淺談建筑鋼結構設計中面臨的問題及改進對策

趙 虹

（濟鋼集團國際工程技術有限公司，山東 濟南 250101）

由于在工程建設當中，鋼結構本身所具備的強度高、塑性韌性好、制作簡便、施工工期短、工業化生產程度高等特性，在歐美等國家得到了迅猛的發展，并且也取得了一定的成就。改革開放以來，中國的鋼產量發展速度猛增，成為世界上的產鋼大國，與之相適應，鋼結構也得到了迅猛發展，鋼結構在中國的工程建設中日益得到重視。同時，建筑鋼結構在設計方面所存在的問題，也受到了越來越多業內人士的關注。

1 建筑鋼結構工程設計的主要原則

1.1 經濟性

進行建筑鋼結構設計為的是服務鋼結構的施工與正常的使用，其目的在于創造效益。所以，在鋼結構設計中，在結構安全可靠的前提下，“鋼結構經濟性”就是一大重點。

在進行鋼結構設計之時，需要全面的考察與分析鋼結構體系的經濟性，只有達到最佳化的綜合效益，其鋼結構體系方案才算合理。對于鋼結構體系合理性的評價，不僅需要從耗鋼量的指標入手，還需要對工期的長短以及總體造價進行全面的分析，當然，也包含了早日投入到使用當中所取得的效益。所以，在鋼結構設計當中，除了對建筑材料供應情況進行考察之外，還需要對當地的制造與安裝水平等方面做好系統的分析，并且與業主之間的交流也是不容忽視的一大環節。

1.2 剛柔并濟

在建筑結構體系當中，根據實際情況來看，其合理性離不開剛柔并濟。所以，一旦鋼結構過于剛而缺少變形能力，在遭受強大的破壞力時，就很容易導致局部出現受損，最終影響到整體結構；如果鋼結構過柔，雖然可以消減外力的作用，但是很容易出現過大的變形，最終導致建筑結構整體傾塌。一直以來，剛柔的程度都是專家討論的重點環節，但是如今也僅僅對控制指標給出了規范限值，并未制定出精確的標準，這就需要設計人員針對具體工程項目以及工作經驗確定出最佳化的鋼結構設計方案。

2 建筑鋼結構設計中面臨的問題

2.1 設計深度不夠

部分設計單位在進行鋼結構設計中，結構方案設計不夠合理，設計過于保守，用鋼量過大，造價過高。存在節點設計構造不合理、制造不方便等設計缺陷，給施工帶來了極大的困難，這些都是我們目前亟待解決的設計理念、設計水平、設計質量、設計人員素質等問題。

一些設計人員不考慮設計的科學性和合理性，盲目增加設計標準和安全等級。正是這種不科學的畏懼心理造成了鋼結構構件過大、投資資金大量增加，使得工程投資加大并進一步提高了設計費，設計院得到實惠卻不承擔任何因工程浪費而造成的法律責任，可見這種設計體制已經不再適應市場經濟。

2.2 防火、防腐蝕問題

鋼材具有耐熱不耐火的特點，一旦溫度高于400℃，鋼材的屈服強度只有室溫下強度的一半，一旦溫度超過了600℃，鋼材的剛度以及強度就會全部的喪失。因此，對于鋼結構建筑物來說，火災是最大的危害，如果建筑物沒有良好的防火措施，一旦遇到火災，就容易損壞建筑。設計規定鋼材表面溫度超過150℃后即需加以隔熱防護，對有防火要求者，更需按相應規定采取隔熱保護措施。

鋼材容易銹蝕，因此，處于較強腐蝕性介質內的建筑物不宜采用鋼結構。鋼材料如果長時間受到雨水、大風等自然力的影響，也會出現老化生銹的情況，這樣也會降低本身的承載能力，影響其美觀。在鋼結構建筑設計中，做好鋼結構的防腐蝕工作具有重要的經濟和社會意義。為了減輕或防止鋼結構的腐蝕，目前國內外基本采用涂裝方法進行防護，應用最多的是采用防護層的方法防止金屬腐蝕。常用的保護層有：金屬保護層、化學保護層和非金屬保護層。鋼結構在涂裝前應徹底除銹，除銹及涂層厚度均應符合要求。

2.3 物理問題

鋼材具有良好的導熱性，這是一個普遍的知識。想要室內室外的鋼材料都擁有良好的保溫效果，就需要考慮到：建筑物外圍護結構表面吸收熱量，通過建筑圍護結構，將一部分熱量傳遞到室內；通過窗戶，進入到室內，通過室內表面的吸收，從而產生良好的熱效果。另外，鋼板對于聲音也有反射作用。在音樂廳這一類建筑設計中，除了材料的考慮之外，還需要包含強度、吸聲性能、吸濕性能等多個方面。當前，吸聲結構和吸聲材料是音質設計以及噪聲控制當中最為有效的解決方式。

3 建筑鋼結構設計的改進對策

3.1 鋼結構的形式與布置

鋼結構主要有框架、平面桁架、網架、索膜、輕鋼以及塔桅等結構形式，都擁有自身的特點，所以，我們需要根據其特點進行合理的選型。

例如：在輕鋼廠房的建設時，需要大量的移動荷載與懸掛荷載，所以，我們就可以盡量地選擇網架結構，摒棄門式鋼架。也就是說，在面對實際問題時，需要進行針對性分析。對于鋼結構的布置，也需要考慮到其體系特征、性質以及荷載分布情況等，一般要求剛度均勻，力學模型清晰，盡可能限制大荷載或動載的影響范圍，使其以最直接的路線傳力。

3.2 合理的選擇截面

在鋼結構的形式與布置得以確定之后，就需要初步進行構件截面的估算。最主要的是對梁柱截面、支撐斷面尺寸和形狀的假定。

根據支座以及荷載的具體情況，鋼梁截面高度一般選擇在跨度的1/50～1/20之間。為了避免復雜的鋼梁整體穩定性的計算，也可以根據梁間側向支柱的間距按照1/b限值對于翼緣的寬度加以確定。根據長細比值，可以進行柱截面的預估，一般所選取的λ值在50～150之間。根據構件的受力情況，合理的選擇安全、經濟、美觀的構件截面。

3.3 結構分析與構件設計

保證結構和構件的穩定性,是鋼結構設計中必須予以充分注意的問題。梁是結構的主要構件, 在進行梁的設計時,一般要驗算強度和穩定；柱主要受軸線力、壓力，常常是壓彎構件，有些情況是拉彎構件。

歸于構件的設計，首先要進行材料的選擇。一般來說，Q235和Q345是最常用的材料。如果考慮到工程管理，一般都會采用單一鋼種在主結構上，如果考慮到經濟角度，其截面組合就需要考慮到不同強度的鋼材。

例如：在偏向于穩定控制時，可以選擇Q235；在偏向于強度控制時，可以選擇Q345。當前，由于程序技術的飛速發展，一些結構軟件能夠全面的進行整體結構的優化，我們不僅需要對優化后的截面做好調整使其達到合理的截面標準，還需要考慮到計算長度的參數定義，模型的建立等數據。

3.4 節點的設計

如果沒有在結構分析前充分地考慮節點的形式，就容易出現結構分析模型中的節點與設計中的節點形式不完全相同形式。根據結構傳力特點的不同，我們可以將節點分成為剛接、鉸接和半剛接，這是需要我們特別注意的。在節點的選用時，對于節點的連接形式需要準確的進行判斷，以求達到設計的合理與安全。節點設計還應考慮施工人員現場操作與吊裝安裝方便等現場問題。

4 結語

鋼結構與普通鋼筋混凝土結構相比，其勻質、高強、施工速度快、抗震性好和回收率高等優越性，以鋼材制作為主的結構，是主要的建筑結構類型之一。隨著我國城市化進程的快速發展，建筑鋼結構市場前景廣闊。我們需要不斷地提升鋼結構的設計水平，保證設計質量，優先采用合理的鋼結構體系，從而達到結構設計的安全性和工程造價的性價比，完善鋼結構設計的標準與規范，提高鋼結構在建筑領域更廣泛的應用。

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