有关建筑工程中钢结构设计优化研究

张国灿

【摘要】随着社会的快速发展以及科技的不断进步，建筑结构也发生了显著的变化，高层建筑不断涌现，现代建筑结构要求也越来越高。本文通过对当前建筑工程钢结构设计存在的主要问题进行分析，并针对性的提出了钢结构设计优化策略。

【关键词】 建筑工程；结构设计；优化设计；钢结构

近些年来我国的综合实力有了明显的增强，在社会不断发展的过程中建筑行业得到了快速的发展，加之科学技术水平的不断提高，我国钢铁产业的钢材生产数量也在与日俱增。在这样的情况下，钢结构不仅仅在工业厂房的建设中得到了较为广泛的应用，同时也得到了建筑工程师们的青睐，使其广泛应用于房屋建筑结构设计中。但是通过实际的情况来看，钢结构虽然在房屋结构式设计中发挥了重要的作用，但是在工程建设中，对于钢结构的应用存在着很大的问题，要想充分发挥钢结构在房屋结构设计中的作用，这些问题亟需得到解决。

一、當前建筑工程结构设计中主要问题

1.1短肢剪力墙

目前，高层建筑结构设计当中的问题较多，一些看来很小的问题甚至会对建筑物形成致使的影响，更会严重损害建筑的结构。在众多问题当中，短肢剪力墙的设置不合理就是非常典型的一个，此设置存在的不合理在很多高层建筑结构设计当中普遍存在，设计人员通常都容易增设短肢剪力墙，这使得高层建筑的安全性与稳定性受到了一定的影响，高层建筑甚至会因为短肢剪力墙而降低抗震能力，使高层建筑建成后长期处于不安全环境当中，不利于长期使用。

1.2嵌固端

嵌固端同样是高层建筑结构设计的重要组成部分，嵌固端的设计通常分为下列几点：第一，设计人员选择嵌固端位置存在很多问题，特别是不少高层建筑的嵌固端都被设置在了人防顶板或者地下室，存在一定的安全问题，效果也难以实现。第二，嵌固端的上下层存在不合理的刚度比例设计。相对于合理的嵌固端设计来看，其上下层刚度比例是非常重要的一项指标，就这个指标而言，目前有很多高层建筑的嵌固端设计都存在计算失误问题。第三，另一个突出问题是嵌固端设计与抗震缝隙的处理上有着一定的冲突与矛盾，缺乏平稳性，导致高层建筑结构缺乏稳定性。

1.3超高

当前，高层建筑结构设计中普遍存在的问题就是所设计的建筑物超高。超高问题，指的是高层建筑单位未严格按照有关的标准与制度规定将高层建筑的高度过度增加。虽然建筑物的高度增加会使经济利润全面提升，但是超高问题确严重的影响着高层建筑的结构。特别对高层建筑的稳定性以及抗震能力都会带来不良的影响，若遭遇到强风或者地震等自然灾害会使高层建筑结构发生断裂、倒塌等情况，将会给住户的人身安全与财产安全造成严重的威胁。高层建筑结构设计涵盖的内容很多，须注意的重点性能也是全方面的，高层建筑存在的问题通常表现在结构的牢固性、抗震性、相应的应力处理等方面，高层建筑结构设计当中的设计位置计算的准确性对于建筑的整体结构也有着严重的影响，影响计算的准确性的因素是多方面的，像计算公式选择是否恰当、资料是否健全、过程是否存在失误等都会使计算结果出现一定的问题，并对整体的结构设计效果造成严重的影响。

二、建筑工程钢结构设计优化策略

2.1结构布置与选型

对于设有吊车的建筑，宜选用等截面焊接H型钢柱。确定钢柱与轴线定位关系时，应以最大限度减少钢牛腿外伸尺寸为原则。当钢柱截面较大或吊车吨位较大时，应注意收缩牛腿以上柱截高度，以免影响吊车正常运行。当建筑设有双层吊车时，上下层吊车顶面高差应满足空载的上吊车主钩与下层吊车顶面间最小安全距离。

1）柱距的确定，轻钢建筑一般取6-9m，有专门的研究表明：取7.5m最为经济。重钢建筑可取6-15m，值得注意的是，随着柱距增大，吊车梁截面尺寸及其单位用钢量会迅速增加。计算表明，当柱距<7.5m时，主刚架与吊车梁用钢量比约1：1；当柱距>12m时，这个比例接近1：2。因此，工艺允许情况下，应适当选择比较经济的柱距。柱距对屋次结构系统有直接影响，当柱距>9m时，屋面檩条的截面尺寸已超出常规范围，极不经济。如在两棍刚架之间设置支撑于钢托架上的屋次梁以减少檩条跨度，可明显降低屋面次结构的用钢量。

2）柱间支撑构件选型，支撑形式可选用十字或人字撑，杆件轴线与水平支面夹角应控制在35～55之间。对轻钢建筑，与屋面梁可靠连接的钢板内天沟及屋脊双擦可以作为刚性杆使用。支撑截面宜优先选用双拼角钢和圆钢管，不宜选槽钢。如下表所示：

以弱轴为控制方向2L90x56双拼角钢比[18轻型槽钢节省钢材21%。当采用圆钢做支撑时，宜使用花篮螺栓施加拉力，以确保圆钢处于张紧状态。避免同一结构单元出现不同的结构形式。这是新抗震规范明确要求的。过去常见的一些做法已被禁止。例如：以砖墙为外维护墙的轻钢建筑中，靠近山墙的轴线上不布置刚架，将端跨屋面檩条直接支撑在山墙上。正确的做法是：山墙仅作为自承重的围护结构，设置山墙刚架支撑檩条。

3）合理布置屋面梁拼接位置。屋面梁拼接点可选择在屋脊、梁柱连接节点、梁直线段与楔形段交接处及翼缘宽厚改变处。考虑到运输方便，一段梁长不要超过14m。另外，法兰拼接板外伸可能与屋面檩条布置冲突，因此宜事先考虑二者相互避让。

2.2构件连接节点及柱脚设计

1）门规CECS102—202给出三种梁柱节点连接方式：垂直面、水平和斜面拼接。可参照下表确定其适用性。当采用斜面拼接时，应注意梁柱外翼缘与拼接板间形成的锐角会缩小第一排高强螺栓安装空间，要根据放样调整孔位。

2）严格限制在梁柱翼缘上直接开孔栓接小构件，（如雨蓬梁与边柱连接）以避免构件截面削弱。改变连接方式是解决问题的有效途径。雨蓬梁可以通过焊接在柱上的短牛腿与柱连接。

3）锚栓埋人混凝土基础的最小长度应按照建筑基础设计规范GSB50007的规定计算。不要把这个埋人长度与混凝土规范中锚固长度混淆，它们是两个概念。当锚栓设有端锚板时，锚板外轮廓可能超出钢柱底板范围。钢结构设计要提醒土建设计注意：混凝土基础短柱截面尺寸不仅要大于钢柱柱脚尺寸B1还要大于相应的锚板外围尺寸B2为便于钢柱就位及精确校正，底板四角锚栓可设调整螺母并相应延长丝扣长度。灌浆层应使用专用灌浆料，不应以细石混凝土或高标号砂浆代替：

4）抗剪键可采用角钢、槽钢、工字钢等型钢，其设置方向应使强轴垂直于剪力方向。抗剪键长度取100-150mm以确保伸人混凝土柱顶抗剪槽内。不得利用灌浆层抗剪。

2.3屋面檩条优化设计

实际工程中，不合理的檩条构造设计常导致檩条整体扭曲失。例如：檩条与W90型屋面板的连接一般采用自攻钉连接于波峰位置，这种构造虽减少了屋面漏水的机会，但不能保证屋面板起到阻止檩条失稳的作用。采用带防水垫片的专用自攻钉将屋面板波谷与檩条直接连接，才能可靠地防止檩条失稳。为了释放温度应力，某些咬合式和暗扣式屋面板采用滑片和支架与檩条连接，这种构造因屋面板与檩条间有相对滑动，也不能保证屋面板起到阻止檩条失稳的作用，应引起注意。擦间拉条的设置同样需要考虑与檩条稳定计算相协调。其设置位置不能一成不变地取在距檩条上翼缘1/3腹板高处。当屋面板能控制住檩条上翼缘失稳时，拉条位置应取檩条下翼缘附近。极端情况下（屋面板不能控制住檩条上翼缘失稳，且檩条下翼缘在负风压下也可能失稳），宜设上下双层拉条。

结束语：

综上所述，我国城市化进程逐步开始并不断深入，社会对于房屋建筑的需求也逐渐凸显，建筑钢结构也因其自重轻、强度高、性能强、工业化程度较高且使用简便等特点而受到广泛关注与应用。在具体工程实践中，建筑钢结构设计仍存在许多未达到标准的方面，影响着建筑的安全稳定。需要我们从建筑钢结构设计出发，分析存在的问题，并找出相应的优化策略，以促进建筑工程钢结构设计的稳步发展。

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