现代钢结构设计要点探究

王益民 运城市建筑设计研究院

1 前言

伴随科学技术进步，新型技术设备逐渐被应用于工程建设中，促使钢结构取得明显发展成效，同时实现了部分大跨度与高难度钢结构工程项目，在更好服务社会经济与日常生活基础上，促使钢结构的设计取得明显成效。对于钢结构建筑来讲，因其呈现质量轻与施工快等特征，使钢结构建筑具有较强适应性，根据多年工作经验发现，钢结构建筑设计仍然存在不同问题，需要进行深入研究，同时正确掌握其设计要点，以便于提高整体设计质量。

2 现代钢结构特点

2.1 预工程化高、成本低

对于钢结构建筑来讲，实现模数协调标准可以促进建筑顺利建设，确保建筑具有预工程化特点，保证不同材料和形状建筑构件均具备较强通用性，以便于实现预工程化材料加工、安装的一体化，从而减少建设成本，同时促进工程顺利施工。与此同时，此种建筑工期可以缩短至40%以上，有利于房地产的开放商资金周转，确保建筑项目更快投入使用。例如：长沙远大集团15天建成30层高楼。

2.2 符合超高度与超跨度需求

因为钢材组织比较均匀，强度较高，存在较高弹性模量，密度和强度比值低于砖石与混凝土等特点，在相同受力作用下，钢结构的自重小，可以作为跨度较大、高度高结构[1]。目前，此类建筑已经成为比较标志建筑，例如：20世纪70年代建成的上海体育馆，圆形平面，直径110m，钢平板网架结构。我国目前以钢索及膜材做成的结构最大跨度已达到320m。

2.3 原材料的循环使用

其一，钢结构建筑选择全封闭式的保温防潮系统，因温度变化较小与热损失低，无论冬夏，可以保证居住环境的舒适性。当室外温度达到0℃，室内仍然维持17℃以上；如果室外温度为30℃，室内温度仍然维持21℃左右。其二，和砖混结构建筑比较，钢结构建筑的节能效果理想，约超过60%，对于冬夏季的空调设备使用，可以节约耗电超过30%，对于结构废旧使用率达到100%。和砖混结构对比，相同楼层净高标准下，对于钢结构的维护墙体较小，可以节约空调能源，降低维护费用。

3 现代钢结构设计原则

在钢结构的设计过程，稳定性属于比较突出问题，对于不同类型钢结构建筑设计，均会面临不同程度稳定问题，是设计工作中比较急需解决问题，如果发生钢结构失稳事故，除了会发生严重经济损失之外，还会造成人员伤亡，相关案例较多。现阶段，总结钢结构失稳事故发现，其主要是因为设计人员经验不足造成，未掌握结构和构件稳定性，缺少结构稳定性正确了解，均会导致结构设计出现薄弱部位[2]。对此，整个设计过程，需要确定钢结构的稳定性理念，以便于解决其设计问题，总结其设计原则主要包括以下几点：第一，结构布置应该考虑其整体性与稳定性。结构主要是根据平面体系设计，例如：框架和桁架，避免平面结构发生平面失衡情况，以结构整体考虑，需要设置支撑构件，换而言之，计算结构构件稳定性，需要与结构布置维持一致。第二，细部构造与构件稳定计算应该相互配合进行，保证两者一致性。对于结构计算、构造设计，通常属于结构设计比较关注话题。对于不传递、传递弯矩节点连接，需要其具有较强刚度、柔度，对于桁架节点需要尽可能避免杆件偏心，均属于设计人员加强构造细部考虑内容，然而，考虑稳定性能，构造上通常会提出不同强度需求，如简支梁的抗弯强度，对于不动铰支座，阻止位移属于其基本要求，但允许平面转动[3]。

4 现代钢结构设计要点

4.1 科学选择钢材

根据国内规范要求可知，对于钢结构设计方案，需要确定标注钢材和焊缝质量。我国目前钢结构的设计，在焊缝质量等级要求不具有明确性，一些项目甚至未完全提及。通常情况，钢结构建筑对于钢材使用，需要符合抗拉强度等相关施工特征，对于抗震要求偏高的建筑设计项目，钢板厚度通常会超过40mm，在对此类钢结构建筑进行设计时，焊接连接属于基本钢结构的连接方法，其焊接质量情况会对结构安全性造成直接影响，应该严格按照结构和构件重要性等进行，明确焊缝质量等级[4]。

4.2 合理结构选择

对于钢结构的设计需要强调“概念设计”，结构选项和布置阶段极其重要。针对无法精准分析、规范未确定问题，需要按照整体结构和分体系间力学关系，考虑震害与试验现象等设计理念，以全局角度明确控制结构布置，以实现细部科学构造。基于此，早期迅速和有效构思，对于获取结构方案比较容易计算，明确力学行为，预防结构分析过于繁琐，同时也是判断输出数据是否可靠性的重要保障。在结构选型方面，需要考虑结构形式特点，如果建筑屋面覆盖存在较大跨度，对于悬索、索膜结构选取需要考虑构件受拉力。在钢结构高层建筑设计时，往往选取钢混凝土结构进行；对于地震烈度较高、不规则高层，严禁单纯考虑经济忽视抗震力等。

4.3 加强结构布置

在现代钢结构建筑设计中，结构布置属于比较难的内容，需要考虑其大小问题与均匀问题，即柱子主要方向为朝向，明确支撑与剪力墙的设置等。如果未分析结构的布置情况，无法发挥结构抗力，传力途径缺少合理性，均会影响其整体经济性。在初算后，对于结构柱子的主方向和支撑等需要相应调整，尽可能考虑结构变形图与主振型图，但在实际设计中，对于结构布置和建筑使用，通常存在冲突情况，需要调整结构布置，在符合使用功能集成上，保证结构布置的科学性。

4.4 精准计算结构

在梁、柱截面选择时，应该分析构造要求，严禁仅考虑钢指标，需要选择梁与柱截面的高度增加、厚度变薄相关措施，此种做法会出现负面效应。目前，在进行结构分析时，通常会忽视结构自振周期，部分结构层间位移和顶点位移均符合规范要求，然而，自振周期偏长，会影响建筑抗震。如果建筑物面临低频地震波，对于此种建筑影响偏大，需要根据要求严格控制梁、柱变形。若梁跨度偏大，关于梁的变形验算应该分析相对变形、绝对变形等[5]。

4.5 做好节点设计

钢结构建筑节点设计时，不仅需要确保节点强度与延性，而且还应该考虑节点构造的简洁性，以促进工程顺利施工。在节点设计时，明确螺栓数目，对于翼缘连接的焊缝厚度较为直观。

在梁、柱钢性设计中，需要特别注意：（1）严禁过薄、过厚，如果较厚很难发挥节点耗能作用；过薄会导致框架发生较大侧向位移。（2）在梁腹板和柱方面选择螺栓进行连接，需要控制螺栓排数，即严禁低于两排。（3）对于梁上翼缘应该进行楼板加强，在维持良好施焊条件同时，如果震害较少无需进行特殊处理，对于梁下翼缘焊接衬板进行焊接，或者选择割除衬板，再清根补焊，全面消除其焊接衬板缺口效应。在钢结构的柱脚部位存在外露板式与埋入式等，其中埋入式具有较为理想抗震能力，对于强地震区需要做到优先考虑。在钢结构的连接时，如果发生破坏，主要是因为焊缝质量差导致，应该强化施工质量监管，确保工程建设质量得到提升。

5 结束语

在城市经济发展下，建筑施工项目持续增多，使钢结构快速发展，钢结构建筑逐渐成为绿色环保型建筑，逐渐成为重点建设项目。伴随人们生活水平提升，钢结构设计要求不断提升，因此，促进新型与轻质建材应用，可以保证建筑结构的安全设计，考虑其经济、可靠性显得极其重要，要求工程师不断提升自身创新能力，以实现绿色与优秀钢结构建设。