談談建筑鋼結構設計

賽福鼎·乃吉木

（新疆有色冶金設計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 判斷結構是否適合用鋼結構

對建筑工程施工時，首先要判斷此建筑是否可以進行鋼結構建設。以免進行施工準備或施工已經進行后還要重新進行設計施工，浪費大量的時間、人力和資金。建筑的鋼結構建設通常適用于機械化程度高、建筑高度大、使用空間嚴酷（高溫、封閉、震動）的建筑項目。

2 結構形式與結構布置

鋼結構的設計過程主打“概念設計”牌，概念設計在鋼結構的整個過程中都是異常重要的。它確定了整個建筑形態的方向，透過把握全局來進行項目靈感體驗。通過力學關系的對比、鋼材結構的優缺點整合和細節上的實際考量來達到鋼結構前期設計的方案比較和甄選。目前，已經有一些針對計算數據正常與否的軟件投入到工程的設計中，給設計提供了很大的幫助，避免人工手算失誤的發生，還能解決結構分析階段繁瑣的數據計算。

建筑鋼結構通常分為框架、平面(桁)架、網架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等幾種結構。在對項目進行鋼結構的選型確定時，一定要根據各項目特點的不同，分析實際情況進行設計。遇到有較大負重的荷載時要放棄門式鋼架而采用鋼結構網架形態。我國有雪地區，應把雪壓也計算在工程結構設計中。屋頂要符合重力墜落曲線標準。大跨度的建筑要對覆蓋屋頂構建進行拉索或索膜結構的建立。如果項目的經濟允許，可對鋼結構框架布置支撐結構，遠期的經濟性要比簡單的鋼結構節點框架好的多。采用鋼筋混凝土結構外加巨型SRC柱的組合來應對地震帶的建筑項目，盡量避免圖一時資金投入少而采用核心筒外加框形式。

鋼結構的設計應使結構受力路線清晰且可以以最接近直線的路線將受力傳給地基支撐。鋼結構在布置上要遵循結構剛度勻稱，力學分布平穩，最大限度減少荷載的影響。鋼結構抗力的支撐住間距要適中，且設置多道防線以背意外發生，核心撐柱的受力應至少占總受力的20%。

3 截面的選擇

在對建筑項目進行完鋼結構的形式確定后，就要開始著手下一步驟，鋼結構截面的初步估算，截面的選擇主要是針對鋼結構構件的撐柱和撐面進行工程施工前的尺寸設定和形狀假設。

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，可回避鋼梁整體穩定的復雜計算。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<180，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。

鋼結構構件在外形選擇上沒有固定的規范，一切遵循保質前提下靈感概念的迸發。

4 結構分析

目前鋼結構實際設計中，結構分析通常為線彈性分析，條件允許時考慮P-Δ，p-δ。有些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能，這為更精確的分析結構提供了條件。

典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形，簡單結構通過手算進行分析，復雜結構才需要建模運行程序并做詳細的結構分析。

5 構件設計

構建設計也要考慮材料的合理性，取材上一般選擇Q235和Q345兩種。由于對工程管理便捷的追求，剛結構設計主體時常把材料限定在一種材質上，但是如果出于經濟情況上的考量，也有很多施工單位將不同材質鋼構件強強組合的用于施工，強度上的要求以Q345為主，穩定性的要求上以Q235為主。

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,一些軟件可以對整個結構進行截面優化，我們僅做的就是對優化后的截面稍加調整并進行程序自動驗算，直至合理，如PKPM中的STS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。但要注意，利用結構軟件設計一定要注意模型的建立和參數定義，尤其是柱及梁的平面內、外計算長度。

6 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。應該注意的問題是最終的設計節點經常與結構模型中使用的形式不完全一致。按傳力特性不同，節點有剛接、鉸接和半剛接，有些人往往會會忽略掉后者，所以在選用節點時一定要正確判定節點的連接形式，從而做到設計的安全性、合理性。

連接節點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法，初學者可偏安全選用前者，我們可以比較方便的查閱相關設計手冊中焊縫及螺栓連接數據。當然也可以使用結構軟件的后處理部分來自動完成。

對于焊接節點，對焊縫的尺寸及形式規范有強制規定，應嚴格遵守。如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。

對于栓接節點，普通螺栓抗剪性能差，可在次要結構部位使用。高強螺栓的使用日益廣泛，常用8.8和10.9兩個強度等級，根據受力特點分承壓型和摩擦型，兩者計算方法不同，規格常用M16~M30，超大規格的螺栓性能不穩定，設計中應慎重使用。

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性能，承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。

還要注意構件的現場安裝可能性的問題，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。

7 圖紙編制

圖紙的繪制，是鋼結構施工的基本開始，有了精準的圖紙再按圖索驥，建設施工就很容易了。建筑的鋼結構圖紙由設計圖和施工圖兩部分組成。先由專業設計單位進行結構設計再由鋼結構的專業制造單位進行施工詳圖的繪制。但是近年來，由于專業鋼結構工程師的供不應求和鋼結構建設的與日俱增，很多鋼結構制造單位也開始參與鋼結構設計圖紙的繪制。這已經是一個很普遍的現象，這里就不多加以贅述了。

[1]謝妍，賈茹.建筑鋼結構設計現狀及存在的問題[J].民營科技，2011（03）.

[2]邵大衛.建筑鋼結構設計思路及其規范[J].建設科技，2010（10）.