建筑钢结构工程设计及其注意事项

阿俊花

宁夏南林建设集团有限公司

建筑钢结构工程设计及其注意事项

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近年来，钢结构在建筑工程中的应用越来越广泛，并且取得了非常不错的应用效果。不过在实际的应用过程中，也有因为钢结构工程的设计工作做得不到位，导致钢结构建筑出来稳定性不足的问题，这严重影响到了使用者的生命财产安全。为了确保建筑钢结构工程的建设具有更高的质量，需要在进行钢结构工程设计的时候，严格地按照相应的规范和标准进行设计，并做好相应的设计要点工作，从而为使用者提供更加安全、可靠的钢结构建筑。基于此，文章主要对建筑钢结构工程设计及其注意事项进行了研究和分析，以期对相关人士能够有所帮助。

建筑工程；钢结构；设计；注意事项

当前，我国钢材的年产居世界首位，钢结构应用发展很快。钢产量的增长为发展我国建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。目前，与发达国家相比我国在许多方面还存在着明显的差距。21世纪是钢结构快速发展时期，长期以来由混凝土结构、砌体结构一统天下的格局势必被打破，钢结构的设计应用也会越来越多。因此，对于工程设计人员而言，研究钢结构的设计思路和原理，对于完善专业知识结构、提高工程设计水平有十分重要的意义。

1、钢结构的适用条件

判断结构是否适合用钢结构，主要是钢结构和钢筋混凝土结构之间的选择。国内与国外相比，如日本等发达国家，钢结构建筑要占整个建筑的50%以上，而我国只占5%还不到；对于钢结构与混凝土结构的造价问题，应有一个全面、综合的认识，不能笼统地认为钢结构造价比混凝土贵，从而排斥于比较方案之外。事实上，结构造价只占工程造价的30%左右。而结构造价又分上部结构和基础造价，上部结构造价仅占基础造价的50%～70%。而钢结构只是指工程的上部结构，在工程总投资中仅占10%还不到，对于高层和大跨度结构，钢结构与采用混凝土结构间的差价所占工程总投资的比例将更小，一般不到工程总投资的4%。如果再考虑到采用钢结构因其自重轻、建筑有效使用面积大、施工速度快及抗震性能好等诸多优点，钢结构特别适用于重型工业厂房的承重骨架和吊车梁、大跨度建筑的屋盖结构、大跨度桥梁、多层和高层建筑的骨架、塔桅结构、容器和大直径管道等壳体结构、移动式结构、轻型结构以及在地震区抗震要求较高的工程结构。

2、钢结构自身优点

2.1 钢结构的塑性及韧性较好

钢结构在一般的情况下，不会出现因为超载而导致断裂的现象，钢材自身能够把峰值应力进行重新分配，并没有且能够使应力变化幅度逐渐趋于平缓。这一切都源自于钢材自身良好的塑性以及韧性。因此，钢结构对于载荷适应能力比较强，在地震的作用下，通过结构自身弹性形变以及塑性形变，能够在一定程度上吸收地震所带来的能量，从而达到提升钢结构抗震性的目的。从以往的地震灾害调查表中可以有效得知，全钢结构的建筑在地震中受到的损害个其它材料结构的建筑进行相比，损害明显最低。

2.2 钢材的质地比较均匀

钢材料因为其材料自身的性能和在力学计算方面具有的假定十分符合，与此同时，钢材内部的组织结构接近各项的同性，钢材质地其自身的波动范围比较小，在建筑用材中，属于理想的弹性材料，并且在一定的受力幅度范围内，其属于有着完全弹性的材料，工程力学计算结果和实际的受力状态也比较符合，因此具有优势。

2.3 在高层建筑中钢结构应用的造价比较低

钢结构与传统的砖混或混凝土建筑相比，其总体的成本造价比较低，还有这种结构自身的重量通常都比较轻，所以，装卸和运输的费用相对来说也比较低，在一定程度上，也降低来工程的总体材料使用量。与此同时，使用钢结构的建筑工程，工程建设周期也得到有效的缩短，从中衍生出的其他各项间接费用同样也能得到控制。由此可见，钢结构的建筑，在高层的建筑中属于造价比较低的一种。

2.4 钢结构建筑需要的施工周期比较短

钢结构在进行建筑施工的过程中，受到季节、环境变化的影响比较小。其原因在于钢结构大多都是在工厂就能直接完成生产，只需要把构建运送至施工现场进行组装就可以，这要比传统的建筑施工程序快很多，并且对环境造成的污染也是最低的。与此同时，钢材料在施工的过程中，主要依靠机械进行操作，不需要有很大的施工场地，因此，施工速度也比较快，这对于那些对于工期要求比较高的建筑来讲，具有十分明显的优势，同时，由于大量的机械操作代替了传统人工与运输，从而有效缩减了经费开支，提高了经济效益。

3、钢结构的设计思路

3.1 结构体系的选择

钢结构体系的选择归根结底就是对钢结构抗震体系的选择。它包括对建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素综合分析，与建筑、水、暖、电等专业的充分协商，必要时还应进行多方案比较。一般来说，钢结构体系应受力明确，传力简捷；在满足功能使用的前提下，力求平面和竖向规则；应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力，应具备必要的抗震能力，良好的变形能力和消能能力；对可能出现薄弱层的部位，应采取措施提高抗震能力。在具体钢结构工程中，结构工程师应合理控制尺寸，避免局部失稳或整个构件失稳；要特别注意钢结构部分和钢筋混凝土的连接处，比如基础部分、钢屋架支撑处是较薄弱的部位。

3.2 计算模型的建立

计算模型应该是钢结构实际受力情况正确与合理的简化，结构计算是在计算模型的基础上进行的，计算模型选用不当不仅仅会得出错误的数值解，而且会导致结构安全事故，因此选择恰当的计算模型是保证结构安全的重要条件。比如在节点设计中，按传力特性不同，分刚接、铰接和半刚接。实际结构的节点不可能是纯粹的刚接或铰接点，这就需要结构工程师进行正确的判断，选择哪种更能真实的反映节点的受力情况的模型，使计算模型的误差控制在允许范围之内。此外，对于诸如节点这类受力复杂的构件，单从计算分析的角度并不能完全保证其可靠性，因此还应通过相应的构造措施对节点予以加强。

3.3 建筑材料的使用

要善于利用钢结构的抗拉性能。按受力的不同，现行的钢结构设计规范对钢结构主要从受弯、受拉、受压和拉弯、压弯五个方面计算[1]。从规范中不难看出，受压、受弯或压弯构件需同时进行强度和稳定性计算，对于大多数此类构件，当它发生失稳破坏时，其强度远未达到设计值。而受拉或拉弯构件只需考虑强度计算，构件的力学性能可以得到充分发挥，应力水平很高，因此材料的利用率最高。

4、钢结构设计中存在的问题

钢结构设计运用中，主要存在的问题如下：对于建筑钢结构工程设计过程中所使用到的钢材，有一部分由于生产工艺的问题导致钢材的质量达不到相应的施工标准；在对钢结构进行设计的时候，一些设计人员往往忽视钢结构与建筑工程的整体性要求，经常使得钢结构的设计独立于整体建筑之外，这样导致了钢结构设计完工之后，出现与建筑物之间的衔接度不够的情况，这样势必导致建筑钢结构工程的建设质量大打折扣；一些设计师盲目搬规范、套程序，只给出构件布置图。将应该设计的“节点构造”、“支座详图”等都交给加工企业。厂家若做出的图纸不符合原设计要求，存在质量隐患。

5、建筑钢结构工程设计的注意事项

5.1 保证钢材选择的质量

建筑钢结构工程设计过程中的选材非常重要，主要是因为钢材的质量好坏直接决定着整个建筑钢结构工程的建设成败。然而由于我国建筑行业的飞速发展，使得我国的建材行业也跟着不断的发展壮大，目前市场上充斥着各种不同种类的钢材，要从众多种类的钢材中选出最为合适的一种确实难度较大。由于钢材生产方面的问题，一些钢材的强度、硬度、形变等特性很难满足相应的施工要求，如果相应的采购人员不够专业，会导致一些不合适的钢材进场，以至于建筑钢结构的功能很难充分发挥出来。因此在实际的设计过程中，需要由资深的人员进行钢材的选购，以保证钢材选择的质量。

5.2 判断建筑钢结构的适用性

随着建筑的建设规模不断扩大，现阶段的钢结构被越来越多的使用与高层建筑的建设过程中。因此相应的设计人员需要对钢结构是否具有足够的强度、足够的硬度、是否能承受较大的振动幅度以及拆卸方便的性能进行考虑，以保证钢结构的适用性。

5.3 加强受力体系以及细部节点的设计

在对钢结构进行设计时，为避免最终出现的节点与结构分析模型中不完全一致的情况，需注重对钢材强度、截面尺寸等方面的考虑，并保证构件节点之间的连接稳固性。另外对于细部节点的设计，也需按照相应的规范和标准进行。

结束语

综上所述，工程设计人员在能够正确判断要使用钢结构的前提下，应具有一个良好的设计思路，强调概念设计在钢结构设计中的应用；在深入理解刚架、桁架、网架及悬索这几种常见钢结构形式力学原理的基础上，科学进行结构选型，做到每一项设计都精益求精。

[1]刘庆明.钢结构工程建设项目施工质量管理研究[D].燕山大学，2017.

[2]周立斌.建筑钢结构企业发展研究[D].浙江大学，2016.

[3]张飞.摩擦型高强螺栓连接节点试验研究[D].大连理工大学，2016.