钢结构在高层建筑结构设计中的应用探讨

毛耿松 李培强

【摘要】随着现代住房的刚性需求增大，钢结构对于高层建筑来说有很多优点，在高层建筑行业中钢结构的设计与使用十分常见。本文主要结合钢结构的特点，分析了钢结构在高层建筑结构设计中的应用，以供参考。

【关键词】钢结构；建筑设计；要点分析

1、钢结构工程的特点

钢结构工程量大、结构复杂、质量要求高，同时钢结构体系具有自重轻、安装容易、施工周期短、抗震性能好的特点，因此，在建筑工程中被广泛的使用。当前我国钢结构建筑己经工业化、商品化，特别是在高层建筑的运用中有一定的历史。钢结构的材料优点，钢结构高层建筑的优势十分明显。

1）钢结构高层建筑的施工便捷，工期短。 钢结构工建能够进行工厂化产生及现场下安装，因现场施工量比较小，加上施工机械化程度高，这就提升了施工进程，根据相关资料统计，同一种建筑物，钢结构要比砼结构工期减少三分之一，并且能够很好的节俭模材料的使用量。就房地产市场而言，现在很多业主所买的都是期房，对交房时间看得很重。如果采用大量砖混结构的建筑的施工时间是三年，那么采用钢结构的高层建筑的施工时间至少可以减半。这在很大程度上大大地提前了房地产开发商的交房时间，也能够让业主早日迁入新房。

2）钢结构高层建筑物的格局比较个性化，造型相对更丰富。钢结构高层建筑的内部空间，除了住宅类建筑内的卫生间以及厨房是固定的以外，其余空间格局都可以随意进行改变，而传统砖混结构的建筑却不具备此功能

3）建筑物室内面积的利用率高。钢结构高层建筑的室内格局比较灵活，不会像砖混结构那般有诸多限制，因此业主可以对室内空间随意进行设计，最大限度的提升室内空间的利用率。

4）钢结构高层建筑的抗震性能比砖混结构建筑更为突出。如日本等地震频发国家多是采用的钢结构高层建筑，其抗震效果极佳。

5）钢结构高层建筑能够起到较好的节能环保作用。在传统砖混结构建筑施工建设中，所使用的建筑材料以及辅助材料会消耗很多的自然资源，造成资源浪费。而使用钢结构高层建筑，则可以免去支模施工等工序，同时还可以节约极多的边角料，在节能的同时还能最大限度地降低建筑工程施工建设中对环境的影响和破坏。

2、钢结构设计的注意事项

钢结构设计使用年限、设计基准期和建筑寿命的区别。所谓的设计的年限，通常是指在设计之初规定的时间之内，该项产品不会出现大的问题进行大型的维修，只需进行日常的维修保养即可，就能达到设计之初的设计理念。

2.1钢结构制图注意事项

钢结构的设计图纸和很多的设计图一样也是分为两部分，设计之初的设计图和施工图两部分，我们严格按照设计审核的相关的规定，图纸的设计者主要的方向是在设计图方面进行深入的钻研探索，钢结构的相关的施工单位根据实际的工程方向进行设计。在设计的过程中这两部分的设计人一定要进好工作的协调工作，互相渗透自己的思想理念，达成共同的目标，以保证工程的进度顺利地实施，最后达到工程的目的。

2.2区分钢结构设计的承载能力极限状态和正常使用极限状态

承载能力极限状态是指结构或结构构件达到最大承载能力或出现不适宜继续承载的变形。正常使用极限状态指结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限。钢结构设计中，对承载能力极限状态进行严格的控制，保证结构不发生安全破坏；对正常使用极限状态，要结合建筑物的安全等级，使用功能等要求进行有效地控制。既满足建筑物的使用要求，又要兼顾建筑结构的经济性。

2.3 注重钢柱拼接方面

建筑楼层过高时要对钢柱的标高进行准确控制，对钢柱加工误差要尽量控制在最小范围。所以钢柱的切割、焊接、组对就尤其重要。钢柱拼接要注意一下几点：

（1）针对焊接要求使用正确的焊接方式，比如在安装十字柱柱脚螺栓时为了保证混凝土和钢柱的结合强度，最好摒弃手工焊接的方式，而采用专门的栓钉焊枪进行焊接。

（2）在现场进行螺栓固定能够加快鋼柱安装拼装速度，还能减少拼装误差。所以在加工时提前把中间钢柱的两端点焊做好定位和钻孔，等到现场再拼装。

3、钢结构在高层建筑结构设计中应用分析

3.1钢结构材料的选择

对于钢结构设计来说，由于钢材的种类繁多，加上目前钢结构高层建筑的种类也在不断增加，不同建筑物对钢结构的强度、变形度、疲劳应力等方面的要求也不一致，选材是一项极为重要且难度较大的工作。如在某高层办公楼的钢结构设计中，对结构钢材的选择：钢材的质量标准应符合现行国家标准；承重构件用个钢材应保证抗拉强度、伸张率、屈服点、冷弯试验、冲击韧性合格；保证工程中所采用的钢材，不论其厚度及有无Z向性能要求，均满足的性能是：钢材在焊接完成后，不会出现层状撕裂、板厚度中心线分离或其他类似的情况。

3.2构件设计

对于钢结构的构件及其连接节点的设计，除了按照必要的规范及规程进行设计之外，还必须做到在进行电算之后还应该根据经验进行判断，必要时还可以采用手算的方法对结果进行校核，保证将误差控制至最低，可靠性达到最高。

对于计算结果，结构设计师要根据钢结构的实际工作状态（这可以通过实际测算并结合结构力学知识进行估算），对一些重要构件的截面以及节点间连接的承载力进行必要的调整。

根据结构的外围环境进行的具体设计。例如，在施工中，设备的吊装能力较大时，进行构件设计时可以尽可能地扩大拼装结构的规模，这样可以大大地加快安装速度，实现综合经济效益的最大化

3.3加强对钢结构受力体系以及细部节点的设计

在钢结构方案确定以后，必须要立即对钢结构的受力体系以及细部节点进行具体的计算和完善。首先，针对钢结构受力体系设计而言，现今很多钢结构都是采用的杆系结构，这种结构要求钢材强度大、截面尺寸小；在生产的时候可以在现场组装、构件之间的约束作用小。因此其设计的重点是保证构件节点之间的连接稳固性。其次，对于钢结构高层建筑的细部节点设计而言，钢结构高层建筑的设计要求细致且设计内容复杂，都需要对细部节点进行严格的设计。很多时候，细部节点的设计直接决定着钢结构的整体质量。在细部节点设计中，除了要确保其满足结构受力要求之外，还必须要充分考虑钢结构安装的便利性以及可行性。

3.4抗震设计方面

钢结构抗震设计时，应根据设防烈度， 结构类型和房屋高度采用不同的地震作用效应调整系数， 并采取不同的抗震构造措施。抗震构造措施主要是根据设防烈度和房屋高度， 控制框架柱和支撑的长细比、梁柱及支撑杆件板件的宽厚比、梁柱连接节点的构造要求等，包括设置加劲肋， 设置侧向支撑及连接焊缝的质量要求和高强度螺栓连接的构造要求。型钢构件用于抗震结构时， 要注意板件宽厚比， 可能超过规范限值

4、结束语

高层建筑钢结构体系是一项多样化和复杂系统工程，目前，我国钢结构的设计取得了一定的成绩但是还有很多的问题存在，作为专业设计师，必须不断提高钢结构设计专业技能，为高层建筑设计做出相应的贡献。

参考文献：

[1]赵东晓.高层建筑结构设计的问题与对策研究[J].商品混凝土，2012，

6（09）：260-263.

[2]吴云强.钢筋混凝土结构在高层建筑中的应用研究[J].知识经济，2012，

12（15）：87-88.

[3] 吴炳 傅承诚，高层建筑结构抗震设计的讨论[j]科技与生活，2012.（09）：123-124.