钢结构简介与设计浅析

刘威

【摘要】本文结合笔者在天津市地区的工作经历，总结了钢结构建筑的优点和缺点，同时结合设计经验，浅析两种钢结构形式的设计思路及特点。

【关键词】优点、缺点、构件、钢结构、设计

中图分类号： TU391 文献标识码： A

前言

钢结构是一种重量轻、强度高、抗震性能好，并且节能环保，能够循环使用的建筑结构，具有非常明显的绿色建筑特点。其工程应用与发展的主要领域为：单层轻型厂房及仓库、单层重型厂房、大跨度公共建筑、高层和超高层建筑、多层工业厂房、办公楼及住宅、铁路桥梁、大跨度公路及城市桥梁、城市高架路、海洋平台、矿井、各种容器及管道、需拆卸及移动的结构等。

优点与缺点

钢结构的优点

强度更高，质量更轻。钢材与其他材料相比，强度要高的多，弹性模量也高。在相同的受力条件下，钢结构构件质量轻且截面小。冷弯薄壁型钢屋架的质量甚至可以达到混凝土楼面重量的十分之一。

材料均匀，塑性、韧性好，抗震性能优越。钢材材质均匀，接近各项同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此钢结构与其他结构形式比较起来，更耐震，受震破坏程度也最小。

制造简单，工业化程度高，施工期短。钢结构所有的材料单纯，且多半是成品材料，加工简单。构件在工地拼装时，多采用简单方便的焊接或螺栓连接，降低了施工难度，缩短了施工工期。

构件截面小，有效空间大。相对于混凝土结构来说，钢结构的操作更加灵活多样。以满足建筑体系的一些特殊要求。

节能、环保。与传统的砌体结构和混凝土结构相比，钢结构属于绿色建筑结构体系。从可持续发展的角度上讲，钢结构更适合当今的建筑诉求和主流发展方向。

钢结构的缺点

钢材耐热性好，但耐火性差。钢材耐热而不耐火，随着温度升高而强度降低。钢结构的防火性能要比钢筋混凝土差很多。钢结构更需要用耐火材料维护，对于钢结构住宅或高层建筑结构，应根据建筑物的重要等级和防火规范进行特别处理。

钢材耐腐蚀性差，应采取防护措施。钢材在潮湿环境中易于锈蚀，处于有腐蚀性介质的环境中更易生锈。目前国内外正发展不易锈蚀的耐候钢，有望改善钢结构的抗腐蚀性，从而延长建筑的使用寿命。

钢材的选取及应用范围

3.1选取钢材的原则和指标

钢结构设计做到经济合理、安全可靠、技术先进是保证高质量钢结构建筑的原则，这就是要求正确合理地选择使用和遵守相关钢结构设计规范、规程和标准。设计时应根据不同建筑来选择安全等级要求，不同的荷载组合及抗震等级等参数。选择钢种时应注重的指标有：抗拉强度、屈服点、伸长率、硫和磷含量限定及碳含量限定、冷弯试验指标和冲击韧性指标。

3.2钢材的分类及应用范围

钢结构所使用的钢材应具有较高的强度、足够的变形能力、良好的加工性能以及一些特殊情况下的其他要求。我们常使用的钢材有Q235B型碳素结构钢以及Q345型低合金高强度结构钢。一般在荷载较大的结构体系中，主受力构件采用Q345型钢，其他次结构采用Q235型钢。但由于市场因素，两种钢材价格相差不大，因此越来越多的钢结构采用Q345型钢。

不同钢结构建筑的特点及设计思路

门式钢架结构

4.1.1门式钢架的特点

门式钢架轻型房屋钢结构体系，是由门式钢架承重结构、配套轻型屋盖和墙体围护结构以及相应的支撑系统所组成的结构体系。主要用于轻型的仓库、厂房、体育馆、展览厅等。这种形式轻型、快速、高效，实现工厂化加工制作、现场施工组装，方便快捷，缩短建设工期。

4.1.2门式钢架体系的组成部分：

主结构：横向钢架、楼面梁、托梁、支撑体系等。

次结构：屋面檩条和墙面檩条等。

围护结构：屋面板和墙板等。

辅助结构：楼梯、平台、护栏等。

基础。

4.1.3荷载与柱距的选取

屋面恒荷载标准值：0.4KN/㎡

屋面活荷载标准值：0.3KN/㎡

基本风压：0.5KN/㎡

荷载是影响柱距的主要因素，当荷载较大时，柱距宜取得小一些，建议取6~7m，荷载小时柱距宜取8~9m。跨度越大则越应注意采用合理柱距，其经济效益越显著。荷载大时跨度宜取24~30m，荷载小时，跨度宜取18~21m。

4.1.4设计前对构件截面进行预估

梁、柱截面尺寸在不清楚内力的情况下是无法通过计算预先确定的。设计一个复杂结构和设计单个构件不同，结构设计中，应选好截面，然后进行验算。本着规范要求，翼缘必须满足宽厚比，以保证局部稳定性。同时腹板也要满足高厚比。

4.1.5柱脚的分类与计算分项

进行门式钢架设计时，柱脚与基础相连，是结构体系的根本。根据房屋的高度和荷载大小，我们可以采用钢接和铰接两种柱脚连接方式。根据柱脚钢板的尺寸确定基础短柱的尺寸和位置。

4.1.6节点设计的注意事项

节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。此外，大量研究和实践证明，在轻型钢结构的抗弯连接中，端板连接最为经济，它比通常的腹板、翼缘连接节省材料和紧固件，而且避免现场焊接，所以目前它己成为抗弯连接的主要形式。

多层钢框架结构

4.2.1 钢框架的特点

多层钢结构从设计流程上说跟混凝土框架结构区别不大。钢框架结构是一种常用的钢结构形式，多用于大跨度公共建筑、工业厂房和一些对建筑空间、建筑体型、建筑功能有特殊要求的建筑物。如火车站、展览厅，仓库等。

4.2.2 钢框架的稳定问题

钢框架是由钢梁和钢柱组成的能承受竖向和水平荷载的钢结构。框架杆件截面除了满足材料的强度和稳定性外，还需保证框架的整体稳定性，从而满足设计的使用要求。钢框架的稳定问题主要包括框架平面内的稳定问题、框架平面外的稳定问题和构件的局部稳定问题。

框架平面内的稳定问题，可根据抗侧刚度的大小，分为无侧移和有侧移两种失稳形式。

框架平面外的稳定问题，可以通过设置平面外的支撑来得以保证。

构件的局部稳定问题，则可以通过限制翼缘的宽厚比和腹板的高厚比控制。

4.2.3 设计前对构件截面进行预估

和门式钢架相同，梁、柱截面尺寸也需要预估，钢梁的截面高度通常是跨度的1/30~1/20。当翼缘宽度根据梁侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可不用考虑钢梁的整体稳定性。

4.2.4 柱脚的选取及安装方法

由于钢框架体系一般荷载较大，因此柱脚一般采用埋入式的连接方式。刚性固定埋入式柱脚是直接将钢柱埋入钢筋混凝土基础或基础梁的柱脚。

4.2.5 压型钢板

不同于混凝土框架结构的是，钢框架结构采用压型钢板与混凝土相互组合的一种楼板。根据压型钢板和混凝土是否共同作用可分为组合楼板和非组合楼板。为了防止压型钢板与混凝土之间的滑移，在组合楼板的端部应设置栓钉。

4.2.6 节点设计中遇到的问题与解决方法

钢框架结构的梁柱连接多按刚性连接设计,主梁与柱的连接具有足够刚度。在钢结构设计中经常会遇到节点不满足要求的，例如：箱形柱与工字钢梁刚接时，对于箱形柱,最常见的是该柱强轴方向节点域屈服承载力不满足要求，[ψ(Mpb1+Mpb2)/Vp〗/[(4/3)fv〗>1，需加厚腹板厚度；对于工字钢梁，按抗震规范8.2.8条进行梁柱连接的极限承载力验算，Mu=<1.2Mp，不满足，需要加强盖板的厚度(盖板厚+梁翼缘厚)>柱翼缘厚！但无法加强！像这种情况整体加厚柱子腹板厚度，会导致过大的浪费。于是我们经常采用节点处换板来加以改进。对于梁柱节点，可以选用楔形盖板加强框架梁梁端与柱的刚性连接、在梁端下部加腋板加强框架梁梁端与柱的刚性连接、“犬骨式”的连接构造等等。

结语

在一定的地域范围内，特定的建筑材料蕴含着当地地区的精神和文化认同感，它可以成为当地人们心目中的情感寄托和心理归宿。除了门式钢架及钢框架结构外，还有预应力钢结构和大跨度空间钢结构等，其广泛应用于复杂的大型钢结构项目，例如鸟巢、水立方等。随着时间的推移，会有越来越多的新型钢材投入使用，来解决传统钢材的一些缺点，也许在不远的未来，我们的世界会变成一个更环保更安全的“钢时代”。

参考文献

《钢结构设计规范》GB50017-2003

《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102：2002

《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002

《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046-2008