建筑鋼結構工程設計的要求及其設計要點

高峰

（山西省建筑設計研究院有限公司，山西太原 030009）

0 引言

建筑建設當中鋼結構是一種將鋼材作為基礎骨架結構，并由熱軋鋼和鋼板組成。與原先的磚混結構相比較，其強度和韌性都非常大，尤其是其施工難度較低，因此被廣泛應用在工業廠房、橋梁建設以及民用建筑當中。現階段，城市高層建筑數量驟增，雖然能夠有效緩解城市住房用地緊張的問題，但因為建筑本森承重較大，所以就給其基礎承載能力提出一定要求。如果將鋼結構應用其中，就能夠降低基礎承載要求，提高施工效率，同時降低成本造價。對此，重點對其設計要求和要點進行分析，具有極大的現實意義。

1 鋼結構應用概述

1.1 應用現狀

（1）逐漸實現大規模運用。因為這是一種新型的建筑技術，是在鋼材質量及建設工藝都達到一定高度之后才可以開展的，所以最近幾年才開始大規模流行。在其問世之后便獲得廣泛好評，逐步成為整個建筑領域最常使用的建筑結構。

（2）相應的建設技術還存在一定問題，但整體在積極改進。現階段鋼結構的建筑整體比例雖然在不斷增長，但是最近幾年的增長速率比較緩慢，這是因為這類結構其建設技術本身存在一些問題，導致鋼結構構件技術性價比降低。對此當前相關的要求工作推進十分迅速，給后續高質量的應用夯實基礎。

（3）創新意識較為缺乏。在一些企業當中為了降低成本投入，在設計的過程中往往無法做到因地制宜，基本都是通過生拉硬套的模式將其鋼結構應用在建筑建設當中，進而使得其內部結構千篇一律，缺乏創新。更為嚴重的是，由于各地地理環境有所差異，如果鋼結構出錯就可能會引起應力集中問題，使得其受力變形，進而產生承重能力下降的問題。

1.2 應用優勢

一方面，整體建設速度比較快，且整體承受能力強。這類結構混凝土的應用量比較少，不需要進行漫長等待凝結就能夠持續施工。另外鋼材是其結構的主要原料，然后使用鉚釘等方式進行合理連接，因此整體建設速度也比較快。由于鋼材本身重量較低，抵抗拉、壓、扭等應力的能力比較強[1]。另一方面，整體質量較強，便于拆卸。在項目建設過程中，鋼結構通常都是通過拼接多個鋼材完成項目施工任務的，因此便能夠實現有效拆卸，并達到反復使用的目的，提高應用率。

2 設計要求

2.1 選擇鋼材的要求

在設計過程中鋼材選擇往往具有一定難度，這是因為最近幾年我國鋼鐵工業發展迅速，鋼材種類變多，要從中選出最適合的材料是極為困難的；同時當前鋼結構的建筑種類日漸增多，各類建筑對其結構的變形度、強度和疲勞應力的要求都不盡相同，所以這就給鋼材選擇提出一定要求。

2.2 判斷鋼結構適用性的要求

這類結構一般主要被應用在跨度和荷載較大且體型極為復雜的高層建筑當中，通常會要求其要能夠承受較高溫度和振動幅度，并且還要便于拆卸，所以實際設計時就應當對其進行深入分析，確保設計出來的內容可以完全滿足要求。

2.3 受力體系及細部節點設計要求

在確定好設計方案后需要重點對其受力體系和細部節點實施詳細計算和完善。對于其受力體系設計來說，當前基本都是使用桿系結構，這就要求鋼材強度必須大，且保持較小的截面尺寸[2]。細部節點設計往往比較復雜，因此必須對其實施嚴格控制。

2.4 保溫隔熱和防火設計要求

鋼結構其整體導熱性都比較優良，當其處在不同溫度環境下，塑性和抗拉強度都會產生一定變化，一般分為四個基本層次：①受熱溫度超過100℃；②受熱溫度在100～250℃；③受熱溫度在250～500℃；④受熱溫度超過500℃。在這四項溫度區間當中其塑性和抗拉強度都會產生相應的變化，因此會給整個鋼結構帶來不同的影響。常見的防火方式包含設置防火門、防火墻、自動噴淋裝置、防火帶以及獨立水幕等等。

2.5 伸縮縫設計要求

溫度通常會使得鋼結構工程產生形變，進而導致結構當中出現溫度應力，所以這就必須設置專門的溫度伸縮縫。常見的主要有兩種：①橫向溫度縫；②縱向溫度縫。在選擇的時候需要依照建筑的實際情況確定[3]。

2.6 防腐設計要求

當前鋼結構當中使用的鋼材其主要組成部分包含氧化鐵、鐵、三氧化二鐵、四氧化二鐵和其他化合物，在這之中有些物質當暴露在空氣中之后就會通過氧化還原產生質變。因此如果空氣之中包含有腐蝕性介質或者整個鋼構件完全處在潮濕的環境之下且沒有對齊采取有效的防護措施，就會加劇銹蝕，甚至影響整個鋼結構的性能。

3 設計要點

某一工程為高層鋼結構的住宅樓，地下1 層，地上14 層，高度為45m。負一層是地下停車場，層高為4.5m；第一層為商鋪，層高為3.8m；頂層是電梯機房。整體使用鋼框架混凝土核心筒結構。

3.1 平面布置和地下室基礎設計

對于該工程來說，其鋼結構整體平面布置較為規整，核心筒完全處在中間，最大限度保證了充分的剛度。為了使首層核心筒抗剪承載力達到既定要求，降低扭轉效應帶來的作用，在首層上部斜桿支撐位置專門設置一道剪力墻，厚度大約在25cm。地下室以及基礎設計都根據整個工程的基本特點開展，因為其項目本身的地質條件極為優越，因此淺基礎持力層大約在室內地面以下2m 的地方，深基礎土層埋深大約是室內地面以下8m。

3.2 構件設計

（1）樓面體系。對于該類結構樓板來說，通常可以直接使用兩種樓蓋，分別為壓型鋼板組合樓蓋以及普通鋼筋混凝土樓蓋。在本工程當中直接使用10cm 和12cm 厚的鋼筋混凝土，樓板使用鋼梁以及抗剪栓釘進行連接，組成樓蓋。給地下室直接使用鋼筋混凝土樓板，大約為18cm 厚，框架梁使用鋼骨同梁；次梁使用鋼筋混凝土梁，屋面梁則是使用軋制H 型鋼。

（2）鋼管混凝土框架柱。由于本工程直接使用的鋼框架混凝土核心筒結構，這就需要對鋼管混凝土柱進行有效選擇，它會給外圍鋼管帶來良好的約束效果，并促使混凝土完全處在受壓狀態下。這樣不但可以有效增強混凝土本身的抗壓效果，還使其破壞特性具有良好塑性。混凝土在這之中有效展現鋼材的強度，對于外圍鋼管局部屈曲產生一定限制。

圖1 鋼管混凝土框架現場施工

（3）鋼骨混凝土剪力墻。在本次工程當中，每幢1～4 層的鋼筋混凝土樓面鋼梁和核心筒交接位置、核心筒四角必須設置混凝土柱。在構造要求下，其他樓層其鋼梁和核心筒的交接位置則應當設置混凝土柱。

3.3 節點設計

（1）柱腳節點設計。直接給其鋼管混凝土柱使用外包式柱腳，并保證外包鋼筋混凝土的高度和地下室的高度完全保持一致。在抗剪栓釘的作用下把相應的鋼管柱軸壓力傳遞給外包鋼筋混凝土，然后再通過在柱腳底板傳遞給基礎底面。

（2）框架梁及柱節點設計。本次工程當中受力最大的就是框架梁和柱節點，所以這就需要直接給其使用帶懸梁段的節點形式，同時確保其懸臂梁段的長度是梁高的兩倍[4]。對于沒有支撐次梁的框架梁翼緣則使用對接焊縫進行連接，對于框架梁以及柱節點位置、梁翼緣上下50cm 范圍之中的焊縫都直接使用對接焊縫的形式。

（3）主次梁節點設計。在實際設計過程中直接通過鉸接的形式進行連接。主梁與次梁其連接節點直接使用鋼節點連接，主梁主次梁翼緣通過對接焊縫連接，同時給次梁上翼緣添加蓋板，從而實現對拉應力的有效傳遞。

4 設計問題防范及有效處理

4.1 扭轉問題

在實際設計過程中必須要確保建筑三心完全匯集在一點。結構設計過程中的扭轉問題通常就是三心在設計時并未實現有效統一，導致結構在水平荷載的影響下而產生扭轉振動的情況。

4.2 受力性能

在對這類結構進行設計的過程中，設計人員最先應該考慮的就是其受力性能，并非是直接盲目去確定具體結構。沉降縫兩邊單元層數不一致的時候，受高層的影響，低層往往會產生較大的傾斜度，所以在設計的過程中其沉降縫的寬度就可以通過單元縫寬的具體要求確定。

5 結語

總的來說，鋼結構在我們國家的使用日漸增多，不僅有效減少資源損失和環境風險，還有效滿足大眾需求。在城市化建設逐步推進之下，高層建筑日漸增多，再加上鋼結構本身跨度大、造價低、性能優良，因此應用日漸增多。為了最大限度保證應用安全性，就需要加強設計要求和要點的分析，注重鋼材的合理選擇、防火防腐設計、細部設計等，以此最大限度保證工程的長期應用安全。