高層鋼結(jié)構(gòu)建筑工程設(shè)計(jì)探析

駱瑤

中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司 湖北武漢 430000

鋼結(jié)構(gòu)在大型體育場(chǎng)館和工業(yè)建筑中應(yīng)用廣泛，并在超高層建筑工程中顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合國(guó)家建筑產(chǎn)業(yè)政策和建筑工業(yè)化規(guī)劃，以及先進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念、配套產(chǎn)品的研發(fā)和改進(jìn)，高層鋼結(jié)構(gòu)房屋以其諸多優(yōu)良的性能，成為建筑工業(yè)化發(fā)展的主力。本文針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的重要性和現(xiàn)狀進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及技術(shù)要點(diǎn)展開研究。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用及突出問題

1.1 建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用

建筑鋼結(jié)構(gòu)指的是在鋼板和熱軋型鋼材共同施工的情況下構(gòu)成的以鋼為基礎(chǔ)的骨架結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)相比，建筑鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性比較強(qiáng)，內(nèi)部組織比較嚴(yán)密、均勻。建筑鋼結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)勢(shì)，但其建造難度相對(duì)較高，適用于橋梁建設(shè)、工業(yè)廠房和民用建筑中[1]。如世界聞名的法國(guó)埃菲爾鐵塔屬于鋼結(jié)構(gòu)建筑工程，塔身是鋼架鏤空結(jié)構(gòu)，由4條帶混凝土水泥臺(tái)基的鐵柱支撐塔身，鐵柱由水平橫梁連接而成，4個(gè)角使用鋼筋水泥材料，而全身使用鋼鐵材料。因此，在現(xiàn)代化建筑工程建設(shè)中，施工企業(yè)應(yīng)注重鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工程的節(jié)能性，實(shí)現(xiàn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。

1.2 突出問題

在社會(huì)的快速發(fā)展中，鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，但其在長(zhǎng)期的使用過程中也暴露出很多問題。①防火問題。鋼材的耐火性相對(duì)較差，設(shè)計(jì)人員需要做好防火處理工作，提升連接部分的安全性[2]。②人員綜合素質(zhì)問題。建筑工程中的設(shè)計(jì)人員、施工人員的綜合素質(zhì)直接影響著工程建設(shè)的質(zhì)量，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)范的情況下，會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性較差等問題，為后期施工帶來很多安全隱患。

2 高層鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 深化裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

建筑物的功能是否實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)出來的建筑是否具備一定的經(jīng)濟(jì)可行性、是否符合當(dāng)代人們的審美要求，這是現(xiàn)階段裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工需要著重考慮的重要問題。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工的設(shè)計(jì)過程中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程上下部的整合，設(shè)計(jì)更加合理的預(yù)制構(gòu)件。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工在外墻及立面的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，建筑物要實(shí)現(xiàn)多樣化的設(shè)計(jì)，提升建筑物整體的美觀性，在具體的應(yīng)用中，要使裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工滿足接縫處防火、防水的要求，進(jìn)行保溫隔噪處理。

2.2 樓蓋體系設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)房屋一般采用鋼梁+組合樓板的樓蓋體系，即在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板，壓型鋼板與鋼梁之間用栓釘可靠連接，栓釘傳遞樓層剪力并確保樓板和鋼梁協(xié)同工作。壓型鋼板上澆筑厚60～90mm的鋼筋混凝土，形成壓型鋼板組合樓板。壓型鋼板在施工時(shí)作為模板，施工后與混凝土樓板形成整體并參與受力，可降低樓板用鋼量[3]。如果考慮鋼梁和樓板的組合作用，即按組合梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，能提高鋼梁穩(wěn)定承載力的同時(shí)，還能顯著降低鋼梁的截面用鋼量。此外，鋼結(jié)構(gòu)樓蓋體系設(shè)計(jì)時(shí)，通過調(diào)整主次鋼梁連接、樓板與鋼梁的連接等構(gòu)造方法，能有效降低樓層結(jié)構(gòu)高度，增加樓層凈高或減少層高，可獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 極限狀態(tài)法的核心原理

極限狀態(tài)法能夠有效彌補(bǔ)塑性設(shè)計(jì)法和容許應(yīng)力法的不足。極限狀態(tài)法的核心原理是使用荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗力取代單一安全系數(shù)。當(dāng)下，極限狀態(tài)法的應(yīng)用效果更為突出。由于受到荷載的影響，整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)往往會(huì)呈現(xiàn)出如下兩種極限狀態(tài)：①正常使用極限狀態(tài)；②承載能力極限狀態(tài)。其中，承載能力極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固性，主要指因構(gòu)件塑性形變與脆性裂變?cè)斐傻慕Y(jié)構(gòu)損壞。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)

鋼主要是由非燃燒材料制成，在高溫下熱膨脹系數(shù)會(huì)不斷增加，因而鋼的熱導(dǎo)率和電阻比較強(qiáng)，會(huì)引發(fā)火災(zāi)蔓延現(xiàn)象，部分鋼在600℃的高溫中會(huì)失去自身的強(qiáng)度，且在火災(zāi)中會(huì)很脆弱，在高層建筑中還會(huì)引發(fā)火災(zāi)，不易控制。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該做好高層建筑耐火鋼的設(shè)計(jì)工作?，F(xiàn)階段，我國(guó)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)相對(duì)落后，整體抗火設(shè)計(jì)應(yīng)在組件級(jí)別和建筑防火設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上確定。

2.5 優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)

全面了解鋼結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)定關(guān)系，可以進(jìn)一步優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。為此，設(shè)計(jì)人員要加大對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重視。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需遵循簡(jiǎn)潔化、規(guī)整化與標(biāo)準(zhǔn)化的基本原則。在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接處理時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行操作。確保屋架和屋面板、屋架和柱體、柱體和基礎(chǔ)的連接穩(wěn)固性，完善整體鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。需要格外強(qiáng)調(diào)的是，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能與配置位置和支撐形式存在緊密聯(lián)系[4]。為此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需全面考慮相關(guān)因素，盡可能的減小這些因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，還要著重注意小規(guī)格的零構(gòu)件，以鉚釘為例，鉚釘?shù)倪B接性能在很大程度上決定了整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。為此，相關(guān)人員要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇對(duì)應(yīng)規(guī)格和材質(zhì)的鉚釘。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用中暴露的突出問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，分析了裝配式、樓蓋體系及極限狀態(tài)方法在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用技術(shù)，并對(duì)抗火、抗震設(shè)計(jì)中的技術(shù)要點(diǎn)展開探討。綜上所述，高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的發(fā)展符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，通過精心的計(jì)算、合理的設(shè)計(jì)，必將創(chuàng)造出越來越多的輕鋼房屋建筑精品。