建筑钢结构工程设计的要求及其设计要点

高峰

（山西省建筑设计研究院有限公司，山西太原 030009）

0 引言

建筑建设当中钢结构是一种将钢材作为基础骨架结构，并由热轧钢和钢板组成。与原先的砖混结构相比较，其强度和韧性都非常大，尤其是其施工难度较低，因此被广泛应用在工业厂房、桥梁建设以及民用建筑当中。现阶段，城市高层建筑数量骤增，虽然能够有效缓解城市住房用地紧张的问题，但因为建筑本森承重较大，所以就给其基础承载能力提出一定要求。如果将钢结构应用其中，就能够降低基础承载要求，提高施工效率，同时降低成本造价。对此，重点对其设计要求和要点进行分析，具有极大的现实意义。

1 钢结构应用概述

1.1 应用现状

（1）逐渐实现大规模运用。因为这是一种新型的建筑技术，是在钢材质量及建设工艺都达到一定高度之后才可以开展的，所以最近几年才开始大规模流行。在其问世之后便获得广泛好评，逐步成为整个建筑领域最常使用的建筑结构。

（2）相应的建设技术还存在一定问题，但整体在积极改进。现阶段钢结构的建筑整体比例虽然在不断增长，但是最近几年的增长速率比较缓慢，这是因为这类结构其建设技术本身存在一些问题，导致钢结构构件技术性价比降低。对此当前相关的要求工作推进十分迅速，给后续高质量的应用夯实基础。

（3）创新意识较为缺乏。在一些企业当中为了降低成本投入，在设计的过程中往往无法做到因地制宜，基本都是通过生拉硬套的模式将其钢结构应用在建筑建设当中，进而使得其内部结构千篇一律，缺乏创新。更为严重的是，由于各地地理环境有所差异，如果钢结构出错就可能会引起应力集中问题，使得其受力变形，进而产生承重能力下降的问题。

1.2 应用优势

一方面，整体建设速度比较快，且整体承受能力强。这类结构混凝土的应用量比较少，不需要进行漫长等待凝结就能够持续施工。另外钢材是其结构的主要原料，然后使用铆钉等方式进行合理连接，因此整体建设速度也比较快。由于钢材本身重量较低，抵抗拉、压、扭等应力的能力比较强[1]。另一方面，整体质量较强，便于拆卸。在项目建设过程中，钢结构通常都是通过拼接多个钢材完成项目施工任务的，因此便能够实现有效拆卸，并达到反复使用的目的，提高应用率。

2 设计要求

2.1 选择钢材的要求

在设计过程中钢材选择往往具有一定难度，这是因为最近几年我国钢铁工业发展迅速，钢材种类变多，要从中选出最适合的材料是极为困难的；同时当前钢结构的建筑种类日渐增多，各类建筑对其结构的变形度、强度和疲劳应力的要求都不尽相同，所以这就给钢材选择提出一定要求。

2.2 判断钢结构适用性的要求

这类结构一般主要被应用在跨度和荷载较大且体型极为复杂的高层建筑当中，通常会要求其要能够承受较高温度和振动幅度，并且还要便于拆卸，所以实际设计时就应当对其进行深入分析，确保设计出来的内容可以完全满足要求。

2.3 受力体系及细部节点设计要求

在确定好设计方案后需要重点对其受力体系和细部节点实施详细计算和完善。对于其受力体系设计来说，当前基本都是使用杆系结构，这就要求钢材强度必须大，且保持较小的截面尺寸[2]。细部节点设计往往比较复杂，因此必须对其实施严格控制。

2.4 保温隔热和防火设计要求

钢结构其整体导热性都比较优良，当其处在不同温度环境下，塑性和抗拉强度都会产生一定变化，一般分为四个基本层次：①受热温度超过100℃；②受热温度在100～250℃；③受热温度在250～500℃；④受热温度超过500℃。在这四项温度区间当中其塑性和抗拉强度都会产生相应的变化，因此会给整个钢结构带来不同的影响。常见的防火方式包含设置防火门、防火墙、自动喷淋装置、防火带以及独立水幕等等。

2.5 伸缩缝设计要求

温度通常会使得钢结构工程产生形变，进而导致结构当中出现温度应力，所以这就必须设置专门的温度伸缩缝。常见的主要有两种：①横向温度缝；②纵向温度缝。在选择的时候需要依照建筑的实际情况确定[3]。

2.6 防腐设计要求

当前钢结构当中使用的钢材其主要组成部分包含氧化铁、铁、三氧化二铁、四氧化二铁和其他化合物，在这之中有些物质当暴露在空气中之后就会通过氧化还原产生质变。因此如果空气之中包含有腐蚀性介质或者整个钢构件完全处在潮湿的环境之下且没有对齐采取有效的防护措施，就会加剧锈蚀，甚至影响整个钢结构的性能。

3 设计要点

某一工程为高层钢结构的住宅楼，地下1 层，地上14 层，高度为45m。负一层是地下停车场，层高为4.5m；第一层为商铺，层高为3.8m；顶层是电梯机房。整体使用钢框架混凝土核心筒结构。

3.1 平面布置和地下室基础设计

对于该工程来说，其钢结构整体平面布置较为规整，核心筒完全处在中间，最大限度保证了充分的刚度。为了使首层核心筒抗剪承载力达到既定要求，降低扭转效应带来的作用，在首层上部斜杆支撑位置专门设置一道剪力墙，厚度大约在25cm。地下室以及基础设计都根据整个工程的基本特点开展，因为其项目本身的地质条件极为优越，因此浅基础持力层大约在室内地面以下2m 的地方，深基础土层埋深大约是室内地面以下8m。

3.2 构件设计

（1）楼面体系。对于该类结构楼板来说，通常可以直接使用两种楼盖，分别为压型钢板组合楼盖以及普通钢筋混凝土楼盖。在本工程当中直接使用10cm 和12cm 厚的钢筋混凝土，楼板使用钢梁以及抗剪栓钉进行连接，组成楼盖。给地下室直接使用钢筋混凝土楼板，大约为18cm 厚，框架梁使用钢骨同梁；次梁使用钢筋混凝土梁，屋面梁则是使用轧制H 型钢。

（2）钢管混凝土框架柱。由于本工程直接使用的钢框架混凝土核心筒结构，这就需要对钢管混凝土柱进行有效选择，它会给外围钢管带来良好的约束效果，并促使混凝土完全处在受压状态下。这样不但可以有效增强混凝土本身的抗压效果，还使其破坏特性具有良好塑性。混凝土在这之中有效展现钢材的强度，对于外围钢管局部屈曲产生一定限制。

图1 钢管混凝土框架现场施工

（3）钢骨混凝土剪力墙。在本次工程当中，每幢1～4 层的钢筋混凝土楼面钢梁和核心筒交接位置、核心筒四角必须设置混凝土柱。在构造要求下，其他楼层其钢梁和核心筒的交接位置则应当设置混凝土柱。

3.3 节点设计

（1）柱脚节点设计。直接给其钢管混凝土柱使用外包式柱脚，并保证外包钢筋混凝土的高度和地下室的高度完全保持一致。在抗剪栓钉的作用下把相应的钢管柱轴压力传递给外包钢筋混凝土，然后再通过在柱脚底板传递给基础底面。

（2）框架梁及柱节点设计。本次工程当中受力最大的就是框架梁和柱节点，所以这就需要直接给其使用带悬梁段的节点形式，同时确保其悬臂梁段的长度是梁高的两倍[4]。对于没有支撑次梁的框架梁翼缘则使用对接焊缝进行连接，对于框架梁以及柱节点位置、梁翼缘上下50cm 范围之中的焊缝都直接使用对接焊缝的形式。

（3）主次梁节点设计。在实际设计过程中直接通过铰接的形式进行连接。主梁与次梁其连接节点直接使用钢节点连接，主梁主次梁翼缘通过对接焊缝连接，同时给次梁上翼缘添加盖板，从而实现对拉应力的有效传递。

4 设计问题防范及有效处理

4.1 扭转问题

在实际设计过程中必须要确保建筑三心完全汇集在一点。结构设计过程中的扭转问题通常就是三心在设计时并未实现有效统一，导致结构在水平荷载的影响下而产生扭转振动的情况。

4.2 受力性能

在对这类结构进行设计的过程中，设计人员最先应该考虑的就是其受力性能，并非是直接盲目去确定具体结构。沉降缝两边单元层数不一致的时候，受高层的影响，低层往往会产生较大的倾斜度，所以在设计的过程中其沉降缝的宽度就可以通过单元缝宽的具体要求确定。

5 结语

总的来说，钢结构在我们国家的使用日渐增多，不仅有效减少资源损失和环境风险，还有效满足大众需求。在城市化建设逐步推进之下，高层建筑日渐增多，再加上钢结构本身跨度大、造价低、性能优良，因此应用日渐增多。为了最大限度保证应用安全性，就需要加强设计要求和要点的分析，注重钢材的合理选择、防火防腐设计、细部设计等，以此最大限度保证工程的长期应用安全。