高層建筑鋼結構設計的安全問題探微

吳俊杰

摘 要：當前建筑行業快速發展背景下，鋼結構在高層建筑中應用可以有效提升建筑整體施工質量，這就需要設計師在鋼結構設計中充分考慮到安全問題，促使設計方案更加科學合理。隨著中國國民經濟發展和人口城市化進程加快，我國高層建筑建設持續空前發展。鋼結構體系因其本身所具有的自重輕、強度高、施工快等優點，與鋼筋混凝土結構相比，更具有在“高、大、輕”三個方面發展的獨特優勢。中國已成為第一產鋼大國，鋼結構住宅適宜工廠大批量生產，工業化、商品化程度高，可以將設計、生產、施工、安裝一體化，提高建筑產業化水平。由此看來，高層建筑鋼結構設計安全問題分析是尤為必要的，對于后續建筑行業發展具有十分深遠的影響。

關鍵詞：高層建筑；鋼結構設計；安全

1 建筑鋼結構

1.1 鋼結構的材料優勢

鋼結構主要具備著以下三種優勢：①跨度或者荷載較大的構件和結構廣泛地使用鋼材是因為它的較高的強度。它們能夠有著更強的適應性往往是采用了擁有了良好的塑性和韌性的鋼材，它們往往不會因為超載而擔心斷裂了。鋼結構還擁有著良好的抗震性，這是吸能能力和延性的良好決定的；②鋼材的內部組織呈現出來的幾乎是各向同性。鋼材幾乎是具備著完全彈性的，當它們處在一定的應力幅度。當工程力學計算結果展示出來的時候，我們不難發現鋼結構的實際受力情況和這個結果幾乎是相一致的。那么設計施工的準確度就有了保證，除了彈性之外，還主要是材質在冶煉過程中的變化和波動的范圍是很小的；③鋼結構所使用的材料是比較單數的，因此在制造的過程中就不會很復雜。事實上，混凝與的強度和密度的比值是遠遠小于鋼材的比值的。想要在同樣的跨度內實現相同的荷載，混凝土屋架的三分之一到四分之一之間重量就是鋼材替代混凝土所使用的重量，那么在吊裝和運輸的過程中就不會有較大的壓力。

1.2 鋼結構在建筑上的應用優勢

鋼結構擁有著磚混結構和混凝土結構在建筑上的應用優勢，這主要和它獨特的特征決定的。鋼結構的較輕的自重，良好的延性使得建筑物擁有著良好的抗震性，這是因為地震力效應在建筑質量較小的情況下會變得相應小一些，地震效應還會因為延性的良好性一定程度上收到緩沖。除此之外，在傳統的建造中想要建造較大開間就需要較為大跨度和復雜的結構，而如今有了輕質高強的鋼結構，在創造開放式住宅的時候就更為方便了。在地域應用方面，鋼結構建筑表現出來了其他結構無法比擬的優勢。在西部地區，那里的冬天時間較長，因此在建筑施工的時候就特別困難，想要加快施工速度和提高施工質量就可以使用鋼結構，除此之外，它還能夠杜絕了因為低溫帶來的不必要的麻煩。在北方地區冬季室內采暖所需要的時間是比較長的，因此外墻的保溫性能就必須要良好。鋼結構就能很好地滿足用戶這一方面的居住需求。

1.3 鋼結構的不足

我們不難發現，生活的各個方面都能看到鋼結構應用的身影，住宅產業化的發展進程也因為鋼結構住宅的產生而加快了步伐，它給社會帶來了良好的綜合效益。但是，它也存在著一些缺陷。鋼材的腐蝕性較差，嚴格防護需要花費較多的費用和人力。除此之外，鋼結構還需要有隔熱層的保護，（處在150攝氏度的環境之中）盡管它有一定的耐熱性。

2 鋼結構中的失穩類型

2.1 分支點失穩

分支點失穩也稱之為平衡分岔失穩，分支點失穩主要包括直桿、圓環、窄梁等部位，這些部位在受到外界壓力時會導致其支點嚴重不平衡造成失穩現象。在正常情況下，如果鋼結構的軸心受壓構件是完好無損的，那么其端部在遭遇到荷載壓力且低于規定限值時，構建依然可以維持平直，只會壓縮變形但不會造成失穩。但是如果端部的承載壓力高于限值就會導致彎曲，使軸心受壓出現不平衡的情況，也就是平衡分岔穩定問題。從設計角度來看，這類屈曲破壞是可以被避免的。

2.2 極值點失穩

極值點失穩與分支點失穩有所不同，是無平衡分岔的問題，在建筑工程中屬于常見的問題。這主要是由于偏心構件的材料所致，偏心構件的材料一般都會使用鋼材，在經過長時間發展后其塑性會逐漸變得沒有穩定能力，就會導致平衡形式產生變化，從而導致失穩問題。在處理極值點失穩時，一般會將其轉變成分支點失穩進而進行處理。

2.3 跳躍性失穩

跳躍性失穩并沒有極值點同時也沒有平衡分岔點，一般會出現在扁殼、空間桁架中，這一類失穩主要是指扁殼或者是空間桁架在失去穩定平衡后從原來位置跳躍到另外的穩定平衡狀態，即稱之為跳躍性失穩。在進行鋼結構穩定性設計時，這種類型的變形是被禁止的，所以需要在計算承載極限時，按照臨界荷載來進行。

3 對建筑鋼結構設計安全提出的對策

3.1 加強設計規范管理，理論結合實際

設計人員應該在開著工作之前，要求項目主辦方的負責人上傳響應的質量證書，通過向承包單位提供的鋼結構施工設計的職業工作資質證明，來保證工作開展的規范性。此外，設計人員在設計時選擇材料上，要加強安全可靠、滿足使用、經濟可靠的原則意識。在設計過程中，在考慮荷載性質、應力狀態、連接方法及工作環境的因素下，進行大膽發揮。對于材料不可避免的缺陷，要盡可能放大其優點，去減少其缺陷，如對于強度低的初彎曲較大的桿件，應盡量避免長細比過長，提高施工精度等。對于材料的缺陷，如焊接的影響，焊接的殘余應力會降低結構的剛度且對疲勞強度有不利的影響，在設計時要合理布置焊接的位置，設計適當的焊縫尺寸，焊縫不宜過分集中，應盡量避免三向焊接相交，還應考慮鋼板的分層問題。設計時，根據實際項目的特點和要求，要考慮合理的方案，應具有相應的可行性和安全性，避免給施工人員造成不必要的麻煩，如標注要清晰。都要符合相應的基本設計規范。

3.2 提高設計方案的創建能力

在設計方案時，可選用的結構構件模式多種多樣，每種模式都有其相應的特點。這就要求設計人員要根據實際項目的特點，選擇科學有效的設計方式來全面提升設計方案的時效性，而且設計人員要對圖紙的參數信息的設定去反復實驗和調整，盡可能的保證其可行性。

3.3 合理利用網絡，智能化設計

在如今智能化的時代，相應的各行各業的軟件也孕育而生，如BIM、PKPM等軟件的出現，進一步推動了整個建筑行業的發展，新興軟件運用的能力也是設計人員應具備的能力之一。網絡的出現，使得信息能快速共享，應多和國內外設計人員交流，借鑒和學習優秀的做法，不斷完善提高自身水平及創新思維能力。此外開設土木類專業的本科高校應多注重理論與實踐相結合，開設更多的實踐課程，提高大學生的認知能力，加開相應的軟件使用教學課程也是有必要的，使后備人才的提供得到保障。

4 結語

高層建筑和超高層建筑作為未來建筑行業的主流趨勢所在，由于建筑自身高度較大，對于建筑結構的強度和抗震能力提出了更高的要求。鋼結構自身重較輕，強度大，可以有效降低高層建筑自重，同時利用鋼結構自身韌性、可靠性，具有較強的延展性，一旦發生地震，可以有效提升建筑整體安全性，降低地震能量帶來的沖擊。鋼結構施工簡單，在實際施工中可以有效的提升施工效率和施工質量，為建筑帶來更大的安全保障。

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