論高層建筑鋼結構的設計步驟及思路

張　斌

摘要：鋼筋混凝土結構在超高層建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面積比率越來越大，在超高層建筑中采用鋼筋混凝土結構受到質疑；同時高強度鋼材應運而生，在超高層建筑中采用部分鋼結構或全鋼結構的理論研究與設計建造可說是同步前進。

關鍵詞：鋼筋；混凝土；結構

1 判斷結構是否適合用鋼結構

鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。

2 結構選型與結構布置

在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是“概念設計”，它在結構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范未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。

運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。

鋼結構通常有框架、平面(木行)架、網架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。

其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決，或沒有簡單實用的設計方法，比如網殼的穩定等。

結構選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網架。基本雪壓大的地區，屋面曲線應有利于積雪滑落。

結構的布置要根據體系特征，荷載分布情況及性質等綜合考慮。一般的說要剛度均勻。力學模型清晰。盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎。

柱間抗側支撐的分布應均勻。其形心要盡量靠近側向力(風震)的作用線。 否則應考慮結構的扭轉，結構的抗側應有多道防線。比如有支撐框架結構，柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力框架結構的樓層平面次梁的布置，有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也有時會吃不消，此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

3 預估截面

結構布置結束后，需對構件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。

鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩定的復雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規范中局部穩定的構造規定預估。柱截面按長細比預估。 通常50<λ<150，簡單選擇值在100附近。根據軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。除此之外構件截面形式的選擇沒有固定的要求，結構工程師應該根據構件的受力情況，合理的選擇安全經濟美觀的截面。

4 構件設計

構件的設計首先是材料的選擇，比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn)。 通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。經濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。 當強度起控制作用時，可選擇Q345；穩定控制時，宜使用Q235，構件設計中，現行規范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這和結構內力計算的彈性方法并不匹配。

當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構件，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。這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。

5 節點設計

連接節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一。在結構分析前，就應該對節點的形式有充分思考與確定。常常出現的一種情況是，最終設計的節點與結構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，節點分剛接，鉸接和半剛接。 初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。常用的參考書有豐富的推薦的節點做法及計算公式。

連接的不同對結構影響甚大。比如，有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題，但會產生較大轉動， 不符合結構分析中的假定。

具體設計主要包括以下內容:

焊接: 對焊接焊縫的尺寸及形式等，規范有強制規定，應嚴格遵守，焊條的選用應和被連接金屬材質適應。E43對應Q235，E50對應Q345，Q235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43，而不是E50。

焊接設計中不得任意加大焊縫。 焊縫的重心應盡量與被連接構件重心接近。其他詳細內容可查規范關于焊縫構造方面的規定。

栓接: 鉚接形式，在建筑工程中，現已很少采用，通螺栓抗剪性能差， 可在次要結構部位使用，高強螺栓，使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個強度等級。根據受力特點分承壓型和摩擦型。兩者計算方法不同，高強螺栓最小規格M12。 常用M16~M30。 超大規格的螺栓性能不穩定，設計中應慎重使用。

自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。 國外在低層墻板式住宅中，也常用于主結構的連接。

連接板: 可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm。 然后驗算凈截面抗剪等。

梁腹板: 應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。

節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。

節點設計還應考慮制造廠的工藝水平。 比如鋼管連接節點的相貫線的切口需要數控機床等設備才能完成。

6 圖紙編制

設計圖: 是提供制造廠編制施工詳圖的依據。 深度及內容應完整但不冗余，在設計圖中，對于設計依據、荷載資料（包括地震作用）、技術數據、材料選用及材質要求、設計要求（包括制造和安裝、焊縫質量檢驗的等級、涂裝及運輸等）、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節點構造等均應表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現設計的意圖。主要材料應列表表示。

施工詳圖:又稱加工圖或放樣圖等。深度須能滿足車間直接制造加工。不完全相同的另構件單元須單獨繪制表達，并應附有詳盡的材料表，設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設計單位之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。