建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計及其注意事項

柳帥軍

摘 要：在現(xiàn)代建筑施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義，在一定程度內(nèi)決定建筑穩(wěn)定性和安全性，因此，在開展具體工作過程中，為了對其穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行更高程度的保障，必須確保科學(xué)設(shè)計建筑鋼結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)一步明確在建筑施工過程中如何更為科學(xué)的設(shè)計其鋼結(jié)構(gòu)工程，本文對鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計方法及注意事項進(jìn)行分析研究，為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：建筑鋼結(jié)構(gòu);工程設(shè)計;注意事項

前言

建筑工程的建設(shè)，不可或缺的結(jié)構(gòu)便是鋼結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的設(shè)計與工程建設(shè)的質(zhì)量有著直接關(guān)系。很多建筑自身的重量，因此，對其承載負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)要求非常高。所以，在對鋼結(jié)構(gòu)工程開展的設(shè)計工作，需要細(xì)致并且嚴(yán)謹(jǐn)，這樣才能提升施工效率，使得工程綜合效益得到提升，強(qiáng)化建筑的建設(shè)質(zhì)量。

1鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的基本要求

1.1鋼構(gòu)件材料選用

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為使鋼結(jié)構(gòu)的材料特性能充分發(fā)揮出來，在方案設(shè)計階段，選用合適的鋼材，不但能確保結(jié)構(gòu)的安全性能，還能方便制作和安裝，同時也能使建設(shè)成本更加經(jīng)濟(jì)。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，選用材料可歸納為以下幾點(diǎn)。

（1）所有承重構(gòu)件的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格性保證，對焊接材料還要具有碳含量的合格保證。

（2）焊接承重構(gòu)件以及重要的非焊接承重構(gòu)件的鋼材應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。

（3）對需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)，還應(yīng)分別按照當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件，具有相應(yīng)的沖擊韌性的合格保證。

（4）對布置有大噸位起重機(jī)（不小于50 t）的中級及以上工作制的起重機(jī)，也應(yīng)滿足沖擊韌性的要求。

（5）對于厚度大于40mm的厚鋼板，材料還應(yīng)有Z向性能的保證。正確選用材料，遵循技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則，結(jié)合結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法、工作環(huán)境、材料厚度和價格因素，選用合適的鋼材牌號和材性保證項目。

1.2鋼構(gòu)件的截面選用

選擇合適的鋼構(gòu)件截面是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)結(jié)構(gòu)布置完成后，接下來就是估算出合適、合理的鋼構(gòu)件截面。根據(jù)構(gòu)件的屬性、結(jié)構(gòu)的跨度及高度、側(cè)向約束的條件、荷載作用的條件、內(nèi)力的包絡(luò)圖及構(gòu)件的受力狀態(tài)等條件，初步估算截面所需要提供的慣性矩、截面面積，并結(jié)合設(shè)計控制參數(shù)條件，如材料的設(shè)計強(qiáng)度指標(biāo)、撓度控制值、長細(xì)比限值、構(gòu)造板件寬厚比和高厚比等，選取一種最適合的截面形式同時預(yù)估其截面的尺寸。目前我國常用的截面形式有以下幾種：熱軋H形鋼（分窄翼緣、中翼緣、寬翼緣）、熱軋角鋼（等邊、不等邊）、普通槽鋼、普通工字鋼、熱軋T形鋼等熱軋型材;冷彎C形鋼、冷彎Z形鋼、冷成型焊接鋼管、冷彎帽形鋼等冷成型薄壁型鋼;焊接H形鋼、變截面焊接H形鋼、十字形截面、箱形截面、田字形截面、日字形截面、實(shí)腹式焊接組合截面、格構(gòu)式焊接組合截面等鋼板焊接類截面。一般結(jié)構(gòu)中多用常規(guī)的焊接H形鋼和熱軋類型鋼，當(dāng)構(gòu)件受力較大或受建筑條件約束時，采用各類其他焊接組合截面，冷成型薄壁構(gòu)件一般多用于圍護(hù)體系和輕型低層建筑鋼結(jié)構(gòu)中。

1.3結(jié)構(gòu)布置及注意事項

（1）單層鋼結(jié)構(gòu)廠房

單層鋼結(jié)構(gòu)廠房可分為單跨或多跨組合，其跨度應(yīng)按工藝及生產(chǎn)要求、起重機(jī)配置及荷載情況等條件確定，一般跨度宜為12～48m，經(jīng)濟(jì)跨度為18～36m，當(dāng)符合門式鋼架結(jié)構(gòu)條件時，經(jīng)濟(jì)跨度宜取為21～30m。單層廠房柱距的合理性也應(yīng)與工藝、荷載情況、有無起重機(jī)及地基狀況等因素結(jié)合考慮，一般柱距為6～9m，當(dāng)為重型廠房時，則應(yīng)擴(kuò)大柱距到12m，甚至15m，但屋架開間仍可選用6～7.5m，屋架可支撐在托架上，墻面系統(tǒng)可設(shè)置墻架柱。縱向溫度區(qū)段根據(jù)結(jié)構(gòu)情況，可取為120～250m不等。橫向溫度區(qū)段根據(jù)結(jié)構(gòu)情況，結(jié)合柱頂約束條件，可取為100～150m;當(dāng)符合門式鋼架結(jié)構(gòu)條件時，縱向溫度區(qū)段可加長至300m，橫向溫度區(qū)段可大于150m，但應(yīng)考慮溫度的影響。

（2）多層鋼框架結(jié)構(gòu)

多層框架以抗側(cè)力為其承載主要特點(diǎn)，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)按高度、體形、荷載等條件合理選擇其結(jié)構(gòu)體系，一般按高度不同可分別選用，框架、框架–支撐、框架–剪力墻等體系。一般6層及以下的多層框架可采用純框架體系，7～12層多層框架宜選用框架–支撐、框架–剪力墻體系，支撐一般選用型鋼支撐，剪力墻可選用混凝土剪力墻或鋼板剪力墻。多層鋼框架的柱網(wǎng)尺寸，一般按使用條件、梁格的合理布置以及停車位的合理空間等條件確定，一般取為6～10m。

2. 建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

2.1塑性設(shè)計法

在建筑工程中，如果其結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性性質(zhì)、強(qiáng)度大于標(biāo)準(zhǔn)荷載構(gòu)件與安全系數(shù)的乘積時，有關(guān)設(shè)計人員在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，一般采用的是塑性設(shè)計法，應(yīng)用此種設(shè)計方式，能夠在結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性以后，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分布。但是，如果應(yīng)用此種設(shè)計理念，要求有關(guān)的結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，都能夠具備一定的延性，翼緣與截面腹板的比例尺寸需要嚴(yán)格根據(jù)工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。

2.2容許應(yīng)力法

容許應(yīng)力法在應(yīng)用中，需要使得鋼結(jié)構(gòu)計算所獲得的應(yīng)力值要低于結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計中的容許應(yīng)力，只有這樣，容許應(yīng)力法所獲得的鋼結(jié)構(gòu)才更具科學(xué)性。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力計算上，必須以標(biāo)準(zhǔn)荷載為基礎(chǔ)，根據(jù)一階彈性理論，保障計算的準(zhǔn)確性。這種設(shè)計方法在應(yīng)用的

過程中，需要根據(jù)實(shí)際需求來進(jìn)行設(shè)計的優(yōu)化。

2.3極限狀態(tài)法

極限狀態(tài)法是一種新型的設(shè)計方法，該種方法的應(yīng)用，有效克服了塑性設(shè)計與容許應(yīng)力設(shè)計的缺陷，有效保障了鋼結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性。在實(shí)際的設(shè)計過程中，主要是將單一安全系數(shù)用荷載分項系數(shù)與抗力來取代，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)受到荷載作用力以后，結(jié)構(gòu)會逐步在一定的

周期范圍內(nèi)達(dá)到兩種極限：正常極限與承載極限，承載極限的存在在一定程度上避免了鋼結(jié)構(gòu)的斷裂、塑性變形。

3. 建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的注意事項

3.1謹(jǐn)慎選擇鋼結(jié)構(gòu)的建材

設(shè)計師要了解各種鋼結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)和特點(diǎn)，要仔細(xì)分析鋼結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)指標(biāo)，還要對工程項目的地理、氣候、溫度條件進(jìn)行深入分析，保證鋼結(jié)構(gòu)建材滿足當(dāng)?shù)厥褂脳l件。注意各種鋼結(jié)構(gòu)建材的韌性、強(qiáng)度、長度、寬度等基本資料，要保證鋼結(jié)構(gòu)的建材可滿足建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的施工條件。

3.2注意鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的適宜性

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計中要注意設(shè)計方案是否可順利進(jìn)行施工建設(shè)，在設(shè)計之初還要考慮到鋼結(jié)構(gòu)工程使用單位的情況，到施工地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場考察，保證對建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的考察分析，要對所有的考察資料進(jìn)行統(tǒng)籌分析，為建筑鋼結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計提供有效幫助。

3.3注意建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全防火設(shè)計

在進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計前要對鋼結(jié)構(gòu)的消防隱患進(jìn)行安全設(shè)計，因?yàn)榻ㄖ摻Y(jié)構(gòu)防火性能較差，火災(zāi)破壞性大，因此在進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計時要重點(diǎn)對消防安全進(jìn)行設(shè)計，要根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)的風(fēng)格進(jìn)行設(shè)計，要保證消防設(shè)計可發(fā)揮應(yīng)有的效果。目前，建筑鋼結(jié)構(gòu)的消防設(shè)計應(yīng)用比較多的是對建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火涂層的處理。

3.4處理好建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的細(xì)部節(jié)點(diǎn)

為提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平，必須處理好建筑鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計工作，建筑鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計要保證鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的安全穩(wěn)定性，連接方式要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇最合適的設(shè)計方案，要保證使用中具備協(xié)調(diào)性，防止在連接部位出現(xiàn)變形和過載現(xiàn)象，給整個鋼結(jié)構(gòu)造成安全危害，對螺栓或焊接處理的連接節(jié)，須重點(diǎn)關(guān)注，對數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真的分析，確保鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)必須安全，做到強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件設(shè)計原則。

3.5加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震性能

我國很多地區(qū)處于地震帶，因此抗震設(shè)計尤為重要。鋼結(jié)構(gòu)作為抗震性能良好的結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)充分發(fā)揮出材料的特性。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能化設(shè)計應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)類型和不規(guī)則結(jié)構(gòu)構(gòu)件在整個結(jié)構(gòu)中的作用、使用功能和附屬設(shè)施功能的要求、投資大小、震后損失和修復(fù)的難易程度等，經(jīng)綜合分析，選定其抗震性能目標(biāo)。

結(jié)束語

在建筑尤其是高層建筑施工中，運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)的施工形式可使建筑達(dá)到很大的跨度空間，且鋼結(jié)構(gòu)具有安裝方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以在建筑中得到了普遍推廣。隨著我國城鄉(xiāng)一體化的發(fā)展建筑工程越來越多，因此鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計也要符合建筑的整體的要求，所以設(shè)計人員必須掌握鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計重點(diǎn)，為了保證鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量必須進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計。

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