关于钢结构设计探讨

童公明

厦门晋博建筑科技有限公司（361000）

关于钢结构设计探讨

童公明

厦门晋博建筑科技有限公司（361000）

结合钢结构的优势和特点，根据实际工程实例，详细分析了钢结构在该大型建筑中的应用，提出钢结构系统的各部分设计要点，旨在能为类似大型建筑结构设计提供参考借鉴。

建筑工程；钢结构；结构设计

钢结构因其强度高、自重轻、塑性与韧性好、施工速度快、环保效果好、设计灵活、满足大跨度设计需求等一系列特有的优势，已成为建筑业经常使用的设计方式。在实际工程建设中，钢结构建筑的确显示了其不可替代的作用,方便了人们的生产生活,并创造了可观的经济效益，因此必须重视钢结构建筑的建设，推动钢结构建筑的发展。

1 工程概况

某大型商业建筑分A1、A2、A3区块。A1、A2区块地面上部为5层商场，下设2层地下室，为设备用房和停车库，设置6个核6级平战结合人防单元。A3区块地上部由1幢5层商场和4幢20层科研办公楼组成，地下2层，为设备机房及汽车库。本工程抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第1组，地震加速度值为0.05 g。

这里以A1、A2区块为例,对钢结构体系在大型商业建筑中的应用及优势作探讨。

2 结构选型

2.1 上部结构

A1、A2区块地面上部为大型商业楼，规划限高24 m，根据商业业态的使用要求，室内净高必须达3.8 m，柱跨度主要为9 m×9 m。该工程如采用常规钢筋混凝土结构，扣除梁高、设备管线高度后，要满足净高3.8 m的要求则只能建造4层。若设计中钢筋混凝土梁采用预应力技术,虽可适当减小梁高,但建造5层仍比较勉强，而且这种方案对施工技术要求相对较高，施工周期也长。为满足使用要求，设计中经与开发商沟通后,在A1、A2区块的建筑决定采用钢结构体系。采用钢结构后，梁高大大减小，建5层也可满足净高3.8 m的要求。钢结构以热SLH型钢作为框架梁及次梁,框架柱采用方钢管混凝土柱。楼面板采用自承式钢桁架混凝土楼板。围护结构采用烧结页岩砖及干挂石材。A1、A2区块上部结构各层通过3个连廊连接，连廊自成结构体系，与主体结构之间以伸缩缝脱开，以消除结构由于温度变化引起的伸缩变形影响。

2.2 地下室

地下室设为2层，A1、A2区块地下室连成整体。为尽量减少该工程的挖土方量，减小整体所受的浮力，降低造价，该工程采用了无梁楼盖设计体系。本地下室为超长超大地下室，平面尺寸约317.8 m×144 m。为了使用方便，地下室采取无缝设计，并在设计时针对无缝情况采用了相应措施以消除温度及混凝土收缩的不利影响,控制工程裂缝的产生。采取的主要措施有设置施工后浇带、计算温度应力、调整侧墙及顶底板配、调整混凝土级配、在混凝土中掺加微膨胀剂及抗裂纤维、加强施工养护等。

2.3 基础

根据A1、A2区块的基础结构工程特点及场地的实际情况，采用钻孔灌注钻桩，桩兼作抗拔及承压作用，桩长约为35 m，以中风化粉砂岩为桩端持力层。

3 钢结构体系设计

3.1 框架结构设计原则及平面布置

根据我国现行抗震设计规范[1]和钢结构设计规范[2]的要求，钢结构框架结构应遵循强柱弱梁，强节点弱构件的设计原则。本工程框架梁及次梁采用热轧H型钢,框架梁主要采用Q345BH450×200×8×14型钢,次梁主要采用Q345BH450×110/150×8×8。为有效节约钢材，减少柱截面尺寸，降低造价，提高耐火性能，框架柱采用方钢管混凝土柱。其中钢管柱主要采用Q345BH550×550×14钢管，混凝土采用C40高强混凝土。平面布置时为避免因单向布置次梁而形成纵向或横向承重结构体系，次梁隔一柱网垂直布置，使得框架结构尽量形成双向承重结构体系，并使双向钢框架梁受力均衡。

3.2 连接方式

框架结构中框架梁与方钢管柱之间采用钢性连接。一般可采用3种连接方式:螺栓连接、焊接和栓焊混合连接。为保证节点连接强度和施工质量。本工程采用螺栓连接，见图1。框架主梁和次梁之间采用铰接，见图2。

图1 螺栓连接

图2 铰接

3.3 楼板结构

楼板结构由钢梁和楼面板组合而成，必须保证楼板结构有足够的强度、刚度和整体稳定性。钢梁和楼面板紧密联系、共同作用。本工程采用自承式压型钢板——钢筋桁架现浇混凝土组合楼板，板厚100 mm。压型钢板采用0.5 mm厚镀锌钢板，钢筋桁架中上下弦采用冷轧钢筋CRB550级，腹板钢筋采用冷轧光圆钢筋550级，楼板混凝土采用C40。压型钢板通过栓钉固定在钢梁上。

3.4 围护结构

根据钢结构的受力特点，围护墙体应尽量减小自重，满足围护结构本身强度高、保温隔热性能好、安装方便可靠以及耐久性、经济性好等要求。本工程室内隔墙采用加气混凝土砌块，外墙因为有干挂石材的要求，采用烧结页岩空心砌块。

4 钢结构体系的优点

与大型商业建筑中使用传统钢筋混凝土结构相比，钢结构体系具有明显的技术、经济和使用方面的综合效益。

4.1 保证建筑物室内净高要求，提高土地利用率

由于钢材在强度方面具有钢筋混凝土无法相比的优势，梁柱构件尺寸明显小于钢筋混凝土的梁柱尺寸，这使得商场空间利用率大大提高。例如，该工程商业部分规划限高24 m，使用要求净高不小于3.8 m，如果采用普通钢筋混凝土结构，只能建造4层，使用钢结构由于梁高降低后，能建5层，有效地提高了土地使用效益，也提高了开发商的综合经济效益。钢柱截面采用550×550的方钢管混凝土柱，相比普通钢筋混凝土结构采用700×700的方柱，也增加了实际使用面积。

4.2 提高结构抗震性能

钢结构材料由于具有较高的强度、良好的延性和自重较轻等特点，所以钢结构具有较长的自振周期、良好的抗震性能。大型商业建筑作为人员密集场所，抗震分类等级及抗震构造要求较高，使用钢结构后有效地提高了地震发生时的安全储备。

4.3 自重轻，施工便捷，综合效益佳

钢材结构与钢筋混凝土结构比，强度高、自重轻，同时由于采用了轻质墙体材料，降低了建筑物的层高,所以大幅度降低了建筑物的总体重量，使得工程的基础造价大幅度地降低。又由于施工不受气候、季节等因素影响，可进行工厂化加工安装，保证了施工质量。施工时可进行立体交叉作业，无需支模，极大地提高了劳动生产率，缩短了施工周期，节约了大量的人工费用，产生较高的综合经济效益。

4.4 设备管线布置灵活方便

一般钢结构楼面钢梁为H型钢，在满足构件受力要求的前提下，允许在腹板上穿孔，为设备管线的合理布置提供了非常便利的条件。该工程大量设备管线就是通过腹板穿洞布置的。

4.5 绿色环保，符合可持续发展要求

钢结构在施工安装时可减少对环境的影响、污染，在建筑物拆除时可减少建筑垃圾，材料可以回收再利用，因此，使用钢结构符合绿色环保、可持续发展的要求。

5 结语

针对大型商业建筑跨度较大、净高要求较高、人流较密集等特点，钢结构以其自重轻、抗震性能好、构件截面小、有效提高建筑物净高和有效使用面积、设备管线布置灵活、施工周期快、质量好以及绿色环保等特点，具有明显的经济和社会效益，具有很好的推广应用价值。

[1]GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[2]GB 50017-2003,铜结构设计规范[S].