建筑鋼結構工程設計及其注意事項

阿俊花

寧夏南林建設集團有限公司

建筑鋼結構工程設計及其注意事項

阿俊花

寧夏南林建設集團有限公司

近年來，鋼結構在建筑工程中的應用越來越廣泛，并且取得了非常不錯的應用效果。不過在實際的應用過程中，也有因為鋼結構工程的設計工作做得不到位，導致鋼結構建筑出來穩定性不足的問題，這嚴重影響到了使用者的生命財產安全。為了確保建筑鋼結構工程的建設具有更高的質量，需要在進行鋼結構工程設計的時候，嚴格地按照相應的規范和標準進行設計，并做好相應的設計要點工作，從而為使用者提供更加安全、可靠的鋼結構建筑。基于此，文章主要對建筑鋼結構工程設計及其注意事項進行了研究和分析，以期對相關人士能夠有所幫助。

建筑工程；鋼結構；設計；注意事項

當前，我國鋼材的年產居世界首位，鋼結構應用發展很快。鋼產量的增長為發展我國建筑鋼結構建設事業創造了極好的時機。目前，與發達國家相比我國在許多方面還存在著明顯的差距。21世紀是鋼結構快速發展時期，長期以來由混凝土結構、砌體結構一統天下的格局勢必被打破，鋼結構的設計應用也會越來越多。因此，對于工程設計人員而言，研究鋼結構的設計思路和原理，對于完善專業知識結構、提高工程設計水平有十分重要的意義。

1、鋼結構的適用條件

判斷結構是否適合用鋼結構，主要是鋼結構和鋼筋混凝土結構之間的選擇。國內與國外相比，如日本等發達國家，鋼結構建筑要占整個建筑的50%以上，而我國只占5%還不到；對于鋼結構與混凝土結構的造價問題，應有一個全面、綜合的認識，不能籠統地認為鋼結構造價比混凝土貴，從而排斥于比較方案之外。事實上，結構造價只占工程造價的30%左右。而結構造價又分上部結構和基礎造價，上部結構造價僅占基礎造價的50%～70%。而鋼結構只是指工程的上部結構，在工程總投資中僅占10%還不到，對于高層和大跨度結構，鋼結構與采用混凝土結構間的差價所占工程總投資的比例將更小，一般不到工程總投資的4%。如果再考慮到采用鋼結構因其自重輕、建筑有效使用面積大、施工速度快及抗震性能好等諸多優點，鋼結構特別適用于重型工業廠房的承重骨架和吊車梁、大跨度建筑的屋蓋結構、大跨度橋梁、多層和高層建筑的骨架、塔桅結構、容器和大直徑管道等殼體結構、移動式結構、輕型結構以及在地震區抗震要求較高的工程結構。

2、鋼結構自身優點

2.1 鋼結構的塑性及韌性較好

鋼結構在一般的情況下，不會出現因為超載而導致斷裂的現象，鋼材自身能夠把峰值應力進行重新分配，并沒有且能夠使應力變化幅度逐漸趨于平緩。這一切都源自于鋼材自身良好的塑性以及韌性。因此，鋼結構對于載荷適應能力比較強，在地震的作用下，通過結構自身彈性形變以及塑性形變，能夠在一定程度上吸收地震所帶來的能量，從而達到提升鋼結構抗震性的目的。從以往的地震災害調查表中可以有效得知，全鋼結構的建筑在地震中受到的損害個其它材料結構的建筑進行相比，損害明顯最低。

2.2 鋼材的質地比較均勻

鋼材料因為其材料自身的性能和在力學計算方面具有的假定十分符合，與此同時，鋼材內部的組織結構接近各項的同性，鋼材質地其自身的波動范圍比較小，在建筑用材中，屬于理想的彈性材料，并且在一定的受力幅度范圍內，其屬于有著完全彈性的材料，工程力學計算結果和實際的受力狀態也比較符合，因此具有優勢。

2.3 在高層建筑中鋼結構應用的造價比較低

鋼結構與傳統的磚混或混凝土建筑相比，其總體的成本造價比較低，還有這種結構自身的重量通常都比較輕，所以，裝卸和運輸的費用相對來說也比較低，在一定程度上，也降低來工程的總體材料使用量。與此同時，使用鋼結構的建筑工程，工程建設周期也得到有效的縮短，從中衍生出的其他各項間接費用同樣也能得到控制。由此可見，鋼結構的建筑，在高層的建筑中屬于造價比較低的一種。

2.4 鋼結構建筑需要的施工周期比較短

鋼結構在進行建筑施工的過程中，受到季節、環境變化的影響比較小。其原因在于鋼結構大多都是在工廠就能直接完成生產，只需要把構建運送至施工現場進行組裝就可以，這要比傳統的建筑施工程序快很多，并且對環境造成的污染也是最低的。與此同時，鋼材料在施工的過程中，主要依靠機械進行操作，不需要有很大的施工場地，因此，施工速度也比較快，這對于那些對于工期要求比較高的建筑來講，具有十分明顯的優勢，同時，由于大量的機械操作代替了傳統人工與運輸，從而有效縮減了經費開支，提高了經濟效益。

3、鋼結構的設計思路

3.1 結構體系的選擇

鋼結構體系的選擇歸根結底就是對鋼結構抗震體系的選擇。它包括對建筑抗震設防類別、抗震設防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結構材料和施工等因素綜合分析，與建筑、水、暖、電等專業的充分協商，必要時還應進行多方案比較。一般來說，鋼結構體系應受力明確，傳力簡捷；在滿足功能使用的前提下，力求平面和豎向規則；應避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力，應具備必要的抗震能力，良好的變形能力和消能能力；對可能出現薄弱層的部位，應采取措施提高抗震能力。在具體鋼結構工程中，結構工程師應合理控制尺寸，避免局部失穩或整個構件失穩；要特別注意鋼結構部分和鋼筋混凝土的連接處，比如基礎部分、鋼屋架支撐處是較薄弱的部位。

3.2 計算模型的建立

計算模型應該是鋼結構實際受力情況正確與合理的簡化，結構計算是在計算模型的基礎上進行的，計算模型選用不當不僅僅會得出錯誤的數值解，而且會導致結構安全事故，因此選擇恰當的計算模型是保證結構安全的重要條件。比如在節點設計中，按傳力特性不同，分剛接、鉸接和半剛接。實際結構的節點不可能是純粹的剛接或鉸接點，這就需要結構工程師進行正確的判斷，選擇哪種更能真實的反映節點的受力情況的模型，使計算模型的誤差控制在允許范圍之內。此外，對于諸如節點這類受力復雜的構件，單從計算分析的角度并不能完全保證其可靠性，因此還應通過相應的構造措施對節點予以加強。

3.3 建筑材料的使用

要善于利用鋼結構的抗拉性能。按受力的不同，現行的鋼結構設計規范對鋼結構主要從受彎、受拉、受壓和拉彎、壓彎五個方面計算[1]。從規范中不難看出，受壓、受彎或壓彎構件需同時進行強度和穩定性計算，對于大多數此類構件，當它發生失穩破壞時，其強度遠未達到設計值。而受拉或拉彎構件只需考慮強度計算，構件的力學性能可以得到充分發揮，應力水平很高，因此材料的利用率最高。

4、鋼結構設計中存在的問題

鋼結構設計運用中，主要存在的問題如下：對于建筑鋼結構工程設計過程中所使用到的鋼材，有一部分由于生產工藝的問題導致鋼材的質量達不到相應的施工標準；在對鋼結構進行設計的時候，一些設計人員往往忽視鋼結構與建筑工程的整體性要求，經常使得鋼結構的設計獨立于整體建筑之外，這樣導致了鋼結構設計完工之后，出現與建筑物之間的銜接度不夠的情況，這樣勢必導致建筑鋼結構工程的建設質量大打折扣；一些設計師盲目搬規范、套程序，只給出構件布置圖。將應該設計的“節點構造”、“支座詳圖”等都交給加工企業。廠家若做出的圖紙不符合原設計要求，存在質量隱患。

5、建筑鋼結構工程設計的注意事項

5.1 保證鋼材選擇的質量

建筑鋼結構工程設計過程中的選材非常重要，主要是因為鋼材的質量好壞直接決定著整個建筑鋼結構工程的建設成敗。然而由于我國建筑行業的飛速發展，使得我國的建材行業也跟著不斷的發展壯大，目前市場上充斥著各種不同種類的鋼材，要從眾多種類的鋼材中選出最為合適的一種確實難度較大。由于鋼材生產方面的問題，一些鋼材的強度、硬度、形變等特性很難滿足相應的施工要求，如果相應的采購人員不夠專業，會導致一些不合適的鋼材進場，以至于建筑鋼結構的功能很難充分發揮出來。因此在實際的設計過程中，需要由資深的人員進行鋼材的選購，以保證鋼材選擇的質量。

5.2 判斷建筑鋼結構的適用性

隨著建筑的建設規模不斷擴大，現階段的鋼結構被越來越多的使用與高層建筑的建設過程中。因此相應的設計人員需要對鋼結構是否具有足夠的強度、足夠的硬度、是否能承受較大的振動幅度以及拆卸方便的性能進行考慮，以保證鋼結構的適用性。

5.3 加強受力體系以及細部節點的設計

在對鋼結構進行設計時，為避免最終出現的節點與結構分析模型中不完全一致的情況，需注重對鋼材強度、截面尺寸等方面的考慮，并保證構件節點之間的連接穩固性。另外對于細部節點的設計，也需按照相應的規范和標準進行。

結束語

綜上所述，工程設計人員在能夠正確判斷要使用鋼結構的前提下，應具有一個良好的設計思路，強調概念設計在鋼結構設計中的應用；在深入理解剛架、桁架、網架及懸索這幾種常見鋼結構形式力學原理的基礎上，科學進行結構選型，做到每一項設計都精益求精。

[1]劉慶明.鋼結構工程建設項目施工質量管理研究[D].燕山大學，2017.

[2]周立斌.建筑鋼結構企業發展研究[D].浙江大學，2016.

[3]張飛.摩擦型高強螺栓連接節點試驗研究[D].大連理工大學，2016.