浅析钢结构多高层设计中应注意的若干问题

王辉

【摘 要】在建筑工程施工中，钢结构因为自身强度高、延性好等优势，在建筑领域被广泛的应用。在钢结构建筑中，设计是建筑的灵魂所在，因此加强钢结构建筑的设计方法，具有极其重要的意义。同时，为了确保城市建设的有序发展和人民生命财产安全，各种建筑结构的加固技术就显得尤为重要。本文就此阐述多高层建筑钢结构设计。

【关键词】钢结构；设计；加固

引言

在经济以及科技水平不断发展的今天，各种新材料新技术不断地应用到建筑工程中。在建筑工程中，钢结构建筑逐渐成为建筑工程中的主流产品。近年来，钢结构更加广泛应用于公共建筑中，我国目前不仅能生产各种类型的建筑钢材，同时钢材生产的新技术、新工艺、新产品日益也增多，使建筑结构充满现代化时代气息，实际证明钢结构建筑在我国更具有广阔的发展前景。

1、钢结构建筑的特点

1.1 预工程化程度高降低建设成本低、缩短工期

与传统的砖混、混凝土等传统结构建筑不同，钢结构建筑具有一定的预工程化，使得材料的加工和安装一体化，大部分钢结构在出厂时已生产完毕，在施工现场只需要利用合适的连接方式将钢结构进行组合安装，提高了施工速度，缩短建筑工程施工周期大约40%，可以使建筑工程更早投入使用。钢结构建筑模数协调统一标准使材料不同、形状不同、制造方法不同的建筑构配件可以通用和互换，进一步提高了建筑预工程化。由于钢结构自身就可以作为韧性结构承担结构载荷和施工载荷，因此在钢结构建筑施工时不需要支横、拆模，這也在一定程度上降低了建筑的施工费用。

1.2 钢结构建筑的跨度更大，高度更高

钢材的内部组织比较均匀，近似于各向同性的匀质体，自重轻，强度也高。钢材的密度/强度的值比砖石、混凝土、木材均小很多，这样在受力相同的情况下，钢结构可以做成跨度更大、高度更高、结构更加灵活的结构体系。到目前为止，世界上已经拥有建造跨度超过1000m的超大穹顶和高度大于1000m小于4000m的超高层建筑的能力。

1.3 钢结构建筑更具有功能化、更加美观

在钢结构建筑中，钢结构的形体、构件和节点在一定程度上决定建筑的形象。建筑结构的设计与功能要实现一体化，这样建造出来的建筑才更富功能化，才能创造出艺术与技术并存的建筑。钢结构建筑可以挣脱结构的约束，斜线、曲线在钢结构建筑造型中的应用创造出更多新奇、优美的建筑形象。

钢结构建筑强大的造型潜力是砖混、混凝土结构建筑无法实现的。由金属构件与玻璃板共同组成的建筑物的外围结构成为玻璃幕墙，玻璃幕墙一般有两种：框支承玻璃幕墙和点支式玻璃幕墙，其中点支式玻璃幕墙形式多种多样，变化无穷，具有良好的工艺性和艺术性，使建筑看上去更加美观。

2、多高层钢结构建筑的设计

钢结构建筑的设计是钢结构成功地运用实例。为保证钢结构建筑合理有效的产生，良好精确的设计是至关重要的。现代钢结构设计最为关键的两大步骤是正确选择结构方案和正确估计结构的截面高度。

2.1 钢结构预算的设计

钢结构的设计需要十分准确的计算估计。以国家大剧院为例，国家大剧院由法国建筑师保罗·安德鲁主持设计，设计方为法国巴黎机场公司。国家大剧院建筑屋面呈半椭圆形，其结构：212m×143m，跨度>100m，结构方案选屋盖空间结构网壳。但在上机前，结构师把结构的截面高度选得太大，用钢量高达292kg/m2。根据1963年美国教授史密斯（Smith M.G）对166个已建大跨度屋盖进行的回归分析，这种跨度的网壳结构用钢量不超过80kg/m2。故而在采取建设的时候，需对其精确核实才能避免错误产生。

2.2 钢结构建筑整体与局部精细设计

建筑的设计不仅仅在于外观上的美感，还在于建筑间的互相协调能力。钢结构建筑也是建筑的一种，它在具有钢结构建筑特殊性的同时也具有普通建筑的一般性。所以在满足钢结构特个性设计的同时，也必须满足一般建筑的共性。

由于钢结构的特殊性，通常在建造钢结构建筑的时候，会导致部分细节部位出现偏差或者裸露在外。因而在设计钢结构建筑的时候，为力求建筑形象和建筑功能的完美结合的同时，设计复杂化和工程精细化也更加严苛。

钢结构建筑具有牵一发而动全身的特点，每一个细节设计、制作、完成都有可能牵涉到整体的形成和完善。有的时候为了体现钢结构建筑独特的金属感，而将其部位、部件裸露在外。这样会更加增加建筑的难度。因而在对钢结构建筑设计时，细节的把握是至关重要的。对整个建筑而言，细节的较高质量将会带来更好地整体效果，为人们展示更美好的形象。

2.3 钢结构的稳定设计

钢结构建筑的稳定性是钢结构建筑设计的重难点，尽管针对设计而言他并不是需要考虑的前置条件，但是却是日后维护的重中之重，故而在建筑设计时，对其稳定性的设计也是着重的对象。钢结构建筑的失稳分为整体失稳和局部失稳。

整体失稳是通过对整体框架构建的稳定作为探讨的，在计算时可以通过长细比稳定系数带入进行验证；而局部失稳则是框架构建内部的某一部零件产生的，他间接影响着整体稳定性。

因此钢结构结构建筑的整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求来予以设计。目前结构大多数是按照平面体系来设计的，例如常用的桁架和框架都是采用的这种设计。为保证这些平面结构不致出平面失稳，则从结构的整体布置来解决相关问题，亦即设计的时候增加必要的支撑构件来维持其整体的稳定性。换而言之，即是平面结构构件的平面外稳定必须和结构布置相一致。此外通过平面桁架组成的塔架等相关设施，基于上述原因，也应该需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系，保持其稳定性。

钢结构稳定性设计需注意下述问题：

（1）目前的钢结构建筑多用于跨度较大的建筑结构，整体稳定和局部稳定维持一个相对的状态，杆件牵涉整体设计时，需从整体稳定入手。

（2）对于日常其他设计，除须考虑结构的整体性，还需要考虑其他的设计点。因为目前的设计分析稳定性的时候，多采用经验数据引用的某一个范围区间作为其结构参数、负荷的计算点。而在实际操作过程中，由于结构参数的不稳定性，造成结构具有相对误差性。

（3）考虑建筑的稳定新的时候，还需考虑钢结构材料的弹性、赢利叠加等多方面因素。通常建筑使用的混凝土的计算公式在此时将不能运用。因为对于钢结构材料而言，其应力叠加应满足这两个条件即材料服从虎克定律应变成正比和结构的变形很小。在钢结构材料是需重新考虑。

故而在设计钢结构建筑的时候，需从多方面考虑其设计需求。钢结构建筑在我国具有广阔的发展前景和普及需求。要解决钢结构稳定设计中存在的问题，在设计时应该根据实际情况，从细节入手，将设计力求做得更好。

3、钢结构加固设计

3.1构件截面加固

增加构件截面的加固方法，主要是通过采用增补钢材的方法来进行加固，除此之外，还可以采用对原构件外包混凝土的方法来进行加固处理；钢柱的加固可采用改变截面形式方式，来提高弯矩作用平面内外的承载能力：钢梁加固，焊接组合梁和型钢梁都可在翼缘板上加焊水平板，斜板或型钢进行加固，一般宜上下翼缘均加固，但当有铺板上翼缘加固困难时，亦可仅对下翼缘补强加固。对用于梁腹板抗剪强度不足的加固，当梁腹板稳定性不能保证时，往往采用设置加劲肋的方式。连接和节点加固：構件的增补或局部杆件的替换，都需要适当的连接。加固的杆件必须通过节点加固才能参与原结构工作，破坏了的节点需要加固。为此要对原焊接连接、原铆钉螺栓连接进行加固，节点连接扩大。

3.2连接节点加固

构件的增补或局部杆件的替换，都需要适当的连接。加固的杆件必须通过节点加固才能参与原结构工作，破坏了的节点需要加固。

（1）原焊接连接的加固。焊接连接的加固应采用焊接，可采用增加焊缝长度，加大焊缝高度或两者同时进行的方法实现，优先考虑增加焊缝长度。加固焊缝与原有焊缝连接时，施焊前应对相接处原有焊缝进行处理，使加固焊缝与原有焊缝之间有一平滑过渡，加固焊缝的起点和落点不得仅靠原有焊缝边缘。

（2）原铆钉螺栓连接的加固。铆钉连接的加固宜用高强螺栓摩擦型连接；螺栓连接的加固也宜用高强螺栓。当用焊缝加固普通螺栓或铆钉连接时，应按焊缝承受全部作用力设计计算其连接，不考虑两种连接的共同工作，且不宜拆除原有连接件。

（3）节点连接的扩大。当原有连接节点无法布置加固新增的连接件或焊缝时，可考虑加大节点连接板或加辅助件，新增节点板应牢靠地焊接在原节点板上；加辅助件的方法一般要求短斜板与节点板间的焊缝承载力是该短斜板与杆件连接焊缝承载力的1.5倍。

结束语

综上所述，在我国经济不断发展的今天，钢结构以其诸多的优势，在建筑工程中的应用越来越广泛。然而，结构在长期的自然环境和使用环境的作用下，其功能必然逐渐减弱，因此合理的多高层设计对保证结构的安全具有极其重要的意义。

参考文献：

[1]何海荣.浅议国内钢结构设计规范与欧美设计规范的几点差别[J].科技资讯，2009

[2]于炎鑫，王英杰，荣帆.试论高层建筑的钢结构施工技术[J].企业技术开发，2009

[3]郭兵，雷淑忠.钢结构的检测鉴定与加固改造.中国建筑工业出版社.2006