物的層數(shù)高一些，都會將雙重結(jié)構(gòu)體系進行應用。現(xiàn)階段，框架柱的類型有三種：①鋼骨混凝土柱；②H型鋼柱；③鋼骨混凝土柱以及鋼管混凝土柱，其中第三種是組合型的，但是這種組合柱通常對于規(guī)模不大的多層、高層建筑特別適合，能夠使材料的使用減少，從而使利潤增加。在地震出現(xiàn)時，延展性好一些，地震力就要大一些，相反，地震力就要小一些。因為剪力墻的延展性與鋼支撐進行比較，前者低一些，所以從抗震性來看，鋼支撐結(jié)構(gòu)要好一些。在實際使用時，要結(jié)合建筑特點，對結(jié)構(gòu)體系進行選擇。

2.4 控制鋼結(jié)構(gòu)截面

在鋼結(jié)構(gòu)的類型、體系選擇完成時，要對建筑物的構(gòu)件截面進行估算，主要根據(jù)荷載、軸力、剪力以及彎矩等對建筑物的梁、柱、支撐尺寸等進行估算。按照規(guī)范要求的寬厚比、高厚比、長細比等規(guī)定，結(jié)合工程的實際要求，例如凈高要求，空間要求等合理選擇梁、柱等截面。

2.5 設計鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件

在設計鋼結(jié)構(gòu)的過程中，最關鍵的一個內(nèi)容就是設計構(gòu)件。主要從三個方面入手：①選擇構(gòu)件材料，使得構(gòu)件在撓度、變形滿足規(guī)范要求的條件下，充分發(fā)揮鋼材的強度優(yōu)勢。②構(gòu)件本身的承載力計算，承載力分為構(gòu)件強度計算以及構(gòu)件穩(wěn)定性驗算。對于大跨度的構(gòu)件一定要花大精力去研究構(gòu)件的穩(wěn)定性，確保構(gòu)件在施工和施工過程中不會由于側(cè)向失穩(wěn)或局部板件屈曲造成的設計事故。③對鋼結(jié)構(gòu)的焊接進行控制。鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量嚴重影響到鋼結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量效果，設計說明要明確不同位置的焊縫質(zhì)量要求及焊接工藝要求，使得節(jié)點部位確保與構(gòu)件之間的等強連絡。倘若鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)是特殊的，板材比較厚，同時屈服強度在420MPa以上時，想要使鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量得以控制，就要結(jié)合接頭形式，對焊接參數(shù)、坡口尺寸等進行設置，對接頭焊接試件等進行檢驗、測試。想要使由于焊接熱量過大使得鋼結(jié)構(gòu)變形得以避免，在鋼結(jié)構(gòu)焊接時，可以將CO2氣體保護焊進行應用。在對工型、箱型桿件進行焊接時，可以使用埋弧自動焊，這樣能使工作效率提升，保證焊縫質(zhì)量。

2.6 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計

鋼結(jié)構(gòu)設計中最重要的就是設計其節(jié)點。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點有三類：①剛性連接節(jié)點；②半剛性連接節(jié)點；③鉸接連接節(jié)點。在設計節(jié)點的過程中，主要有四個方面的內(nèi)容：①在焊接過程中，必須使焊縫尺寸、形式與相關標準相符合；②在對焊條進行選擇是，一定要對它和金屬材料的匹配性進行考慮；③一般來說，對于樓層高一些的建筑結(jié)構(gòu)來說，連接傳力螺栓就是高強螺栓，在連接高強螺栓時，要對孔壁的承載力進行全面的驗算；④在施工過程中，要將施工順序進行嚴格遵守。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段，國內(nèi)乃至全世界住宅建筑發(fā)展的趨勢就是鋼結(jié)構(gòu)建筑，這是由于鋼結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)進行比較，有著特殊的優(yōu)勢，比如強度、抗震以及效率等。因此，在實際設計時，要從不同角度，對鋼結(jié)構(gòu)設計要點進行掌握，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量以及穩(wěn)定性得以有效保證。