建筑結構設計中鋼結構設計的重要性與策略探討

文/鐘崢、汪琦俊、陸夏曄、張賈申 中國聯合工程有限公司 浙江杭州 310052

目前，我國的建筑行業已經開始廣泛使用鋼結構作為主要結構進行施工，然而很多施工中忽視了對建筑鋼結構的設計，導致了鋼材獨特的延展性和剛性無法得到有效保證。我們需要通過鋼結構進行科學的設計來保證鋼結構其本身的延展性和剛性，讓其能夠在建筑物中發揮獨特的塑性變形能力。設計人員應該根據工程的實際情況，對建筑鋼結構進行有效分類和科學設計，從而保證建筑工程施工的質量。

1、建筑物鋼結構設計的重要性

我國目前鋼結構的應用方式主要為門式鋼架、網架等，在石棉瓦與輕型屋面和三角形屋架中也有著廣泛的應用。從這些應用中我們可以看出鋼結構的優勢已經得到了我國建筑行業的普遍認可，在未來，科技人員和設計人員將會不斷發掘鋼結構在建筑應用的更多形式，鋼結構將會有更加廣闊的發展前景，并為建筑行業的不斷發展起到推進作用。

2、建筑物鋼結構的結構分類

2.1 剛性結構

剛性結構即是指從建筑物的結構出發，將建筑物的整體性和連續性在連接結構處構造出來，使之能夠符合建筑構造的力學特征的結構設計。一般情況下腹板采用雙角鋼連接，上下翼緣通過連接板或者螺栓與構件相連，當在翼緣鋪蓋鋼格柵時，需要對翼緣采取現場坡口焊接處理。對于載荷較小的梁柱，在剛性連接時可采用端板連接，輕型的門式鋼架中的剛性結構通常采用這種連接方式，讓翼緣與腹板與端板連接，然后通過螺栓將端板與柱連接。端板連接的方式重要注意端板自身的材料性能，必須有足夠的剛度來抵抗梁產生的彎矩，端板的厚度足夠時則視為剛性連接，端板的厚度不足時則視為半剛性連接。同時注意焊縫的處理方式，根據外載荷的大小和梁翼緣板的厚度來選擇角焊縫或者全熔透坡口焊[1]。

2.2 鉸接結構

鉸接結構通常采用雙角鋼、端板、單剪板與雙剪板作為連接件，在鋼結構中一般作為連接主梁和次梁的連接結構使用，也可以應用在斜梁的結構拼接之中。將雙角鋼分別焊接在次梁腹板的兩側，同時將雙角鋼與主梁通過螺栓連接，從而完成主梁與次梁之間的連接。焊縫應該采用三面圍焊設計，能夠全面提升構件的承載能力。在應對外荷載較小情況是，端板只需達到一定剛度，能同時承受剪力和軸力即可。單剪板連接對于輕型次梁而言十分簡單方便，一般采用三面圍焊與主梁相連，用螺栓與次梁相連，此時螺栓將承受較大的偏心荷載影響。在螺栓不足以于外荷載過大的剪力相抵抗時，應該對鉸接結構采用雙剪板的設計形式。單雙剪板連接方式更主要應用與主梁無法對螺栓進行緊固的工程之中[2]。

3、建筑鋼結構的設計策略

3.1 梁與柱之間結構設計要點

梁與柱之間的結構設計要點主要在于其承受力的要求和抗震性能的設計。鋼結構的柱在設計上一般都是貫通型的，要充分考慮承受力的設計，所以要求框架在于梁柱連接時采用剛性連接的設計，翼緣應該能對整體帶來較高的受彎承受力，這種承受力的設計應該高于梁整體塑形受彎力的1.5倍，腹板應該有一定的受剪承受力，腹板的受剪承受力應該高于梁兩端對其施加的力的1.4倍；連接結構在設計時要充分考慮到抗震性能，加強柱與梁翼緣連接處的加勁肋設計，以及對腹板角處采用扇形切角設計，用全熔透的焊縫技術來減少焊接縫的出現，抗震設計時應該考慮到梁的全截面塑性模量，一旦其高于翼緣的百分之79時，腹板與柱的連接系數要大于其連接系數，并采用兩端排列的方式進行連接。

3.2 次梁與主梁連接結構設計要點

次梁與主梁連接點設計時有兩種設計方案：一是將結構設計為鉸接結構；二是設計為剛接結構。鉸接結構具有構造簡單，制作方便，安裝簡易等優勢，所以一般在實際工程中采取鉸接的設計。剛結可以將次梁成為連續梁，可以起到減少材料損耗，次梁撓度的作用。次梁與主梁連接時應該采取鉸接連接的結構設計，按照次梁的剪力設計，同時考慮到連接偏心力對結構產生的附加彎矩，可以不用考慮主梁的扭矩。抗震設計時，要從構件橫梁的側向屈服力出發設計，在橫梁的翼緣結構塑生區設置側向支撐構件。由于梁的翼緣是與樓板連接在一起的，所以主梁也會受到樓板以及翼緣的建立，要在下方填充支隔物，讓支隔可以起到同時支撐兩根橫梁的作用。

3.3 柱腳結構設計要點

3.3.1 埋入式柱腳結構設計要點

埋入式的柱腳即是指將鋼結構的柱按照相應要求固定在鋼筋混凝土中，然后進行混凝土澆灌處理，從而形成剛性固定的基礎。設計時我們假定柱的軸心壓力由埋入基礎下的柱腳底板產生并直接傳遞給混凝土基礎和基礎梁；彎矩由翼緣上的螺栓直接傳遞給鋼筋混凝土基礎或由柱翼緣傳遞給混凝土；柱底部的水平剪力由埋入混凝土的鋼柱的翼緣與基礎梁的承壓力來傳遞；不考慮其埋入柱腳與土壤和混凝土的摩擦力和粘結力。通過這些力的分析作為設計的主體指導思想，來進行柱腳結構的設計。

3.3.2 外包式柱腳結構設計要點

外包式柱腳是由鋼筋混凝土將柱腳抱起來的柱腳設計。其中要充分考慮鋼筋混凝土的包腳高度，截面尺寸和箍筋配置，他們對于柱腳內力的傳遞和恢復特性起到了重要的作用。在設計時，一般對期內力的傳遞做以下假定：軸力壓力由鋼柱柱腳地板直接傳遞給鋼筋混凝土結構基礎；彎矩由翼緣抗剪螺栓先傳遞到鋼筋混凝土外部，再由外部結構傳遞到基礎與梁中；水平剪力在傳遞過程中，由底板和混凝土之間的摩擦先抵消一部分，再由包腳的混凝土和箍筋配置共同承擔。

結語：

鋼結構目前在建筑行業已經得到了廣泛的認可與應用，它與其他結構相比，擁有著高剛性、高穩定性以及高性價比等獨特優勢。本文從建筑物鋼結構的總體概要出發，建筑物鋼結構的結構分類和鋼結構結構的設計要點進行了深入的論述，詳盡的說明了鋼結構剛性結構和鉸結結構的結構特性和適用情況，同時對梁與柱、次梁與主梁、柱腳三種結構設計方案進行了設計要點上的明晰，希望能夠讓鋼結構能夠更好的為建筑施工服務，推進建筑行業的發展歷程。