高層住宅鋼結構設計淺析

摘 要：鋼材作為一種獨特的建筑材料，在我國各類建筑中的應用日益廣泛，由鋼材形成的構件進而到結構，其具有強度高、自重輕、抗震性能好、構件截面小、建筑空間大而靈活、施工工期短、可實現裝配化及綠色環保等優點，越來越多地應用在高層住宅建筑中。本文著重從建筑結構構件設計、節點設計、結構抗震設計等方面針對高層住宅建筑鋼結構設計要點進行了深入地分析與研究，旨在為類似的工程設計提供參考。

關鍵字：高層建筑；鋼結構；構件設計；節點設計

在建筑結構形式中，鋼結構由于具有重量輕、穩定堅固、安裝方便、節省施工時間等方面的優點，因此在建筑結構設計中得到了廣泛應用。在建筑鋼結構設計過程中，我們應結合項目實際情況，合理選擇建筑結構形式。同時，要結合鋼結構的受力形式、結構尺寸和防火要求選擇鋼結構材料。除此之外，建筑鋼結構施工通常采用現場拼裝方式，因此要確保鋼結構在起吊時擁有足夠的剛度，以確保建筑結構的堅固性和穩定性。

一、鋼結構穩定性設計的原則

穩定性是鋼結構的一個突出問題。在各種類型的鋼結構中，都會遇到穩定性問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應有的損失。

根據穩定性問題在實際設計中的特點提出了以下三項原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證鋼結構穩定性設計中構件不會喪失穩定性。

（一）結構整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩定性要求。目前結構大多數是按照平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結構不致出平面失穩，需要從結構整體布置來解決，亦即設計必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的出平面穩定性計算必須和結構布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停車場的屋蓋結構塌落，1985年土耳其某體育場看臺屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設置適當的文撐而造成出平面失穩。

（二）結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相一致，這對框架結構的穩定性計算十分重要。目前設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩定性分折而是代之以框架柱的穩定性計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩定性時用到的柱計算長度系數，自應通過框架整體穩定性分析得出，才能使柱穩定性計算等效于框架穩定性計算。然而，實際框架多種多樣，而設計中為了簡化計算工作，需要設定一些典型條件。

（三）設計結構的細部構造和構件的穩定性計算必須相互配合，使二者有一致性。結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節點應盡量減少桿件偏心這些都是設計者處理構造細部時經常考慮到的。但是，當涉及穩定性性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定性時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩定性分析所采取的邊界條件。

二、結構設計

（一）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。

（二）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。

建筑鋼結構平面布置是否合理將直接影響到項目的投資成本，為了控制項目的投資成本，需要對建筑結構平面設計進行優化，具體措施有：使建筑平面柱網相互對齊；控制柱距尺寸，盡量能夠接近；核心筒布置要居中，結構傳力要簡潔；建筑核心筒的高寬比和鋼筋配置要控制在規范要求范圍內。

（三）構件設計。構件的設計首先是材料的選擇。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。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。

（四） 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。

（五）鋼結構建筑穩定性設計。鋼結構建筑的穩定，在設計各種類型的鋼結構建筑中，會因為鋼結構的不穩定，在施工中造成安全事故更為常見。為了減少事故的發生，提高鋼結構設計的穩定性，保證施工項目的安全和質量，我們要積極的對鋼結構的穩定性進行了詳細的研究。

鋼結構失穩，和強度較小的剛度都會在一定程度上對鋼結構造成破壞，但穩定性和強度是不一樣的。穩定性是變形，材料的組成部分由內部結構的抵抗力和外部荷載不穩定，關鍵是要找出不穩定的平衡狀態，防止變形的快速增長而導致破壞。

（六）圖紙編制。鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖為設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的矛盾，有設計能力的鋼結構公司參與設計圖編制的情況也很普遍。

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。初學者可參考他人的優秀設計并參考相關的工具書，并依據規范規定編制。

三、結論

綜上所述，通過針對本項目住宅鋼結構設計要點分析，作為建筑結構設計人員，應不斷總結多高層鋼結構設計的經驗，反復優化結構平、立面布置，認真細致地做好構件設計和節點設計，只有這樣才能提升建設結構設計水平及保證工程的質量。

參考文獻：

[1] 《高層民用建筑鋼結構技術規程》（JGJ99—2012）.

[2]《高層建筑鋼混凝土混合結構設計規程》（CECS 230-2008）.

[3] 徐培福. 復雜高層建筑結構設計[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2005.