试析高层建筑钢结构设计方法

寇繁荣

中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，中国·陕西 西安 710054

1 引言

随着社会经济的迅速发展，城市人口逐渐增加，城市土地资源压力越来越大，促进了高层建筑的大量涌现。钢结构是一种新型的建筑结构，自身质量较轻，强度高，结构稳定性和强度较好，在高层建筑中发挥了极大的应用优势。而且使用钢结构进行施工，提升了高层建筑的施工效率，降低了施工成本，为建筑行业的持续发展提供动力支持。

2 高层建筑钢结构的特点

钢结构质量轻，强度高，稳定性好，弹塑性较好，而且施工环节简化，施工速度快，成本少，对自然环境的适应性强。钢结构主要是结合设计要求，在工厂预制构件，然后运送到施工现场进行安装，施工环节简化，能够对大型结构进行制作，并可以实现工业化生产[1]。此外，在钢结构制作过程中产生的边角料可以循环利用，减少污染排放，节约施工成本，强化环境保护力度。钢结构空间比较大，可以结合实际施工需求进行改造、扩张，便于移动。但是，钢结构具有一定的易脆性，且抗腐蚀能力不高，耐火效果差等缺陷，所以在对高层建筑钢结构进行设计时，要采取针对性的防护措施，提升钢结构设计质量。

3 高层建筑钢结构设计原则

3.1 方案设计

在对高层建筑钢结构进行设计时，要对多方面的因素进行综合性考量，如建筑物的使用功能、施工工艺性能、设计方案总体合理性等[2]。高层建筑的主要载荷来自风力和地震，因此在钢结构设计时，要注意减少侧移，避免发生扭转问题，增加建筑物的整体强度，减少薄弱环节。对建筑物的高度进行合理把握，提升其抗侧力结构体系的整体效能。

3.2 构件设计

要结合具体的施工要求，对构件结构形式实施创新，使用新型的连接方式，提升截面效能；保障结构力学计算的精准性，并实现专业技术与实践经验的联合应用，对计算结果实施科学判断、校核，尽量减少计算误差；要结合钢结构的实际使用情况，对构件截面、连接点承载力开展适时调整；优化结构外围环境设计，如果吊装设备能力较大，可以增加拼装结构规模，提升安装施工速度，控制施工成本，提升经济效益[3]。

3.3 先进的设计理念

在对钢结构进行设计时，要注意树立先进的设计理念，为建筑物的改进与优化预留空间，因此在高层建筑钢结构设计中，往往使用平面结构比较多，空间结构使用较少。

4 高层建筑钢结构设计实践

4.1 钢构件的焊接

由于钢构件的材料类型、材质等存在一定的差异性，因此在具体的焊接时，要结合具体情况灵活使用焊接工艺：①预处理环节，要对焊接工作之前的各项工作做好准备，为焊接工艺的应用奠定良好的基础；结合焊缝接头的不同，选择针对性的焊接方式；结合接头坡形的具体情况，并按照焊接技术的具体要求，对引弧板、引出板、背面衬板等进行保准性安装，以便对焊接工艺提供辅助；对焊接场地的具体环境进行考察和测量，并结合测量结果选择合适的预热处理工艺。②施焊工艺的应用。要结合具体的施工要求，对焊接电流大小、焊条直径大小进行合理选择，并对焊接相关工艺进行合理使用[4]。③完成焊接工艺之后，需要进行焊后处理，避免焊缝出现凹陷、气孔、裂缝等问题。此外可以利用超声波无损探伤技术对受力点实施全面检查。

4.2 钢构件的组装工艺

钢结构类型不同，要选择合适的组装工艺技术。①如果钢结构较为简单，体积较小的零部件，可以按照设计图纸的要求，在组装平台上弹出装配定位线，方便对不同零件进行组装，达到对不同组件进行装配的目的。②针对H型钢结构，要依据设计图纸的相关要求和数据，组装标准性的胎模，通常情况下基准面使用翼缘板进行制作，施工人员要使用腹板在另一面施加侧向推力，并保障推力的水平方向延伸，然后利用这两种板块的自重，使其全面固定在工作位置上。③针对箱形结构的组装，主要是按照设计图纸的要求，掌握精准数据，在相应位置弹出组装线，其弹线位置一般在结构主体的盖板、腹板、隔板面上。把盖板、侧腹板设置为基准面，并按照弹线对隔板、腹板进行安装[5]。在这一环节中，要对安装顺序和流程进行精准掌握，往往需要从一个方向出发对其实施安装，将腹板定位在中部隔板，然后对其对称位置实施定位焊接。

4.3 钢结构安装与检测

①在对钢结构进行安装之前，需要对其成品进行全面检测，确保其符合标准要求，才能进行安装施工。其中检测环节有对构件成品、工厂预组装等的检查。在具体的检查过程中，要严格按照国家相关要求，并依据行业标准进行规范性检测，而且在检查之前，工作人员要明确设计要求，并对钢结构的使用情况全面掌握。具体的检测内容有：尺寸大小、连接部位、变形量等。尤其是要对大型钢结构的安装精度进行全面检测，并按照国家相关文件要求对其实施规范性质量验收。

②钢构件的运输。一般情况下，钢结构的构件需要在工厂进行预制，然后运输到施工现场进行现场安装。在设计运输方案之前，要对钢构件的形状、重量、大小、运输条件、安装要求等进行全面了解，从而制定具有可行性和合理性的运输方案。其中主要的运输形式有：总体制造+单元运输、总体制造+总体运输、分段制造+分段运输等。在运输过程中，要加强加固防护措施，防止装卸车、运输、起吊过程中出现变形现象，影响其使用[6]。运输人员还需要对运输沿线的公路、桥梁等情况进行调查，以免运输过程中出现意外情况。

③施工测量。施工测量是钢结构安装施工的重要基础和前提，只有保障施工测量的精准性，才能确保整体安装质量，促进安装操作的有序开展。在测量过程中，要对设计图纸开展深入研究和分析，并对具体的数据、设计思路、设计意图等进行全面确认，多方审核，确保其合理性与可行性；对测点实施重复性校测，保障测量定位的精准性；对测量器具进行检测、校正和调整，确保其测量精度，避免引起较大的测量误差；制定合理可行的测量计划，并对各方面的数据进行全面收集、整理，为测量工作的开展提供数据依据；测量验线、测量放线环节的标准性。

④由于一些大型钢结构难以运输，往往会对其进行拆分，使其各个构件长度、大小、重量符合起吊设备、运输条件的要求，因此施工现场需要对钢构件进行二次拼装。

4.4 抗震工艺

高层建筑钢结构施工中，需要强化对抗震工艺的合理使用，提升高层建筑的抗震性能，强化整体建筑物的稳定性和可靠性。建筑抗震构造主要包含以下方面：

①柱脚施工工艺，主要有两种形式：埋入式柱脚，把钢柱预埋在混凝土基础梁中，利用柱脚底板、锚栓等，把钢柱上部的轴向力传递到柱脚，以此提升柱脚的抗弯性能，强化其抗剪强度，提升整体钢结构的弹性要求；外包式柱脚，把钢筋混凝土外包在钢柱表面，并通过柱脚底板、锚栓将其轴向力传递到柱脚基础上[7]。

②梁、柱连接节点，两者的连接方式主要是柱贯通方式；利用箱截面把两个互相垂直的梁刚性连接到柱上；利用工字型截面实现柱与梁的刚性连接；使用全焊接方式对悬臂梁段与柱进行连接。

4.5 防腐防火工艺

由于钢结构的防火防腐能力不好，一旦出现腐蚀、火灾问题，就会导致整体结构的垮塌。因此，可以在钢结构表面涂抹绝热材料，也可以涂抹吸热材料，一旦发生火灾可以把钢材与火进行有效隔离，提升钢材的耐火极限，增加钢结构的耐火性能。

5 结语

综上所述，钢结构在高层建筑中的有效应用，发挥了极大的优势作用，提升了施工速度，减少了施工成本，增加了结构强度。在具体的钢结构设计中，要结合施工要求，采取合理的设计方法，优化设计方案，提升钢结构的质量、强化施工安全性，有效克服钢结构设计的缺陷问题，促进高层建筑施工质量和施工效率的全面提升。