關于鋼結構設計探討

童公明

廈門晉博建筑科技有限公司（361000）

關于鋼結構設計探討

童公明

廈門晉博建筑科技有限公司（361000）

結合鋼結構的優勢和特點，根據實際工程實例，詳細分析了鋼結構在該大型建筑中的應用，提出鋼結構系統的各部分設計要點，旨在能為類似大型建筑結構設計提供參考借鑒。

建筑工程；鋼結構；結構設計

鋼結構因其強度高、自重輕、塑性與韌性好、施工速度快、環保效果好、設計靈活、滿足大跨度設計需求等一系列特有的優勢，已成為建筑業經常使用的設計方式。在實際工程建設中，鋼結構建筑的確顯示了其不可替代的作用,方便了人們的生產生活,并創造了可觀的經濟效益，因此必須重視鋼結構建筑的建設，推動鋼結構建筑的發展。

1 工程概況

某大型商業建筑分A1、A2、A3區塊。A1、A2區塊地面上部為5層商場，下設2層地下室，為設備用房和停車庫，設置6個核6級平戰結合人防單元。A3區塊地上部由1幢5層商場和4幢20層科研辦公樓組成，地下2層，為設備機房及汽車庫。本工程抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第1組，地震加速度值為0.05 g。

這里以A1、A2區塊為例,對鋼結構體系在大型商業建筑中的應用及優勢作探討。

2 結構選型

2.1 上部結構

A1、A2區塊地面上部為大型商業樓，規劃限高24 m，根據商業業態的使用要求，室內凈高必須達3.8 m，柱跨度主要為9 m×9 m。該工程如采用常規鋼筋混凝土結構，扣除梁高、設備管線高度后，要滿足凈高3.8 m的要求則只能建造4層。若設計中鋼筋混凝土梁采用預應力技術,雖可適當減小梁高,但建造5層仍比較勉強，而且這種方案對施工技術要求相對較高，施工周期也長。為滿足使用要求，設計中經與開發商溝通后,在A1、A2區塊的建筑決定采用鋼結構體系。采用鋼結構后，梁高大大減小，建5層也可滿足凈高3.8 m的要求。鋼結構以熱SLH型鋼作為框架梁及次梁,框架柱采用方鋼管混凝土柱。樓面板采用自承式鋼桁架混凝土樓板。圍護結構采用燒結頁巖磚及干掛石材。A1、A2區塊上部結構各層通過3個連廊連接，連廊自成結構體系，與主體結構之間以伸縮縫脫開，以消除結構由于溫度變化引起的伸縮變形影響。

2.2 地下室

地下室設為2層，A1、A2區塊地下室連成整體。為盡量減少該工程的挖土方量，減小整體所受的浮力，降低造價，該工程采用了無梁樓蓋設計體系。本地下室為超長超大地下室，平面尺寸約317.8 m×144 m。為了使用方便，地下室采取無縫設計，并在設計時針對無縫情況采用了相應措施以消除溫度及混凝土收縮的不利影響,控制工程裂縫的產生。采取的主要措施有設置施工后澆帶、計算溫度應力、調整側墻及頂底板配、調整混凝土級配、在混凝土中摻加微膨脹劑及抗裂纖維、加強施工養護等。

2.3 基礎

根據A1、A2區塊的基礎結構工程特點及場地的實際情況，采用鉆孔灌注鉆樁，樁兼作抗拔及承壓作用，樁長約為35 m，以中風化粉砂巖為樁端持力層。

3 鋼結構體系設計

3.1 框架結構設計原則及平面布置

根據我國現行抗震設計規范[1]和鋼結構設計規范[2]的要求，鋼結構框架結構應遵循強柱弱梁，強節點弱構件的設計原則。本工程框架梁及次梁采用熱軋H型鋼,框架梁主要采用Q345BH450×200×8×14型鋼,次梁主要采用Q345BH450×110/150×8×8。為有效節約鋼材，減少柱截面尺寸，降低造價，提高耐火性能，框架柱采用方鋼管混凝土柱。其中鋼管柱主要采用Q345BH550×550×14鋼管，混凝土采用C40高強混凝土。平面布置時為避免因單向布置次梁而形成縱向或橫向承重結構體系，次梁隔一柱網垂直布置，使得框架結構盡量形成雙向承重結構體系，并使雙向鋼框架梁受力均衡。

3.2 連接方式

框架結構中框架梁與方鋼管柱之間采用鋼性連接。一般可采用3種連接方式:螺栓連接、焊接和栓焊混合連接。為保證節點連接強度和施工質量。本工程采用螺栓連接，見圖1。框架主梁和次梁之間采用鉸接，見圖2。

圖1 螺栓連接

圖2 鉸接

3.3 樓板結構

樓板結構由鋼梁和樓面板組合而成，必須保證樓板結構有足夠的強度、剛度和整體穩定性。鋼梁和樓面板緊密聯系、共同作用。本工程采用自承式壓型鋼板——鋼筋桁架現澆混凝土組合樓板，板厚100 mm。壓型鋼板采用0.5 mm厚鍍鋅鋼板，鋼筋桁架中上下弦采用冷軋鋼筋CRB550級，腹板鋼筋采用冷軋光圓鋼筋550級，樓板混凝土采用C40。壓型鋼板通過栓釘固定在鋼梁上。

3.4 圍護結構

根據鋼結構的受力特點，圍護墻體應盡量減小自重，滿足圍護結構本身強度高、保溫隔熱性能好、安裝方便可靠以及耐久性、經濟性好等要求。本工程室內隔墻采用加氣混凝土砌塊，外墻因為有干掛石材的要求，采用燒結頁巖空心砌塊。

4 鋼結構體系的優點

與大型商業建筑中使用傳統鋼筋混凝土結構相比，鋼結構體系具有明顯的技術、經濟和使用方面的綜合效益。

4.1 保證建筑物室內凈高要求，提高土地利用率

由于鋼材在強度方面具有鋼筋混凝土無法相比的優勢，梁柱構件尺寸明顯小于鋼筋混凝土的梁柱尺寸，這使得商場空間利用率大大提高。例如，該工程商業部分規劃限高24 m，使用要求凈高不小于3.8 m，如果采用普通鋼筋混凝土結構，只能建造4層，使用鋼結構由于梁高降低后，能建5層，有效地提高了土地使用效益，也提高了開發商的綜合經濟效益。鋼柱截面采用550×550的方鋼管混凝土柱，相比普通鋼筋混凝土結構采用700×700的方柱，也增加了實際使用面積。

4.2 提高結構抗震性能

鋼結構材料由于具有較高的強度、良好的延性和自重較輕等特點，所以鋼結構具有較長的自振周期、良好的抗震性能。大型商業建筑作為人員密集場所，抗震分類等級及抗震構造要求較高，使用鋼結構后有效地提高了地震發生時的安全儲備。

4.3 自重輕，施工便捷，綜合效益佳

鋼材結構與鋼筋混凝土結構比，強度高、自重輕，同時由于采用了輕質墻體材料，降低了建筑物的層高,所以大幅度降低了建筑物的總體重量，使得工程的基礎造價大幅度地降低。又由于施工不受氣候、季節等因素影響，可進行工廠化加工安裝，保證了施工質量。施工時可進行立體交叉作業，無需支模，極大地提高了勞動生產率，縮短了施工周期，節約了大量的人工費用，產生較高的綜合經濟效益。

4.4 設備管線布置靈活方便

一般鋼結構樓面鋼梁為H型鋼，在滿足構件受力要求的前提下，允許在腹板上穿孔，為設備管線的合理布置提供了非常便利的條件。該工程大量設備管線就是通過腹板穿洞布置的。

4.5 綠色環保，符合可持續發展要求

鋼結構在施工安裝時可減少對環境的影響、污染，在建筑物拆除時可減少建筑垃圾，材料可以回收再利用，因此，使用鋼結構符合綠色環保、可持續發展的要求。

5 結語

針對大型商業建筑跨度較大、凈高要求較高、人流較密集等特點，鋼結構以其自重輕、抗震性能好、構件截面小、有效提高建筑物凈高和有效使用面積、設備管線布置靈活、施工周期快、質量好以及綠色環保等特點，具有明顯的經濟和社會效益，具有很好的推廣應用價值。

[1]GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[2]GB 50017-2003,銅結構設計規范[S].