建筑结构的选择与设计

姚淑梅

（大庆建筑安装集团有限责任公司，黑龙江，大庆，163000）

建筑结构的选择与设计

姚淑梅

（大庆建筑安装集团有限责任公司，黑龙江，大庆，163000）

文章指出了建筑钢结构的优点，针对建筑钢结构的特点提出了设计思路。

建筑；钢结构；特点；设计

一、为什么选择建筑钢结构

一般来说，材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比，钢结构有如下一些特点。

1、材质均匀，与力学计算的假定比较符合钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波动的范围小。

2、材料的强度高，塑性和韧性好钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。

3、钢结构的重量轻钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3至1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，如建造在交通不便的山区和边远地区的工程，重量轻也是一个重要的有利条件。

4、钢结构制造简便，施工周期短钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼装，可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。

当然任何一种材料都不是十全十美的，钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺，在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用，并取得了良好的效果。钢材长期经受100℃辐射热时，强度没有多大变化，具有一定的耐热性能，但温度达150℃以上时，就须用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。

二、建筑钢结构的特点

钢结构住宅与传统结构相比，在使用功能、设计、施工以及综合经济方面具有优势，主要体现在以下方面。

1、设计制造周期短，设计生产一体化现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件，使得设计周期大大缩短，设计中的修改和调整非常方便。同时，由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点，可以将前期设计和现业的生产手段相结合，通过网络计算机和数控机床结合，使设计人员在工作室中完成设计后，即由工厂的生产线完成产品制作，具有极高的效率和精确度，可以大大减少项目建设周期。

2、承载强度高，抗震性能优越相同的荷载，钢结构截面最小，相同的截面，钢结构承载力最大。在抗震设防区，钢筋砼结构有许多不足之处，而钢结构重量轻，六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量，因此，本身所受的地震作用小；而且，钢材具有高延性，有较好的耗能能力，因此，抗震性能好，结构安全度高。

3、能够合理布置功能区间。在居住建筑中，建筑师和居民一直希望能够有大跨的无竖向结构的空间，这样，可以根据需求进行灵活隔断，使室内布置呈多样化。传统住宅由于所用材料的性质，限制了空间布置的自由。

4、综合造价低钢结构承载力高，可以实现结构的大开间布置，构件截面小，与砼结构和砖混结构相比，自重比较轻，地基的处理比较容易，可以采用天然基础型式。由于基础在工程造价中占有比重比较大，上部结构重量轻可以降低基础的造价，从而减少整个项目的投资。钢结构施工机械化高的特点，从另一方面减少了人工费用和模板等其它辅助材料费用。

5、施工方面优势突出现浇砼需要连续施工，在我国北方地区受到施工季节的影响。钢结构的大部分构件在工厂生产，运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装，可全天候作业。施工现场作业量小，减少了施工临时用地，与传统建筑材料相比，对周围环境污染小，提高了施工的机械化水平。

三、建筑钢结构的设计

1、判断结构是否适合用钢结构。钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。

2、结构选型与结构布置。在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要.对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。

3、预估截面。结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。

钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20～1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

柱截面按长细比预估，通常50<λ<150，简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等。

4、结构分析。目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能，这为更精确的分析结构提供了条件。

5、节点设计。连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定，常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免.按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。

6、构件设计。构件的设计首先是材料的选择。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面，这和结构内力计算的弹性方法并不匹配，当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。

7、图纸编制钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。

设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。

TU385

1674-3954（2011）03-0214-01