淺析建筑鋼結構工程的設計要點

段巨平

摘 要：鋼結構工程不僅用于輕鋼結構和大跨結構，更多的應用于高層建筑中，與混凝土相比，其具有自重輕、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的優點，因此為了保障建筑鋼結構工程質量及其經濟效益，必須對其進行合理設計，基于此，本文闡述了建筑鋼結構工程的主要特征及其設計方法與設計要求，對建筑鋼結構工程的設計要點進行了探討分析。

關鍵詞：建筑鋼結構工程；特征；設計方法；設計要求；設計要點

1 建筑鋼結構工程的主要特征

建筑鋼結構工程的特征主要表現為：（1）具有設計與功能一體化的特征。在建筑鋼結構工程中，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。建筑與結構的設計與功能只有做到一體化，才能創造出技術與藝術融為一體的建筑鋼結構工程。（2）具有滿足超高度和超跨度的特征。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。（3）具有建設成本相對較低且工期短的特征。建筑鋼結構工程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。同時建筑鋼結構工程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，并加快了施工速度。

2 建筑鋼結構工程設計的常用方法及其要求

2.1 建筑鋼結構工程的常用設計方法分析

目前建筑鋼結構工程常用的設計方法主要有：（1）容許應力法。其設計原則表現為：其結構計算應力應小于結構構件設計所規定的容許應力。對于結構構件的計算應力要按規定的標準荷載，計算是以一階彈性理論而得到，是以一個去除材料并大于1的安全系數的極限應力或是屈服應力而確定。（2）極限狀態法。其主要是為了克服塑性設計法和容許應力法所存在的缺陷，這種方法主要是采用荷載分項系數和抗力來替代單一安全系數。目前，極限狀態法以是我國最常用的設計方法。其結構由于荷載的作用，可在一定的周期內達到兩種極限狀態，第一種是正常使用極限狀態，第二種是承載能力極限狀態。承載能力極限狀態所對應的是結構的安全性，主要是指構件的塑性變形、斷裂等造成的結構破壞。（3）塑性設計法。其主要是指結構構件的塑性性質和強度要高于標準荷載的構建乘以安全系數，在構建內力結構分析中一般采用鋼塑性分析法或是一階塑性分析法。塑性設計法的主要優點在于其結構進入塑性后允許進行內力的重分布，但必須要求其構件和結構能有足夠的延性。

2.2 建筑鋼結構工程的設計要求

主要表現為：（1）保溫隔熱與防火設計要求分析。建筑鋼結構工程的導熱性能特別好，當其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。（2）伸縮縫設計要求分析。溫度會引發建筑鋼結構工程形變，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。（3）防腐設計要求分析。建筑鋼結構工程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。所以當空氣中有腐蝕性介質或者鋼構件處在潮濕環境下而未對鋼結構作出相應保護措施時，建筑鋼結構工程的銹蝕就會愈加明顯，嚴重時甚至使鋼構件結構發生大的形變。

3 建筑鋼結構工程的設計要點分析

3.1 某建筑鋼結構工程概況

某工程為高層鋼結構住宅樓，地下1層，地上13層，高度42m。負一層為停車場，層高4.5m；第一層為商鋪，層高3.8m；2～12為住宅層，層高3m，頂層為電梯機房。采用鋼框架-混凝土核心筒結構。

3.2 合理選擇鋼結構體系

該高層建筑工程采用鋼框架-混凝土核心筒結構，其具有結構自重輕、抗震性能好以及構件尺寸小等特征，從而在高層鋼結構住宅中應用較為廣泛。其中鋼框架-支撐結構還具有居住舒適、電梯間防火性能較好、安全疏散效果顯著等優勢；其既可以滿足住宅居住的功能要求，又可以在底部樓層設置大空間的商場，達到了合理利用建筑空間的目的。

3.3 科學布置結構平面及地下室與基礎設計要點分析

該建筑鋼結構工程平面布置比較規則，核心筒布置居中，以確保結構有足夠的剛度。為了解決首層核心筒抗剪承載力不足問題，減小扭轉效應的作用，在首層的上部斜桿支撐位置設置一道剪力墻，厚度為250mm。地下室和基礎設計結合本工程的特征，由于項目地質條件優越，因此淺基礎持力層為建筑室內地面以下2m左右，而深基礎的土層埋深為建筑室內地面以下8m左右。

3.4 嚴格構件設計要點分析

具體體現在：（1）樓面體系。對于高層住宅鋼結構樓板而言，可以采用兩種樓蓋，即壓型鋼板組合樓蓋和普通鋼筋混凝土樓蓋。本工程樓板采用100、120mm厚鋼筋混凝土，樓板通過鋼梁與抗剪栓釘的連接，組成住宅鋼結構樓蓋。地下室頂板采用鋼筋混凝土樓板，厚度為180mm，其框架梁采用鋼骨混凝土梁、次梁采用鋼筋混凝土梁。屋面梁采用軋制H型鋼。（2）鋼管混凝土框架柱，基于本住宅樓采用鋼框架-混凝土核心筒結構，因此應優選鋼管混凝土柱，其具有對外圍鋼管起到一定的約束作用，并使混凝土處于受壓狀態，這樣不僅提高了混凝土抗壓強度，而且使得混凝土的破壞特征具有一定的塑性，混凝土發揮了鋼材的強度，對外圍鋼管的局部屈曲起到了限制。鋼管混凝土柱解決了建筑結構構件斷面尺寸大、整體剛度低、局部穩定性差等問題。本工程采用Q345B鋼管混凝土柱，其鋼管型號有350×10，350×8兩種；強度等級為C40。

3.5 加強鋼結構節點設計要點分析

主要表現為：（1）柱腳節點設計要點分析。鋼管混凝土柱采用外包式柱腳，且確保外包鋼筋混凝土高度與地下室層高保持一致。通過抗剪栓釘將一部分鋼管柱軸壓力傳遞給外包鋼筋混凝土，通過柱腳底板將一部分傳遞到基礎底面。（2）框架梁、柱節點設計要點分析。對于本工程受力較大的框架梁、柱節點而言，應采用帶懸臂梁段的節點形式，并確保懸臂梁段長度是梁高的兩倍。而對于未支撐次梁的框架梁的翼緣采用對接焊縫連接，框架梁、柱節點處及梁翼緣上下500mm的范圍內的焊縫都采用對接焊縫方式。（3）主、次梁節點設計要點分析。主、次梁節點設計時，通常采用鉸接進行連接。主梁和次梁的連接節點采用剛結點形式連接，主梁主次梁翼緣采用對接焊縫連接，并在次梁上翼緣加蓋板，以傳遞其拉應力。

4 結束語

綜上所述，基于鋼結構工程具有空間跨度大、造價低、結構性能突出、安裝便利等特征，使得鋼結構工程在現代高層建筑工程建設中應用越來越普遍，因此為了保障其安全使用，必須加強對其設計要點進行分析。

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