浅谈钢结构建筑的特点及设计

李家佳 徐海华

摘要：随着科技的发展，现代建筑设计中采用钢结构的日益增多，尤其是标志性建筑、公共建筑。钢结构承载力高,可以实现结构的大开间布置,构件截面小,与砼结构和砖混结构相比,自重比较轻,地基的处理比较容易,可以采用天然基础型式。本文分析了钢结构的优势，并对钢结构的设计基本思路及规范等方面进行简述。

关键词：钢结构；稳定性；设计方法

Abstract: with the development of science and technology, modern architectural design in the steel structures of growing, especially the landmark buildings, public buildings. Steel structure of high bearing capacity, can realize the structure of big width arrangement, component small section, and concrete structure and compared the brick structure, self-respect is lighter, foundation processing is relatively easy, can use natural foundation form. This paper analyses the advantages of steel structure, and the steel structure of the basic ideas and design standard paper and so on.

Keywords: steel structure; Stability; Design method

中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：

引言

“科学技术是人类进步的阶梯”。伴随着人类文明的步伐，作为人类改造自然成果的建筑也经历着翻天覆地的变化：从“巢居”、“穴居”到采用木石修建的粗陋住所，再到现代化都市中耸入云端的摩天大楼和具有刚劲飘逸外形的大跨建筑。这一变化蕴含着土木建筑领域的两大发展趋势：第一，是新材料的使用；第二，就是结构效率的提升。

钢结构，以其强烈的工业化特色和轻质高强的优势，在工业及民用建筑中的应用越来越广。如，重型车间的承重骨架、受动力荷载作用的厂房结构、板壳结构、桥梁、飞机库和体育场馆屋盖等大跨结构、高层和超高层建筑等。

一、建筑钢结构的优势

钢结构材料强度比高，力学性能好。与传统建材相比，现代建筑中钢材的材料强度比很高，另外，钢材的塑性和韧性也是它的优势；韧性好的钢材结构，它对动力荷载会有较强的适应性。良好的韧性和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。塑性好的钢材结构，在一般条件下，超负荷载时，不会发生突然断裂；同时，抗震性能好，也是因为钢结构的吸能性能和延性较好。这些能承受冲击、振动载荷、抗拉、抗剪的力学性能，使钢结构在建筑工程中发挥着重要作用。有了这些优势，钢结构才会在近些年中得以迅速的应用和发展。

钢结构工业制造简便，容易安装，施工周期短，钢结构的材质均匀且且是成易于工业化制作。在工厂加工过程中，钢结构的质量更易于保证，预制的钢结构构件加工精确度较高。在工地上，钢构件易于拼装和加固，安装时占用的场地小，为其它工序的施工提供了灵活的作业空间，从而缩短了施工得周期，为建筑工程带来了时间和空间的效益。

钢结构的自重轻，高层钢结构自重一般为高层混凝土结构自重的1/2~3/5。它比钢筋混凝土结构轻，当二者承受同样的荷载时，钢屋架的重量不会超过钢筋混凝土屋的重量的一半，同樣，高层钢结构的自重也不会超过高层混凝土结构的自重。钢结构的重量轻，降低了基础的造价，更便于远距离的运输。钢结构的这一优势在交通不便的地区显得尤为突出。

4）环境污染少，利于周边环境的保护，钢结构的施工方式主要是干式施工，较混凝土的湿式施工方式更为环保，与高层混凝土结构相比，在夜间交通流畅期间，钢结构易于运送，不会影响到日间交通的流畅性，对于夜间施工，钢结构材料产生的噪声问题也要比混凝土结构产生的问题小很多。而可持续发展钢结构件在建筑工程中的的应用也受到了大力的推广，提高了钢结构的可重复利用，从而降低了人们对自然资源的开发利用，减少了人类的破坏，间接地保护了自然环境，在建设中，提高钢结构可重复利用率，施工过程中产生的污染也会减少。说明可持续发展在建筑钢结构中是可行的。

二、钢结构住宅的设计思路

1、判断结构是否适合用钢结构

钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。

2、结构选型与结构布置

在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是"概念设计",它在结构选型与布置阶段尤其重要.对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。

3、预估截面

结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。柱截面按长细比预估.通常50<λ<150,简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等.

4、结构分析

目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-Δ,p-δ.新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构提供了条件。

5、构件设计

构件的设计首先是材料的选择。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理.经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面.构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面.这和结构内力计算的弹性方法并不匹配.当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级.并自动重新分析验算，直至通过，如SAP2000、MIDAS等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。

6、节点设计

连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一，也是工程设计中与砼结构相比存在较大差别的一个步骤。在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定.常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这种情况必须避免.按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接。

7、图纸编制

钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。

设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。

三 建筑钢结构设计中应注意的问题

1钢结构住宅的设计

钢结构住宅有低层和多层之分。低层一般用于别墅，而多层用于公寓。根据抗震规范GB50011对12层以下和以上房屋的不同要求，建造钢结构住宅一般不宜超过12层。钢结构住宅抗震性能受结构布置规则性影响。因此，其平面布置应力求规则、对称。不规则布置在地震时容易遭到损坏。

2钢结构厂房的设计

（1）钢结构的腐蚀及防腐

钢结构腐蚀的诱因很多。环境方面,应避免钢结构长期暴露在相对湿度比较大的环境中,而且环境中的酸、盐等化学物质会加速钢结构的腐蚀;其次是设计不合理,例如:钢架和墙体相距太近;施工时由于涂料质量控制及涂膜厚度的检查不严格也会造成腐蚀。钢结构的腐蚀生锈害处很大，既会降低钢结构的强度和承载能力,又可能因腐蚀造成钢结构变形、断裂、垮塌，一旦引发事故就会造成巨大损失。因此,做好防腐工作是钢结构建筑的重要工作，可以选用防腐涂料来预防钢结构的腐蚀。从涂料的防腐年限、保光保色性是否便于维修等方面进行选择，室外钢结构宜采用总漆膜厚度不小于150μm的长效防腐涂料。室内钢结构宜采用铁红醇酸底漆一度云铁醇酸防锈漆一度、醇酸面漆两度,总漆膜厚度160μm。

（2）钢材及连接材料的选择

钢结构的主体材料就是钢材，选用钢材应具有较高的质量,既承受静力荷载又承受动力荷载。根据规范，承重结构的钢材宜采用Q345钢、Q390钢和Q420钢，保证在抗拉强度、伸长率、屈服强度含量等方面满足要求。对受拉和受弯的钢材应防止钢材产生断裂。与非焊接结构钢材相比，焊接结构钢材的质量要求更高。对处于较低温度环境下的焊接钢结构，应选用化学成分和力学性能质量较好的钢材。表1描述了焊接结构和非焊接结构在不同的工作温度下所使用的不同的钢材质量等级。

（3）钢材焊接裂缝

2种情况容易导致焊缝裂纹的出现:

（1）焊接质量差,以及运输过程中的振动加大了原始的裂缝。

（2）焊接时有油污、气体等杂质因保护不当导致气孔的产生,可能引起裂缝。裂缝的存在是安全隐患，为了保证安全,质检人员应该加强对焊缝的检验力度,在焊接前将焊接部位彻底清理干净,在钢结构制作过程中要按照焊接相关规程进行操作，在吊装运输过程中保证钢结构受力均匀、不发生大的变形,以避免裂缝的出现。

3 钢结构稳定性设计的经验

（1）借助于计算机技术和相关软件的发展，目前钢结构设计中结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可由计算机辅助完成,而由设计者对结构和构件的平面外强度及稳定计算,进行分析、计算和设计。为了提高效率和提供方便，在设计时可将整个结构按标高进行分解，简化成不同水平荷载作用下的多个布置形式的结构体系来进行强度和稳定的计算。

（2）受弯钢构件的板件局部稳定可以通过2种方式实现：一是根据建筑结构不同的抗震等级限制所采用板件的宽厚比，保证钢材充分发挥其材料强度，不致在构件整体失效前发生局部屈曲；二是允许板件在构件整体失效前屈曲,然后利用其屈曲后强度达到构件的承載能力。另外，还可对梁设置横向或纵向加劲肋,以解决不考虑屈曲后强度的梁的局部稳定问题,加劲肋按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)第4.3规定设置;对于考虑屈曲后强度的计算按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)第4.4规定执行。

（3）轴心受压构件和压弯构件局部稳定也可通过2种方式实现，分别是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比和控制腹板计算高度与其厚度之比。如果受压构件为圆管截面,则应控制外径与壁厚之比,加劲肋按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)第5.4规定设置。

四 钢结构建筑设计与技术表现

（一）设计的技术表现

钢结构建筑设计创作的难点不少，建筑形象的构思是其中之一。随着信息技术的飞速发展，现代科学思维逐渐融入建筑设计中，使景观、建筑设计方法发生了翻天覆地的变化。它对人类长期形成的传统建筑观产生了较大影响，由此，人们以往对建筑设计方式的认识发生根本改变，追求问题的合理解决，成为当代建筑设计的宗旨，而从前是追求单纯的形体美观。例如高技派建筑就是其典型代表，它提倡以精细、高超的工艺水平来设计、创造建筑。

（二）建筑细部设计要求较高

由于细部设计将决定一个地方的质量及最终确认性，所以钢结构建筑设计过程中，精致度、复杂化要求越高，细部设计的要求相应也越高。现代钢结构建筑中，桁架、钢柱等结构构件及连接这些金属构件的节点细部，常常暴露在大庭广众之下，从中不仅展现出设计者的能力、智慧，而且体现出技术之美。因而，保持较高细部质量的设计对钢结构建筑而言是十分重要的，理应受到格外的重视。

（三）建筑策划也是设计中的重要影响因素

由于设计者的设计构思往往受到业主设计任务书的重大影响，且建筑设计的一般属性也必须体现在钢结构建筑设计中，所以设计者并不能随心所欲地进行设计。客户希望在确定最终产品的过程中，市场专家、设计者能彼此协作，高效的参与决策，以取得更好的经济效益。在此阶段，建设项目更强调相关各方间的协调合作以及整体设计的观念。专业化的钢结构建筑设计能使设计者和市场专家产生互动、设计资源得到有效整合，从而让业主大大减少项目风险，获得较高的经济回报。

五 结语

钢结构因自重轻、强度高、工业化程度高等优点,在建筑工程中得到了广泛的应用，同时钢结构建筑还符合国家的可持续发展战略。发展钢结构建筑对提高城市建设水平有很大作用。在钢结构设计中要充分考虑材料的优缺点，综合考虑各方面的因素,加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计，克服结构设计缺陷,避免出现失稳破坏事故，加快钢结构应用领域的发展。

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