浅谈建筑钢结构的特点及其设计要点

陈春红

中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司



浅谈建筑钢结构的特点及其设计要点

陈春红

中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司

近年来建筑钢结构的应用范围越来越广泛，不仅仅局限于轻钢结构和大跨结构，更多的应用于高层建筑中，钢结构与混凝土结构相比，其有自重轻、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的优点，因此对建筑钢结构进行分析具有重要意义。基于此，本文阐述了建筑钢结构的特点，对建筑钢结构的设计原则及其设计要点进行了论述分析。

建筑钢结构；特点；设计原则；设计要点

一、建筑钢结构的特点

建筑钢结构的特点主要体现在：（1）建筑结构的设计与功能一体化。在建筑钢结构中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体，构件，节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。建筑结构的设计与功能只有做到一体化，才能使建筑更富有功能化，以便在随后的各个设计环节中进行下去，创造出技术与艺术融为一体的建筑钢结构。（2）建设成本降低，工期短。建筑钢结构模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产，提高了建筑预工程化，使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性。同时建筑钢结构的预工程化使材料加工和安装一体化，大大降低了建设成本；并且加快了施工速度，使工期能够缩短40%以上，从而加快了房地产开发商的资金周转速度，使建筑能更早投入使用。（3）建筑钢结构能够满足超高度和超跨度的要求。钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，强度高，弹性模量亦高。其密度与强度的比值远小于砖石，混凝土，木材，在同样受力情况下钢结构自重小，从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构形体。现在人类已具有建造跨度超过1000米的超大穹顶与高度超过1000米最高至4000米的超高层建筑的能力。并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求，使这类型建筑成为标志性建筑。

二、建筑钢结构的设计原则

结合笔者工作经验，认为建筑钢结构的设计原则主要有：（1）梁柱体系原则。建筑钢结构的平面一般利用梁柱普通体系。梁使用热轧焊接钢梁，焊接柱为箱型钢柱，设计整个结构为刚性框架结构，由梁、板和柱承担竖向荷载。框架中的梁和柱、柱和基础全部按照刚性进行设计连接，现场利用高强螺栓与焊接共同发挥连接作用。（2）抗剪设计原则。建筑钢结构的计算分析表明，在整体水平荷载与地震力发挥作用下，上述局部结构体系的刚度比较弱，因此需要利用布置中心很好的抵抗水平上的荷载。钢框架剪力墙结构系统中间部分的楼梯和电梯之间利用钢筋混凝土剪力墙，以便能够很好的抵抗水平外力造成的冲击。（3）楼盖体系原则。建筑钢结构的各层楼盖通常使用钢筋混凝土，按照结构计算楼盖厚度为110mm，在计算结构中，该楼盖具有足够的厚度，符合无限刚性的平面假定。

三、建筑钢结构的设计要点

1 、建筑钢结构的保温隔热与防火设计。建筑钢结构的导热性能特别好，当它处于不同温度的环境下，钢结构的抗拉强度和塑性都会有所变化，大致分为四个层次：一是受热温度在100℃以上；二是受热温度在100～250℃之间；三是受热温度在250～500℃之间；四是受热温度在500℃以上，并且在这四个温度区间钢结构的抗拉强度和塑性会发生不同的变化，随之对钢结构产生不同程度的影响。其中当钢结构所处温度在第二到第四区间时钢结构会分别出现蓝脆现象、徐变现象、钢材节后塌落。由此可见，当钢结构所处环境的温度超过100℃时就必须对其作出相应的隔热保护措施，以增强钢材的抗热性能，避免钢结构受热发生变化。钢结构的防火通常有以下几种方法：设置防火墙、防火门；设置自动喷水灭火系统；独立水幕；设置防火带。其中设置防火墙是最简单有效且造价低廉的方法。一般在建筑高度不超过8m或者只需分两个分区的情况下，可设置自动喷水系统，使防火面积范围增加一倍，以此达到规范要求。

2 、建筑钢结构的温度伸缩缝设计。建筑钢结构设计过程中的温度会引起建筑钢结构发生形变，使结构产生温度应力，因此需要设置温度伸缩缝。温度伸缩缝的设置有两种：一种是横向设置温度缝，另一种是纵向设置温度缝，选择哪一种设置则根据具体建筑设计情况而定。温度缝的设置就把建筑分为了若干个温度区段，钢结构设计规范则决定了每个温度区段的长度。其中处理温度伸缩缝的方法又有两种即双柱设置法和单柱设置法，一般选择前者来处理。倘若设置的是纵向温度伸缩缝，可在屋架支座处设置一个滚动支座，倘若设置的是横向温度伸缩缝，则可在框架梁与檩条连接处采用槽钢夹板滑动方式或者椭圆孔滑动方式。

3 、建筑钢结构的立面设计。传统的钢筋混凝土结构建筑由于其屋面设置采光效果不理想，在设计时通常设计大量的采光窗，而大量的采光窗会破坏墙面的线条造型，建筑钢结构则不会受此困扰。轻钢结构屋面则大量使用屋面采光板，不仅采光均匀，而且不会破坏墙面的线条造型，既适用又美观，目前非常适合联合型建筑，顺便也解决了建筑的通风问题。建筑钢结构的立面设计主要由工艺布置来决定的，立面要求简洁恢弘，同时简单统一突出重点。设计师们往往为了突出建筑结构的重点，会在建筑入口、外天沟或者收边泛水的地方使用跳跃性色彩和冷色调，起到画龙点睛的作用，勾勒出建筑钢结构体态轻盈、色彩丰富，给人耳目一新的感觉。

4 、建筑钢结构的防腐设计。建筑钢结构中的钢材主要组成部分是铁、氧化铁、四氧化三铁、三氧化二铁以及其他化合物，其中有些物质暴露在空气中时就会被空气氧化还原发生质变，即称腐蚀。所以，当空气中有腐蚀性介质或者钢构件处在潮湿的环境下而未对钢结构作出相应的保护措施时，建筑钢结构的锈蚀就会愈加明显。钢结构锈蚀轻微时会使钢材发生形变，比如使钢构件截面厚度发生变化，或者在构件表层形成锈坑层等，严重时甚至使钢构件结构发生大的形变，因此建筑钢结构设计时需要加强结构腐蚀设计。

结束语

随着城市化建设的快速推进，促进了建筑业的快速发展，并且高层及大型建筑越来越多，使得钢结构的应用越来越普遍。钢结构具有空间跨度大、造价低、结构性能突出、安装便利等优势，为了保障建筑钢结构的安全，必须加强对其进行分析。

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