高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中關(guān)鍵問題分析

摘要：隨著國家經(jīng)濟發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。但是由于我國生產(chǎn)工藝和技術(shù)水還不能適應(yīng)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在工程中盡管還存在著很多問題。由于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計在工程中有著至關(guān)重要的作用，需要認(rèn)真分析其中的關(guān)鍵問題，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重點解決。

關(guān)鍵詞：高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計；關(guān)鍵問題

1 引言

近年來，隨著我國鋼產(chǎn)量的迅猛增長，再加上國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，在建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛，各地相繼建成許多高層，大跨度的鋼結(jié)構(gòu)工程，像幾十層的辦公商務(wù)樓，大型展館、會展中心、體育館、飛機庫、機場候機樓等；同時出現(xiàn)許多新型結(jié)構(gòu)體系，如索- 梁、索-桁架、索穹頂，索-膜結(jié)構(gòu)、開合結(jié)構(gòu)等等。網(wǎng)架和門式剛架為代表的輕鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)模達到每年幾百萬平方米的速度發(fā)展。住宅鋼結(jié)構(gòu)已進入起步階段，鋼結(jié)構(gòu)加工制造企業(yè)也如雨后春筍般涌現(xiàn)[1]。但也應(yīng)該指出，當(dāng)前一些重大項目基本上都由國外設(shè)計，其中不少項目結(jié)構(gòu)方案不夠合理，用鋼量太大，造價驚人，不符合中國國情。面對當(dāng)前大批工程上馬，我們的設(shè)計體制、設(shè)計理念、設(shè)計水平、設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計人員素質(zhì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)，還有許多急待解決的問題[2]。本文結(jié)合一些實際問題，分析了建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)中需要注意的關(guān)鍵問題。

2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題

2.1鋼結(jié)構(gòu)體系的選擇

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)體系一般可分為以下幾種[3]：框架體系，雙重抗側(cè)力體系（鋼框架-支撐體系、鋼框架-混凝土剪力墻體系、鋼框架-混凝土核心筒體系），筒體體系（框-筒體系、桁架筒體系、筒中筒體系、束筒體系）。在實際的工作中，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是概念設(shè)計，應(yīng)該綜合考慮建筑的條件、荷載能力、使用功能、制作安裝、材料使用等影響因素，選擇抗震或抗火性能良好的切實可行的結(jié)構(gòu)體系。總的來說，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系的選擇應(yīng)遵循以下基準(zhǔn)則[4]：

1）應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞路線；

2）宜有多道抗震設(shè)防防線，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效而導(dǎo)致整個體系喪失抗震能力或喪失對重力的承載能力；

3）應(yīng)具備必要的承載能力，良好的變形能力和耗能能力；

4）應(yīng)具有均勻的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變而形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中；對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其承載能力。

2.2 鋼材的選擇

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員要注意正確選用質(zhì)量合格的鋼材、連接材料和焊接材料。鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材應(yīng)該具有抗拉強度、延展強度、伸長度、冷縮度和硫、碳等物質(zhì)含量的合格證明。在地震頻發(fā)區(qū)，鋼材除以上要求以外，還要求它們具有合格的沖擊韌性強度。一般的，鋼結(jié)構(gòu)的鋼材主要采用的是Q235和Q345，不建議使用等級為A的鋼材，因為這類鋼材的沖擊韌性強度和延展性達不到標(biāo)準(zhǔn)。焊接材料的質(zhì)量直接影響整個鋼結(jié)構(gòu)的安全，所以應(yīng)該要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的受力性能和焊縫的受力情況，確定焊接材料的等級。通常來說，板材的對接焊縫，承

受動力荷載構(gòu)件的焊接，需作疲勞驗算的焊接，以及須與鋼材等強的受拉、受彎對接焊縫，其焊縫應(yīng)采用坡口全熔對接焊縫，期焊縫等級不得低于二級。

2.3建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)具有良好抗震性，特別對于鋼結(jié)構(gòu)建筑具有的延展性可以對地震波產(chǎn)生衰減作用，減少地震對鋼結(jié)構(gòu)建筑的破壞。但是鋼結(jié)構(gòu)建筑如果設(shè)計與制造不相適應(yīng)，可能會發(fā)生歸納鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和破壞，造成災(zāi)難性的后果。所以，高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計就顯得非常重要了。鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計中，應(yīng)該要根據(jù)設(shè)防強度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度，采用不同的抗震結(jié)構(gòu)。首先，鋼結(jié)構(gòu)的剛?cè)岫鹊倪x擇應(yīng)該結(jié)合結(jié)構(gòu)的具體高度、體系和場地條件進行綜合性判斷，使鋼結(jié)構(gòu)同時滿足變形和強度的要求。受彎鋼構(gòu)件的板件局部穩(wěn)定要通過限制構(gòu)件的寬厚比較，達到受彎的極限能力，然后利用其受彎的極限能力達到構(gòu)件的承載能力。其次，對于鋼結(jié)構(gòu)體系的選擇，在鋼結(jié)構(gòu)建筑中純框架鋼結(jié)構(gòu)抗震性能好，但是由于抗側(cè)剛度差，不適宜于太高的建筑。框架-中心支撐結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，適用層數(shù)較多的鋼結(jié)構(gòu)建筑，但是其抗震性能不如純框架。框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)于框架-中心支撐結(jié)構(gòu)。框筒結(jié)構(gòu)具體抗側(cè)剛度大，并具有較好的抗震性能[5]。最后，設(shè)計人員要加強各構(gòu)件之間的連接，保證結(jié)構(gòu)的整體性，抗震支承系統(tǒng)應(yīng)保證地震時鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2.4建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計

鋼材常溫下為非燃燒材料，但耐火性較差，在高溫下，鋼結(jié)構(gòu)的強度和剛度迅速降低。研究表明，當(dāng)溫度達到350℃、500℃、600℃時候，鋼結(jié)構(gòu)的強度分別降低1/3、1/2、2/3。溫度達到600℃以上的時候，鋼結(jié)構(gòu)則完全喪失承載力。因此在火災(zāi)中若鋼結(jié)構(gòu)沒有采取防火措施，鋼結(jié)構(gòu)建筑極容易發(fā)生破壞，鋼結(jié)構(gòu)建筑抗火能力直接影響鋼結(jié)構(gòu)的使用安全。目前我國的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗火能力設(shè)計比較低，不能考慮到高溫下，鋼材的變形以及應(yīng)力影響，也沒有考慮各種構(gòu)件間相互作用的影響。總的來說抗火設(shè)計還是基于構(gòu)件層次的，構(gòu)件的耐火極限要求也是基于建筑防火設(shè)計規(guī)范的要求確定的。因此有必要基于建筑物的整體安全目標(biāo)確定鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計要求，對鋼結(jié)構(gòu)進行基于性能目標(biāo)要求的抗火設(shè)計。

2.5鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要重視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

一個國家的結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是對結(jié)構(gòu)安全度的最低合格要求，它是保證在使用期間達到安全保證率的起碼的技術(shù)要求，而不是較高的要求，是結(jié)構(gòu)造價與安全風(fēng)險的綜合平衡。要做好鋼結(jié)構(gòu)工程中的設(shè)計、加工、安裝工作，就必須全面地了解熟悉鋼結(jié)構(gòu)工作中有關(guān)規(guī)范。更應(yīng)該了解這些規(guī)范在整個國家規(guī)范體系中的位置以及相互關(guān)系。現(xiàn)行的規(guī)范中，與建筑鋼結(jié)構(gòu)工程有關(guān)的，包括設(shè)計、加工制造、施工、安裝、材料標(biāo)準(zhǔn)、配件標(biāo)準(zhǔn)等不下幾百種、主要的也有幾十種，還有各種結(jié)構(gòu)類型專用規(guī)范，其中有國標(biāo)、行標(biāo)、地方標(biāo)準(zhǔn)。有通用標(biāo)準(zhǔn)，也有專項工程標(biāo)準(zhǔn)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工規(guī)范、規(guī)程和材料及配件標(biāo)準(zhǔn)等都是國家的技術(shù)性法律文件，廣大設(shè)計、施工工程技術(shù)人員必須共同遵守。

3 結(jié)論

近年來，隨著我國鋼產(chǎn)量的迅猛增長，再加上國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，在建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛，各地相繼建成許多高層，大跨度的鋼結(jié)構(gòu)工程。但是我們的設(shè)計體制、設(shè)計理念、設(shè)計水平、設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計人員素質(zhì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)，還有許多急待解決的問題。本文結(jié)合一些實際問題，分析了建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)中需要注意的關(guān)鍵問題：鋼結(jié)構(gòu)體系的選擇；鋼材的選擇；建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計；建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要重視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展是國家經(jīng)濟發(fā)展與科技進步的重要體現(xiàn)。隨著我國的整體技術(shù)水平的提高，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)存在的問題會逐漸解決、克服，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也將越來越廣泛。

參考文獻

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