钢结构建筑在结构设计中存在的问题分析

薛贺雷

(甘肃省建材科研设计院有限公司，甘肃兰州730020)

从西汉时期的铁索桥到20世纪初的京张铁路桥，钢铁材料在我国建筑中的发展使用是十分漫长的。20世纪中后期世界上逐渐兴起的大跨度结构建筑、高层建筑、超高层建筑使得钢结构的使用进入飞速发展时期，人们逐渐认识到钢材的性能适应现代建筑的发展要求，这种环保型材料开始应用于现代高层、超高层建筑中。

1 房屋建筑结构

对于房屋建筑而言，房屋建筑结构设计是一项前置工作，其主要功能体现于房屋建筑的结构规划，通过合理的规划，能够确保房屋建筑的安全性、功能性、实用性、舒适性等等，以此来满足人们对房屋的需求。此外，基于建筑的建设目的不同，该建筑还可能需要包含部分特殊材料与技术，如此就进一步加大了房屋建筑结构设计的复杂程度。为了确保房屋建筑的质量，通常房屋建筑在正式建设之前，需要预先对结构进行设计，在确认设计方案之后才能进行施工。从理论上来说合理的房屋建筑结构设计，能够有效提高建筑的质量，并实现建设的目的。但有的房屋建筑结构设计中，在设计方案、实施设计方案两个方面，均存在一定的不足，极大地影响了房屋建筑的质量。

2 钢结构的优势

现阶段我国经济发展迅速，城市化进程持续增快，建筑工程的结构形式也在不断优化，钢结构在建筑工程中得到了广泛使用。钢结构的主要优势体现在以下方面：(1)强度和柔韧性较高；(2)成本比较低，有着较高的性价比；(3)钢结构材料环保，不会影响建筑环境，不仅能节省资源，而且能再次循环使用；(4)有较强的抗震性能，稳定性较好；(5)自重较轻，可以减少下部结构承受的荷载，提高基础的稳定性。

3 建筑钢结构主要结构体系

3.1 框架-支撑结构

对于高层建筑，最主要的是承担水平荷载，包括风荷载和地震荷载。框架-支撑结构在高层钢结构建筑中应用广泛，在地震荷载作用时结构有支撑和框架两道防线，让支撑结构先消耗部分地震能量再破坏框架结构，使得建筑破坏有一定的延性，人们有一定的时间得以逃生。在进行结构设计时可以根据建筑物建设地点、建筑高度、建筑使用功能采用合理的支撑形式以及支撑数量。当建筑物的框架结构柱网比较大且不规则时，可采用偏心支撑以提高延性。对于上部是钢结构的高层建筑可以采用带边框剪力墙结构和由钢支撑组合而成的框架-剪力墙结构共同抵抗水平荷载。

3.2 钢-混凝土核心筒混合结构

钢-混凝土核心筒混合结构由于自重轻、施工速度快、造价低等优点被大量采用。当要求建筑平面比较规则，外框筒的空间作用要求高时可以采用柱网较密的外部钢结构框架，楼层与内外筒连接较好，使得内外筒共同抵抗水平荷载。对于地震作用比较频繁的区域，可以使得外部框架和内部核心筒通过跨度不大的梁连接，并布置数量较多的钢结构框架柱，这样构成的平面框架剪力墙结构通过合理的节点连接能较好地抵抗地震荷载。对于外部框架的柱网很大，内部核心筒与外框只通过少量钢梁铰接的连接形式因其不能保证框架与筒体协同作用，因此不宜在地震区域采用。

3.3 钢构件组装

搭建台架、模架等，严格参照相应的建筑图纸、施工过程的工艺和标准，并依据使用材料型号特点，优化钢构件的安装方案，最终确保搭建钢构件的平台结构平整牢固，有利于后续使用；整体过程实施之前落实好焊接工艺及焊接顺序，焊接过程控制变形量，采取措施矫正相应的变形，最终装配成构件。这部分的焊接还应计算好焊接缝隙的加工余量，做好加工面的零部件整体尺寸的计算，遇到隐蔽部位装配焊接问题，应提前做好技术交底，技术分析满足要求后，才能进行钢结构焊接；同时做好各类构件的质量检验工作，确保检查合格后，按工艺进行下一环节安装；如果有材料需拼接时，提前拼接、焊接，达到要求后再进行组装。

4 当前建筑结构中钢结构存在的不足

稳定是建筑物的基本要求，也是社会公众关注的要素。根据相关调查显示，钢结构失稳问题成为导致当前建筑项目钢结构安全问题的主因。钢结构稳定性也会受到自身稳定性的影响，因此进一步加强对其的研究非常有必要，在这个基础上需要采取有效的措施进行设防。

(1)钢结构自身的原因。钢结构的纵向稳定会受到支撑系统的影响，例如钢结构钢柱之间存在一定的支撑力，其会受到风力、地震等方面的影响，从而直接影响到钢结构屋架上的负载力。而对于钢结构横向构造主要是确保其框架和排架刚度必须要达到标准要求，钢结构水平传递的负荷，如果钢结构自身不能达到平衡状态，就会直接影响到整体的稳定性。

(2)钢结构由杆件、板件组成，钢结构构件杆件的长细比及杆件的高厚比会直接影响到钢结构整体的稳定性。

除了钢结构失稳问题，钢结构的腐蚀问题也需要重点关注。钢材在抗腐蚀方面略显不足，当钢材处于湿度较大以及具有腐蚀性环境时，钢结构会出现锈蚀现象，并加速蔓延。建筑结构中钢结构一旦出现锈蚀现象，构件的承载能力便会被大大削弱，严重时甚至会威胁到整个建筑物的安全和稳定，造成安全事故。

5 建筑结构设计中钢结构的设计策略

5.1 钢结构加固设计

在进行钢结构加固设计的时候需要合理考虑荷载、钢结构承受力以及节点性质，需要在这个基础上不断调整钢结构附加杆件的承受力。另外，还需要同时扩大钢结构整体受力的极限值，充分考虑空间钢结构协同工作的性质，做好加固设计，使其能够进一步增加整体的刚度，进行标准化验算。如果有需要增加刚度，目前主要是增加支撑点和结构刚度，或者进一步调整结构的自振频率等，从而能够改善钢结构整体的刚度和承载能力，进一步提高整体的稳定性。在排架结构中重点加强某一列柱的刚度，确保钢结构整体的水平抗力达到要求，降低整体的负荷，增加整体的结构刚度。

5.2 构件设计及节点设计

为实现钢结构设计的优化，必须针对构件截面优化及验算，以缩减钢结构成本，对比较复杂的钢结构，需要做好各构件截面的验算工作，特别是做好节点模块的设计工作，这是钢结构设计工作的关键点。在这个过程中，需要进行等强设计及实际受力状况的分析。在设计过程中，其主要的板块包括焊接、梁腹板及翼缘等。节点施工过程中，需要做好现场焊接的施工及检查工作，做好螺栓的安装紧固工作，实现各项安装程序的协调，严格按照设计图展开施工。

5.3 钢结构腐蚀问题的探讨

钢结构的耐腐蚀问题是结构设计人员需要重点关注的。在设计钢结构时，设计人员要根据具体情况采用适宜的防腐蚀措施，增强钢结构的耐腐蚀能力。为了有效解决钢结构的腐蚀问题，可以在钢结构上涂抹具有防腐蚀能力的材料，给钢结构添加防腐蚀的防护层，增强钢结构的耐腐蚀能力。保护涂层具有良好的附着力，有利于解决钢结构的腐蚀问题。如今解决钢结构的腐蚀主要方式是涂装防锈漆，根据建筑工程的具体情况和施工要求进行，同时需要充分考虑防腐设计的保养以及维护方法，从而能够对涂装进行选择半永久性和永久性。

5.4 防火设计要点

对于建筑工程中的钢结构防火设计而言，必然要选择耐火性和防火等级较高材料。在当前的建筑工程中，关于钢结构的防火设计要严格根据施工项目的防火等级、防护种类的要求以及防火的具体情况作出针对性的防火设计和材料选择。尤其对防火材料的选择，要求选择较涂层厚并且粘结强度较大的材料，进而确保钢结构的整体防火指数和防火功能。而在钢结构的防火材料选择中，如果厚型的材料仍然不能达到防火标准，此时可以选择薄型的耐火材料，尤其要做好吊顶设计中的压板材料的防火处理和防锈处理。防火标准和防护等级是确定钢结构防火设计方案的两大依据，能够确保钢结构设计中对防火水平的提高。

钢结构设计要以稳定的对称布置为好，减少结构扭转，以上下贯通方式保证钢结构设计中的刚度连贯性和稳定性。L型或T型的钢结构设计是保证钢结构有效发挥作用的两种形式，钢结构最好位置是处于结构外围，这样能更好地增强建筑构造的抗扭曲和变形效果。

6 结束语

钢结构建筑施工时，施工人员要熟练掌握钢结构施工技术，施工管理人员要加强施工过程的质量管理，从而保证钢结构建筑的施工质量。在设计钢结构时，结构设计人员要熟悉钢结构的相关规范条文，将安全性和稳定性放在设计的首位，万万不能为了追求经济效益的最大化而降低对质量和安全的要求。钢结构具有优点也具有缺点，结构设计人员要充分考虑防止钢结构的屈曲，确保建筑结构的稳定性。