建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的要求及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高峰

（山西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西太原 030009）

0 引言

建筑建設(shè)當(dāng)中鋼結(jié)構(gòu)是一種將鋼材作為基礎(chǔ)骨架結(jié)構(gòu)，并由熱軋鋼和鋼板組成。與原先的磚混結(jié)構(gòu)相比較，其強(qiáng)度和韌性都非常大，尤其是其施工難度較低，因此被廣泛應(yīng)用在工業(yè)廠房、橋梁建設(shè)以及民用建筑當(dāng)中?，F(xiàn)階段，城市高層建筑數(shù)量驟增，雖然能夠有效緩解城市住房用地緊張的問題，但因?yàn)榻ㄖ旧兄剌^大，所以就給其基礎(chǔ)承載能力提出一定要求。如果將鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用其中，就能夠降低基礎(chǔ)承載要求，提高施工效率，同時(shí)降低成本造價(jià)。對此，重點(diǎn)對其設(shè)計(jì)要求和要點(diǎn)進(jìn)行分析，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用概述

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）逐漸實(shí)現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)用。因?yàn)檫@是一種新型的建筑技術(shù)，是在鋼材質(zhì)量及建設(shè)工藝都達(dá)到一定高度之后才可以開展的，所以最近幾年才開始大規(guī)模流行。在其問世之后便獲得廣泛好評，逐步成為整個(gè)建筑領(lǐng)域最常使用的建筑結(jié)構(gòu)。

（2）相應(yīng)的建設(shè)技術(shù)還存在一定問題，但整體在積極改進(jìn)?，F(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)的建筑整體比例雖然在不斷增長，但是最近幾年的增長速率比較緩慢，這是因?yàn)檫@類結(jié)構(gòu)其建設(shè)技術(shù)本身存在一些問題，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)性價(jià)比降低。對此當(dāng)前相關(guān)的要求工作推進(jìn)十分迅速，給后續(xù)高質(zhì)量的應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

（3）創(chuàng)新意識較為缺乏。在一些企業(yè)當(dāng)中為了降低成本投入，在設(shè)計(jì)的過程中往往無法做到因地制宜，基本都是通過生拉硬套的模式將其鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用在建筑建設(shè)當(dāng)中，進(jìn)而使得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)千篇一律，缺乏創(chuàng)新。更為嚴(yán)重的是，由于各地地理環(huán)境有所差異，如果鋼結(jié)構(gòu)出錯(cuò)就可能會引起應(yīng)力集中問題，使得其受力變形，進(jìn)而產(chǎn)生承重能力下降的問題。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

一方面，整體建設(shè)速度比較快，且整體承受能力強(qiáng)。這類結(jié)構(gòu)混凝土的應(yīng)用量比較少，不需要進(jìn)行漫長等待凝結(jié)就能夠持續(xù)施工。另外鋼材是其結(jié)構(gòu)的主要原料，然后使用鉚釘?shù)确绞竭M(jìn)行合理連接，因此整體建設(shè)速度也比較快。由于鋼材本身重量較低，抵抗拉、壓、扭等應(yīng)力的能力比較強(qiáng)[1]。另一方面，整體質(zhì)量較強(qiáng)，便于拆卸。在項(xiàng)目建設(shè)過程中，鋼結(jié)構(gòu)通常都是通過拼接多個(gè)鋼材完成項(xiàng)目施工任務(wù)的，因此便能夠?qū)崿F(xiàn)有效拆卸，并達(dá)到反復(fù)使用的目的，提高應(yīng)用率。

2 設(shè)計(jì)要求

2.1 選擇鋼材的要求

在設(shè)計(jì)過程中鋼材選擇往往具有一定難度，這是因?yàn)樽罱鼛啄晡覈撹F工業(yè)發(fā)展迅速，鋼材種類變多，要從中選出最適合的材料是極為困難的；同時(shí)當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)的建筑種類日漸增多，各類建筑對其結(jié)構(gòu)的變形度、強(qiáng)度和疲勞應(yīng)力的要求都不盡相同，所以這就給鋼材選擇提出一定要求。

2.2 判斷鋼結(jié)構(gòu)適用性的要求

這類結(jié)構(gòu)一般主要被應(yīng)用在跨度和荷載較大且體型極為復(fù)雜的高層建筑當(dāng)中，通常會要求其要能夠承受較高溫度和振動幅度，并且還要便于拆卸，所以實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行深入分析，確保設(shè)計(jì)出來的內(nèi)容可以完全滿足要求。

2.3 受力體系及細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求

在確定好設(shè)計(jì)方案后需要重點(diǎn)對其受力體系和細(xì)部節(jié)點(diǎn)實(shí)施詳細(xì)計(jì)算和完善。對于其受力體系設(shè)計(jì)來說，當(dāng)前基本都是使用桿系結(jié)構(gòu)，這就要求鋼材強(qiáng)度必須大，且保持較小的截面尺寸[2]。細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)往往比較復(fù)雜，因此必須對其實(shí)施嚴(yán)格控制。

2.4 保溫隔熱和防火設(shè)計(jì)要求

鋼結(jié)構(gòu)其整體導(dǎo)熱性都比較優(yōu)良，當(dāng)其處在不同溫度環(huán)境下，塑性和抗拉強(qiáng)度都會產(chǎn)生一定變化，一般分為四個(gè)基本層次：①受熱溫度超過100℃；②受熱溫度在100～250℃；③受熱溫度在250～500℃；④受熱溫度超過500℃。在這四項(xiàng)溫度區(qū)間當(dāng)中其塑性和抗拉強(qiáng)度都會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此會給整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)帶來不同的影響。常見的防火方式包含設(shè)置防火門、防火墻、自動噴淋裝置、防火帶以及獨(dú)立水幕等等。

2.5 伸縮縫設(shè)計(jì)要求

溫度通常會使得鋼結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)生形變，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)當(dāng)中出現(xiàn)溫度應(yīng)力，所以這就必須設(shè)置專門的溫度伸縮縫。常見的主要有兩種：①橫向溫度縫；②縱向溫度縫。在選擇的時(shí)候需要依照建筑的實(shí)際情況確定[3]。

2.6 防腐設(shè)計(jì)要求

當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中使用的鋼材其主要組成部分包含氧化鐵、鐵、三氧化二鐵、四氧化二鐵和其他化合物，在這之中有些物質(zhì)當(dāng)暴露在空氣中之后就會通過氧化還原產(chǎn)生質(zhì)變。因此如果空氣之中包含有腐蝕性介質(zhì)或者整個(gè)鋼構(gòu)件完全處在潮濕的環(huán)境之下且沒有對齊采取有效的防護(hù)措施，就會加劇銹蝕，甚至影響整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的性能。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

某一工程為高層鋼結(jié)構(gòu)的住宅樓，地下1 層，地上14 層，高度為45m。負(fù)一層是地下停車場，層高為4.5m；第一層為商鋪，層高為3.8m；頂層是電梯機(jī)房。整體使用鋼框架混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。

3.1 平面布置和地下室基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

對于該工程來說，其鋼結(jié)構(gòu)整體平面布置較為規(guī)整，核心筒完全處在中間，最大限度保證了充分的剛度。為了使首層核心筒抗剪承載力達(dá)到既定要求，降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的作用，在首層上部斜桿支撐位置專門設(shè)置一道剪力墻，厚度大約在25cm。地下室以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)都根據(jù)整個(gè)工程的基本特點(diǎn)開展，因?yàn)槠漤?xiàng)目本身的地質(zhì)條件極為優(yōu)越，因此淺基礎(chǔ)持力層大約在室內(nèi)地面以下2m 的地方，深基礎(chǔ)土層埋深大約是室內(nèi)地面以下8m。

3.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

（1）樓面體系。對于該類結(jié)構(gòu)樓板來說，通?？梢灾苯邮褂脙煞N樓蓋，分別為壓型鋼板組合樓蓋以及普通鋼筋混凝土樓蓋。在本工程當(dāng)中直接使用10cm 和12cm 厚的鋼筋混凝土，樓板使用鋼梁以及抗剪栓釘進(jìn)行連接，組成樓蓋。給地下室直接使用鋼筋混凝土樓板，大約為18cm 厚，框架梁使用鋼骨同梁；次梁使用鋼筋混凝土梁，屋面梁則是使用軋制H 型鋼。

（2）鋼管混凝土框架柱。由于本工程直接使用的鋼框架混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，這就需要對鋼管混凝土柱進(jìn)行有效選擇，它會給外圍鋼管帶來良好的約束效果，并促使混凝土完全處在受壓狀態(tài)下。這樣不但可以有效增強(qiáng)混凝土本身的抗壓效果，還使其破壞特性具有良好塑性?；炷猎谶@之中有效展現(xiàn)鋼材的強(qiáng)度，對于外圍鋼管局部屈曲產(chǎn)生一定限制。

圖1 鋼管混凝土框架現(xiàn)場施工

（3）鋼骨混凝土剪力墻。在本次工程當(dāng)中，每幢1～4 層的鋼筋混凝土樓面鋼梁和核心筒交接位置、核心筒四角必須設(shè)置混凝土柱。在構(gòu)造要求下，其他樓層其鋼梁和核心筒的交接位置則應(yīng)當(dāng)設(shè)置混凝土柱。

3.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

（1）柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。直接給其鋼管混凝土柱使用外包式柱腳，并保證外包鋼筋混凝土的高度和地下室的高度完全保持一致。在抗剪栓釘?shù)淖饔孟掳严鄳?yīng)的鋼管柱軸壓力傳遞給外包鋼筋混凝土，然后再通過在柱腳底板傳遞給基礎(chǔ)底面。

（2）框架梁及柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。本次工程當(dāng)中受力最大的就是框架梁和柱節(jié)點(diǎn)，所以這就需要直接給其使用帶懸梁段的節(jié)點(diǎn)形式，同時(shí)確保其懸臂梁段的長度是梁高的兩倍[4]。對于沒有支撐次梁的框架梁翼緣則使用對接焊縫進(jìn)行連接，對于框架梁以及柱節(jié)點(diǎn)位置、梁翼緣上下50cm 范圍之中的焊縫都直接使用對接焊縫的形式。

（3）主次梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中直接通過鉸接的形式進(jìn)行連接。主梁與次梁其連接節(jié)點(diǎn)直接使用鋼節(jié)點(diǎn)連接，主梁主次梁翼緣通過對接焊縫連接，同時(shí)給次梁上翼緣添加蓋板，從而實(shí)現(xiàn)對拉應(yīng)力的有效傳遞。

4 設(shè)計(jì)問題防范及有效處理

4.1 扭轉(zhuǎn)問題

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中必須要確保建筑三心完全匯集在一點(diǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的扭轉(zhuǎn)問題通常就是三心在設(shè)計(jì)時(shí)并未實(shí)現(xiàn)有效統(tǒng)一，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在水平荷載的影響下而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動的情況。

4.2 受力性能

在對這類結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員最先應(yīng)該考慮的就是其受力性能，并非是直接盲目去確定具體結(jié)構(gòu)。沉降縫兩邊單元層數(shù)不一致的時(shí)候，受高層的影響，低層往往會產(chǎn)生較大的傾斜度，所以在設(shè)計(jì)的過程中其沉降縫的寬度就可以通過單元縫寬的具體要求確定。

5 結(jié)語

總的來說，鋼結(jié)構(gòu)在我們國家的使用日漸增多，不僅有效減少資源損失和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，還有效滿足大眾需求。在城市化建設(shè)逐步推進(jìn)之下，高層建筑日漸增多，再加上鋼結(jié)構(gòu)本身跨度大、造價(jià)低、性能優(yōu)良，因此應(yīng)用日漸增多。為了最大限度保證應(yīng)用安全性，就需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)要求和要點(diǎn)的分析，注重鋼材的合理選擇、防火防腐設(shè)計(jì)、細(xì)部設(shè)計(jì)等，以此最大限度保證工程的長期應(yīng)用安全。