浅析建筑钢结构工程的设计要点

段巨平

摘 要：钢结构工程不仅用于轻钢结构和大跨结构，更多的应用于高层建筑中，与混凝土相比，其具有自重轻、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的优点，因此为了保障建筑钢结构工程质量及其经济效益，必须对其进行合理设计，基于此，本文阐述了建筑钢结构工程的主要特征及其设计方法与设计要求，对建筑钢结构工程的设计要点进行了探讨分析。

关键词：建筑钢结构工程；特征；设计方法；设计要求；设计要点

1 建筑钢结构工程的主要特征

建筑钢结构工程的特征主要表现为：（1）具有设计与功能一体化的特征。在建筑钢结构工程中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体、构件、节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。建筑与结构的设计与功能只有做到一体化，才能创造出技术与艺术融为一体的建筑钢结构工程。（2）具有满足超高度和超跨度的特征。钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，强度高，弹性模量亦高。其密度与强度的比值远小于砖石，混凝土，木材，在同样受力情况下钢结构自重小，从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构形体。（3）具有建设成本相对较低且工期短的特征。建筑钢结构工程模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产，提高了建筑预工程化，使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性。同时建筑钢结构工程的预工程化使材料加工和安装一体化，大大降低了建设成本，并加快了施工速度。

2 建筑钢结构工程设计的常用方法及其要求

2.1 建筑钢结构工程的常用设计方法分析

目前建筑钢结构工程常用的设计方法主要有：（1）容许应力法。其设计原则表现为：其结构计算应力应小于结构构件设计所规定的容许应力。对于结构构件的计算应力要按规定的标准荷载，计算是以一阶弹性理论而得到，是以一个去除材料并大于1的安全系数的极限应力或是屈服应力而确定。（2）极限状态法。其主要是为了克服塑性设计法和容许应力法所存在的缺陷，这种方法主要是采用荷载分项系数和抗力来替代单一安全系数。目前，极限状态法以是我国最常用的设计方法。其结构由于荷载的作用，可在一定的周期内达到两种极限状态，第一种是正常使用極限状态，第二种是承载能力极限状态。承载能力极限状态所对应的是结构的安全性，主要是指构件的塑性变形、断裂等造成的结构破坏。（3）塑性设计法。其主要是指结构构件的塑性性质和强度要高于标准荷载的构建乘以安全系数，在构建内力结构分析中一般采用钢塑性分析法或是一阶塑性分析法。塑性设计法的主要优点在于其结构进入塑性后允许进行内力的重分布，但必须要求其构件和结构能有足够的延性。

2.2 建筑钢结构工程的设计要求

主要表现为：（1）保温隔热与防火设计要求分析。建筑钢结构工程的导热性能特别好，当其处于不同温度的环境下，钢结构的抗拉强度和塑性都会有所变化，大致分为四个层次：一是受热温度在100℃以上；二是受热温度在100～250℃之间；三是受热温度在250～500℃之间；四是受热温度在500℃以上，并且在这四个温度区间钢结构的抗拉强度和塑性会发生不同的变化，随之对钢结构产生不同程度的影响。（2）伸缩缝设计要求分析。温度会引发建筑钢结构工程形变，使结构产生温度应力，因此需要设置温度伸缩缝。温度伸缩缝的设置有两种：一种是横向设置温度缝，另一种是纵向设置温度缝，选择哪一种设置则根据具体建筑设计情况而定。（3）防腐设计要求分析。建筑钢结构工程中的钢材主要组成部分是铁、氧化铁、四氧化三铁、三氧化二铁以及其他化合物，其中有些物质暴露在空气中时就会被空气氧化还原发生质变。所以当空气中有腐蚀性介质或者钢构件处在潮湿环境下而未对钢结构作出相应保护措施时，建筑钢结构工程的锈蚀就会愈加明显，严重时甚至使钢构件结构发生大的形变。

3 建筑钢结构工程的设计要点分析

3.1 某建筑钢结构工程概况

某工程为高层钢结构住宅楼，地下1层，地上13层，高度42m。负一层为停车场，层高4.5m；第一层为商铺，层高3.8m；2～12为住宅层，层高3m，顶层为电梯机房。采用钢框架-混凝土核心筒结构。

3.2 合理选择钢结构体系

该高层建筑工程采用钢框架-混凝土核心筒结构，其具有结构自重轻、抗震性能好以及构件尺寸小等特征，从而在高层钢结构住宅中应用较为广泛。其中钢框架-支撑结构还具有居住舒适、电梯间防火性能较好、安全疏散效果显著等优势；其既可以满足住宅居住的功能要求，又可以在底部楼层设置大空间的商场，达到了合理利用建筑空间的目的。

3.3 科学布置结构平面及地下室与基础设计要点分析

该建筑钢结构工程平面布置比较规则，核心筒布置居中，以确保结构有足够的刚度。为了解决首层核心筒抗剪承载力不足问题，减小扭转效应的作用，在首层的上部斜杆支撑位置设置一道剪力墙，厚度为250mm。地下室和基础设计结合本工程的特征，由于项目地质条件优越，因此浅基础持力层为建筑室内地面以下2m左右，而深基础的土层埋深为建筑室内地面以下8m左右。

3.4 严格构件设计要点分析

具体体现在：（1）楼面体系。对于高层住宅钢结构楼板而言，可以采用两种楼盖，即压型钢板组合楼盖和普通钢筋混凝土楼盖。本工程楼板采用100、120mm厚钢筋混凝土，楼板通过钢梁与抗剪栓钉的连接，组成住宅钢结构楼盖。地下室顶板采用钢筋混凝土楼板，厚度为180mm，其框架梁采用钢骨混凝土梁、次梁采用钢筋混凝土梁。屋面梁采用轧制H型钢。（2）钢管混凝土框架柱，基于本住宅楼采用钢框架-混凝土核心筒结构，因此应优选钢管混凝土柱，其具有对外围钢管起到一定的约束作用，并使混凝土处于受压状态，这样不仅提高了混凝土抗压强度，而且使得混凝土的破坏特征具有一定的塑性，混凝土发挥了钢材的强度，对外围钢管的局部屈曲起到了限制。钢管混凝土柱解决了建筑结构构件断面尺寸大、整体刚度低、局部稳定性差等问题。本工程采用Q345B钢管混凝土柱，其钢管型号有350×10，350×8两种；强度等级为C40。

3.5 加强钢结构节点设计要点分析

主要表现为：（1）柱脚节点设计要点分析。钢管混凝土柱采用外包式柱脚，且确保外包钢筋混凝土高度与地下室层高保持一致。通过抗剪栓钉将一部分钢管柱轴压力传递给外包钢筋混凝土，通过柱脚底板将一部分传递到基础底面。（2）框架梁、柱节点设计要点分析。对于本工程受力较大的框架梁、柱节点而言，应采用带悬臂梁段的节点形式，并确保悬臂梁段长度是梁高的两倍。而对于未支撑次梁的框架梁的翼缘采用对接焊缝连接，框架梁、柱节点处及梁翼缘上下500mm的范围内的焊缝都采用对接焊缝方式。（3）主、次梁节点设计要点分析。主、次梁节点设计时，通常采用铰接进行连接。主梁和次梁的连接节点采用刚结点形式连接，主梁主次梁翼缘采用对接焊缝连接，并在次梁上翼缘加盖板，以传递其拉应力。

4 结束语

综上所述，基于钢结构工程具有空间跨度大、造价低、结构性能突出、安装便利等特征，使得钢结构工程在现代高层建筑工程建设中应用越来越普遍，因此为了保障其安全使用，必须加强对其设计要点进行分析。

参考文献：

[1] 秦志平.建筑钢结构工程设计中的要点分析[J].中小企业管理与科技，2016（1）.

[2] 李丽萍.建筑钢结构设计现状及问题分析[J].江西建材，2017（4）.

[3] 潘雪松.钢结构设计在现代建筑中的应用[J].工程建设与设计，2016（8）.

[4] 关吉隆.关于建筑钢结构工程设计及其注意事项的探析[J].黑龙江科技信息，2017（3）.