淺談建筑鋼結構的特點及其設計要點

陳春紅

中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司

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淺談建筑鋼結構的特點及其設計要點

陳春紅

中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司

近年來建筑鋼結構的應用范圍越來越廣泛，不僅僅局限于輕鋼結構和大跨結構，更多的應用于高層建筑中，鋼結構與混凝土結構相比，其有自重輕、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的優點，因此對建筑鋼結構進行分析具有重要意義?；诖?，本文闡述了建筑鋼結構的特點，對建筑鋼結構的設計原則及其設計要點進行了論述分析。

建筑鋼結構；特點；設計原則；設計要點

一、建筑鋼結構的特點

建筑鋼結構的特點主要體現在：（1）建筑結構的設計與功能一體化。在建筑鋼結構中，結構成為形象構成的重要因素，結構的形體，構件，節點從很大程度上導致并制約著建筑的形象。建筑結構的設計與功能只有做到一體化，才能使建筑更富有功能化，以便在隨后的各個設計環節中進行下去，創造出技術與藝術融為一體的建筑鋼結構。（2）建設成本降低，工期短。建筑鋼結構模數協調統一標準實現了建筑工業化大規模生產，提高了建筑預工程化，使不同材料、不同形狀和不同制造方法的建筑構配件具有一定的通用性和互換性。同時建筑鋼結構的預工程化使材料加工和安裝一體化，大大降低了建設成本；并且加快了施工速度，使工期能夠縮短40%以上，從而加快了房地產開發商的資金周轉速度，使建筑能更早投入使用。（3）建筑鋼結構能夠滿足超高度和超跨度的要求。鋼材組織均勻，接近于各向同性勻質體，強度高，彈性模量亦高。其密度與強度的比值遠小于磚石，混凝土，木材，在同樣受力情況下鋼結構自重小，從而可以做成跨度較大和高度較高的結構以及靈活的結構形體。現在人類已具有建造跨度超過1000米的超大穹頂與高度超過1000米最高至4000米的超高層建筑的能力。并且鋼索與膜結構相結合形成索膜結構體系更能滿足建筑對跨度的要求，使這類型建筑成為標志性建筑。

二、建筑鋼結構的設計原則

結合筆者工作經驗，認為建筑鋼結構的設計原則主要有：（1）梁柱體系原則。建筑鋼結構的平面一般利用梁柱普通體系。梁使用熱軋焊接鋼梁，焊接柱為箱型鋼柱，設計整個結構為剛性框架結構，由梁、板和柱承擔豎向荷載?？蚣苤械牧汉椭⒅突A全部按照剛性進行設計連接，現場利用高強螺栓與焊接共同發揮連接作用。（2）抗剪設計原則。建筑鋼結構的計算分析表明，在整體水平荷載與地震力發揮作用下，上述局部結構體系的剛度比較弱，因此需要利用布置中心很好的抵抗水平上的荷載。鋼框架剪力墻結構系統中間部分的樓梯和電梯之間利用鋼筋混凝土剪力墻，以便能夠很好的抵抗水平外力造成的沖擊。（3）樓蓋體系原則。建筑鋼結構的各層樓蓋通常使用鋼筋混凝土，按照結構計算樓蓋厚度為110mm，在計算結構中，該樓蓋具有足夠的厚度，符合無限剛性的平面假定。

三、建筑鋼結構的設計要點

1 、建筑鋼結構的保溫隔熱與防火設計。建筑鋼結構的導熱性能特別好，當它處于不同溫度的環境下，鋼結構的抗拉強度和塑性都會有所變化，大致分為四個層次：一是受熱溫度在100℃以上；二是受熱溫度在100～250℃之間；三是受熱溫度在250～500℃之間；四是受熱溫度在500℃以上，并且在這四個溫度區間鋼結構的抗拉強度和塑性會發生不同的變化，隨之對鋼結構產生不同程度的影響。其中當鋼結構所處溫度在第二到第四區間時鋼結構會分別出現藍脆現象、徐變現象、鋼材節后塌落。由此可見，當鋼結構所處環境的溫度超過100℃時就必須對其作出相應的隔熱保護措施，以增強鋼材的抗熱性能，避免鋼結構受熱發生變化。鋼結構的防火通常有以下幾種方法：設置防火墻、防火門；設置自動噴水滅火系統；獨立水幕；設置防火帶。其中設置防火墻是最簡單有效且造價低廉的方法。一般在建筑高度不超過8m或者只需分兩個分區的情況下，可設置自動噴水系統，使防火面積范圍增加一倍，以此達到規范要求。

2 、建筑鋼結構的溫度伸縮縫設計。建筑鋼結構設計過程中的溫度會引起建筑鋼結構發生形變，使結構產生溫度應力，因此需要設置溫度伸縮縫。溫度伸縮縫的設置有兩種：一種是橫向設置溫度縫，另一種是縱向設置溫度縫，選擇哪一種設置則根據具體建筑設計情況而定。溫度縫的設置就把建筑分為了若干個溫度區段，鋼結構設計規范則決定了每個溫度區段的長度。其中處理溫度伸縮縫的方法又有兩種即雙柱設置法和單柱設置法，一般選擇前者來處理。倘若設置的是縱向溫度伸縮縫，可在屋架支座處設置一個滾動支座，倘若設置的是橫向溫度伸縮縫，則可在框架梁與檁條連接處采用槽鋼夾板滑動方式或者橢圓孔滑動方式。

3 、建筑鋼結構的立面設計。傳統的鋼筋混凝土結構建筑由于其屋面設置采光效果不理想，在設計時通常設計大量的采光窗，而大量的采光窗會破壞墻面的線條造型，建筑鋼結構則不會受此困擾。輕鋼結構屋面則大量使用屋面采光板，不僅采光均勻，而且不會破壞墻面的線條造型，既適用又美觀，目前非常適合聯合型建筑，順便也解決了建筑的通風問題。建筑鋼結構的立面設計主要由工藝布置來決定的，立面要求簡潔恢弘，同時簡單統一突出重點。設計師們往往為了突出建筑結構的重點，會在建筑入口、外天溝或者收邊泛水的地方使用跳躍性色彩和冷色調，起到畫龍點睛的作用，勾勒出建筑鋼結構體態輕盈、色彩豐富，給人耳目一新的感覺。

4 、建筑鋼結構的防腐設計。建筑鋼結構中的鋼材主要組成部分是鐵、氧化鐵、四氧化三鐵、三氧化二鐵以及其他化合物，其中有些物質暴露在空氣中時就會被空氣氧化還原發生質變，即稱腐蝕。所以，當空氣中有腐蝕性介質或者鋼構件處在潮濕的環境下而未對鋼結構作出相應的保護措施時，建筑鋼結構的銹蝕就會愈加明顯。鋼結構銹蝕輕微時會使鋼材發生形變，比如使鋼構件截面厚度發生變化，或者在構件表層形成銹坑層等，嚴重時甚至使鋼構件結構發生大的形變，因此建筑鋼結構設計時需要加強結構腐蝕設計。

結束語

隨著城市化建設的快速推進，促進了建筑業的快速發展，并且高層及大型建筑越來越多，使得鋼結構的應用越來越普遍。鋼結構具有空間跨度大、造價低、結構性能突出、安裝便利等優勢，為了保障建筑鋼結構的安全，必須加強對其進行分析。

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［2］邵大衛.建筑鋼結構設計思路及其規范［J］.建設科技，2010

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