浅谈建筑钢结构设计中面临的问题及改进对策

赵 虹

（济钢集团国际工程技术有限公司，山东 济南 250101）

由于在工程建设当中，钢结构本身所具备的强度高、塑性韧性好、制作简便、施工工期短、工业化生产程度高等特性，在欧美等国家得到了迅猛的发展，并且也取得了一定的成就。改革开放以来，中国的钢产量发展速度猛增，成为世界上的产钢大国，与之相适应，钢结构也得到了迅猛发展，钢结构在中国的工程建设中日益得到重视。同时，建筑钢结构在设计方面所存在的问题，也受到了越来越多业内人士的关注。

1 建筑钢结构工程设计的主要原则

1.1 经济性

进行建筑钢结构设计为的是服务钢结构的施工与正常的使用，其目的在于创造效益。所以，在钢结构设计中，在结构安全可靠的前提下，“钢结构经济性”就是一大重点。

在进行钢结构设计之时，需要全面的考察与分析钢结构体系的经济性，只有达到最佳化的综合效益，其钢结构体系方案才算合理。对于钢结构体系合理性的评价，不仅需要从耗钢量的指标入手，还需要对工期的长短以及总体造价进行全面的分析，当然，也包含了早日投入到使用当中所取得的效益。所以，在钢结构设计当中，除了对建筑材料供应情况进行考察之外，还需要对当地的制造与安装水平等方面做好系统的分析，并且与业主之间的交流也是不容忽视的一大环节。

1.2 刚柔并济

在建筑结构体系当中，根据实际情况来看，其合理性离不开刚柔并济。所以，一旦钢结构过于刚而缺少变形能力，在遭受强大的破坏力时，就很容易导致局部出现受损，最终影响到整体结构；如果钢结构过柔，虽然可以消减外力的作用，但是很容易出现过大的变形，最终导致建筑结构整体倾塌。一直以来，刚柔的程度都是专家讨论的重点环节，但是如今也仅仅对控制指标给出了规范限值，并未制定出精确的标准，这就需要设计人员针对具体工程项目以及工作经验确定出最佳化的钢结构设计方案。

2 建筑钢结构设计中面临的问题

2.1 设计深度不够

部分设计单位在进行钢结构设计中，结构方案设计不够合理，设计过于保守，用钢量过大，造价过高。存在节点设计构造不合理、制造不方便等设计缺陷，给施工带来了极大的困难，这些都是我们目前亟待解决的设计理念、设计水平、设计质量、设计人员素质等问题。

一些设计人员不考虑设计的科学性和合理性，盲目增加设计标准和安全等级。正是这种不科学的畏惧心理造成了钢结构构件过大、投资资金大量增加，使得工程投资加大并进一步提高了设计费，设计院得到实惠却不承担任何因工程浪费而造成的法律责任，可见这种设计体制已经不再适应市场经济。

2.2 防火、防腐蚀问题

钢材具有耐热不耐火的特点，一旦温度高于400℃，钢材的屈服强度只有室温下强度的一半，一旦温度超过了600℃，钢材的刚度以及强度就会全部的丧失。因此，对于钢结构建筑物来说，火灾是最大的危害，如果建筑物没有良好的防火措施，一旦遇到火灾，就容易损坏建筑。设计规定钢材表面温度超过150℃后即需加以隔热防护，对有防火要求者，更需按相应规定采取隔热保护措施。

钢材容易锈蚀，因此，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。钢材料如果长时间受到雨水、大风等自然力的影响，也会出现老化生锈的情况，这样也会降低本身的承载能力，影响其美观。在钢结构建筑设计中，做好钢结构的防腐蚀工作具有重要的经济和社会意义。为了减轻或防止钢结构的腐蚀，目前国内外基本采用涂装方法进行防护，应用最多的是采用防护层的方法防止金属腐蚀。常用的保护层有：金属保护层、化学保护层和非金属保护层。钢结构在涂装前应彻底除锈，除锈及涂层厚度均应符合要求。

2.3 物理问题

钢材具有良好的导热性，这是一个普遍的知识。想要室内室外的钢材料都拥有良好的保温效果，就需要考虑到：建筑物外围护结构表面吸收热量，通过建筑围护结构，将一部分热量传递到室内；通过窗户，进入到室内，通过室内表面的吸收，从而产生良好的热效果。另外，钢板对于声音也有反射作用。在音乐厅这一类建筑设计中，除了材料的考虑之外，还需要包含强度、吸声性能、吸湿性能等多个方面。当前，吸声结构和吸声材料是音质设计以及噪声控制当中最为有效的解决方式。

3 建筑钢结构设计的改进对策

3.1 钢结构的形式与布置

钢结构主要有框架、平面桁架、网架、索膜、轻钢以及塔桅等结构形式，都拥有自身的特点，所以，我们需要根据其特点进行合理的选型。

例如：在轻钢厂房的建设时，需要大量的移动荷载与悬挂荷载，所以，我们就可以尽量地选择网架结构，摒弃门式钢架。也就是说，在面对实际问题时，需要进行针对性分析。对于钢结构的布置，也需要考虑到其体系特征、性质以及荷载分布情况等，一般要求刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制大荷载或动载的影响范围，使其以最直接的路线传力。

3.2 合理的选择截面

在钢结构的形式与布置得以确定之后，就需要初步进行构件截面的估算。最主要的是对梁柱截面、支撑断面尺寸和形状的假定。

根据支座以及荷载的具体情况，钢梁截面高度一般选择在跨度的1/50～1/20之间。为了避免复杂的钢梁整体稳定性的计算，也可以根据梁间侧向支柱的间距按照1/b限值对于翼缘的宽度加以确定。根据长细比值，可以进行柱截面的预估，一般所选取的λ值在50～150之间。根据构件的受力情况，合理的选择安全、经济、美观的构件截面。

3.3 结构分析与构件设计

保证结构和构件的稳定性,是钢结构设计中必须予以充分注意的问题。梁是结构的主要构件, 在进行梁的设计时,一般要验算强度和稳定；柱主要受轴线力、压力，常常是压弯构件，有些情况是拉弯构件。

归于构件的设计，首先要进行材料的选择。一般来说，Q235和Q345是最常用的材料。如果考虑到工程管理，一般都会采用单一钢种在主结构上，如果考虑到经济角度，其截面组合就需要考虑到不同强度的钢材。

例如：在偏向于稳定控制时，可以选择Q235；在偏向于强度控制时，可以选择Q345。当前，由于程序技术的飞速发展，一些结构软件能够全面的进行整体结构的优化，我们不仅需要对优化后的截面做好调整使其达到合理的截面标准，还需要考虑到计算长度的参数定义，模型的建立等数据。

3.4 节点的设计

如果没有在结构分析前充分地考虑节点的形式，就容易出现结构分析模型中的节点与设计中的节点形式不完全相同形式。根据结构传力特点的不同，我们可以将节点分成为刚接、铰接和半刚接，这是需要我们特别注意的。在节点的选用时，对于节点的连接形式需要准确的进行判断，以求达到设计的合理与安全。节点设计还应考虑施工人员现场操作与吊装安装方便等现场问题。

4 结语

钢结构与普通钢筋混凝土结构相比，其匀质、高强、施工速度快、抗震性好和回收率高等优越性，以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。随着我国城市化进程的快速发展，建筑钢结构市场前景广阔。我们需要不断地提升钢结构的设计水平，保证设计质量，优先采用合理的钢结构体系，从而达到结构设计的安全性和工程造价的性价比，完善钢结构设计的标准与规范，提高钢结构在建筑领域更广泛的应用。

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