浅谈钢结构建筑的设计(中国钢结构建筑)

摘要：钢结构建筑以施工工期短、建筑整体结构韧性强、抗震性能好、弹塑性优异等优势特点目前已在建筑工程领域广泛地推广建设。但钢结构建筑施工技术要求高，任何一个环节出现问题都可能引发工程质量问题。钢结构建筑设计是整个工程项目的核心环节，钢结构设计质量对整个建筑质量有着直接影响，为了能够提升现代钢结构建筑质量，加强对钢结构建筑设计探讨是十分有必要的。本文就现代钢结构建筑设计进行了浅显的探讨提供有关钢结构建筑设计人员参考。

关键词：现代建筑；钢结构；设计

钢结构建筑以施工工期短、建筑整体结构韧性强、抗震性能好、弹塑性优异等优势特点目前已在建筑工程领域广泛地推广建设。而以钢结构为主体的建筑是现代空间结构发展的主流，钢结构建筑与钢筋混凝土，砌体，木结构建筑相比有一定的差别，钢结构建筑通常由型钢、钢管、钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，有的还用钢铰线、钢丝绳（束）组成，其连接方式采用焊缝、螺栓或铆钉连接，探讨现代钢结构建筑设计与表现具有重要的意义和价值。我国自1949年钢结构就在大跨重型工业厂房、大型公共建筑和高耸结构中得到了应用。尤其是近20年来，钢结构更加广泛应用于土木工程的公共建筑中，比如沈阳桃仙国际机场屋盖，北京天文馆新馆工程等，我国目前不仅能生产各种类型的建筑钢材，同时钢材生产的新技术、新工艺、新产品日益也增多，如彩钢压型板、彩钢复合板、彩钢扣板、拱形厂房及彩钢制品等的生产，使建筑结构充满现代化时代气息，实际证明钢结构建筑在我国更具有广阔的发展前景。

1钢结构布置钢结构设计的基本原则

由于在进行钢结构有着很好的强度和稳定性，这也极大了符合现代建筑的要求，而且还有效提高了建筑工程结构的质量。不过在进行结构设计时，应该有着一定的基本原则：在进行钢材使用设计时，要尽量节省钢材，减少钢材结构的重量，尽可能的缩短制造安装时候，而且要尽量保持耐久性，而且进行结构施工的时候，还要多注重建筑的美观，并且还要从經济实惠的角度上对其进行思考，只有这样才有利于我国的建筑行业的发展和进步。

在钢结构梁柱工程施工中，为了提高梁柱系统的稳定性，施工人员就采用普通的体系结构对其进行施工。其中在对梁结构进行施工的时候，施工人员是采用H形截面钢梁，而柱结构则是利用的焊接箱型钢，从而将整个建筑结构施工体系设计成为一个刚性框架结构，整个建筑结构的竖向荷载就有梁、板、柱这3个钢结构体系来承担，从而有效的提高了钢结构建筑的稳定性和可靠性。

根据相关数据表明，钢结构抗剪系统在建筑结构的水平荷载和地震力的作用下，其钢结构体系的刚度比较弱，这就使得该钢结构建筑体系的整体结构质量受到了一定的影响，因此为了保证建筑结构的稳定性，施工人员就要在钢结构体系的中部设置钢筋混凝土剪力墙，来抵抗水平荷载对建筑结构的冲击。

在钢框架建筑结构施工过程中，由于抗剪系统在使用的过程中所受的荷载除了竖向的压力以外，还有着水平荷载的作用，施工人员在对钢结构建筑进行设计的时候，在钢框架剪力墙进行施工是除了采用住下独基的施工方法以外，还要利用筏板基础。

2钢结构建筑的设计要点

2.1明确钢结构建筑设计中需要面临的问题

钢结构建筑潜在的最大隐患是火灾，因此要注意防火问题；钢材在空气中暴露时间过长，因受到空气侵蚀易生锈老化，从而影响建筑的外观，并使其承载力下降。因此钢结构建筑应解决好防腐问题；另外还要考虑吸音、隔音与保温等物理性问题。如何减轻噪声污染已经成为建筑学中的重要课题，一些建筑的大厅，如音乐厅中由顶棚反射板增加的反射声几乎同一时间被听众的双耳吸收，由于缺乏侧向反射，就会使音乐失去一定围绕感。对于此类建筑要使用吸声结构和吸声材料，目前建筑保温的重点在于外围护结构的改善。

2.2设计钢结构建筑的流程

（1）应判断建筑结构可否采用钢结构，钢结构一般多用于经常装拆或能活动的结构，这些结构一般体型较复杂、荷载大、振动大、跨度大及高层等特点。

（2）应考虑好结构的布置与选型。在结构布置与选型阶段“概念设计”起着重要的作用，在整个钢结构设计过程也是如此。对于一些不能确定的规范和不易作出定性分析的问题，可依据分体系间的力学关系、破坏机理、震害及整体结构体系与工程经验所获得的设计思想，从整体的角度来把握结构的选型与布置。在设计早期运用概念设计可有效、快速地进行选择、构思与比较，从而可以避免在结构分析阶段不必要的繁琐运算，也使得结构方案定性准确、概念清晰、计算简单。对于钢结构的布置需要综合考虑整体的性质与特征、荷载等分布状况。钢结构大多可设计成网架、平面架、轻钢、索膜等等的型式。

（3）应进行结构分析。在实际设计中，目前钢结构分析一般采用线弹性分析，也有一部分考虑钢材的弹塑性能与几何非线性分析，这对钢结构更加精确的进行分析有利。

（4）进行构件设计。首先做好材料选择，通常常用的是Q23和Q345，主结构一般使用单一钢种，这样可方便工程管理。从经济性考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面，当强度起到控制作用时，可选择Q345，当稳定控制时宜使用Q235。进行构件设计时，现行规范中最常用的是用弹塑性的方法来验算构件截面。随着计算机技术的快速发展，一些设计软件可通过在给定截面库中选择加大一级的方法，将原本验算时不通过的构件进行自动重新分析验算，直到通过为止。它大大减少了结构设计师的工作量。总之，实用性是钢结构建筑设计的前提，技术构思和变现是钢结构建筑在设计过程中的关键，功能与艺术的和谐统一是设计师和使用者的共同追求。

（5）截面的选择预估。钢结构建筑结构类型选定后的下一环节就是对钢结构截面进行预估和选择。一般而言对于钢结构截面的选择是在建筑施工前对各种支撑构件的尺寸和形状进行设定和假设。钢结构钢梁一般在钢结构设计中选用比较多的是槽钢或者焊接H型钢截面等，根据建筑结构的荷载情况和支座具体位置一般截面高度设置在建筑结构跨度的1/20-1/50之间。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距来确定；待截面高度和翼缘宽度确定后，按照钢结构设计的有关规范规定对板件的厚度进行预估。柱截面一般按照柱的长度和直径比来预估。

（6）节点设计。根据钢结构节点传力特性的不同可将节点分为刚接、铰接和半刚接；节点的连接比较常用的方式是等强设计和实际受力设计两种。就当前的钢结构建筑设计中比较常用的节点形式是刚接和铰接，这是因为这类节点的连接数据可以从有关的钢结构设计手册中直接查阅。也可通过结构软件后处理部分自动完成连接。节点焊接也是节点设计的重要设计环节，应严格按照钢结构设计中的规范规定控制焊缝的尺寸和形式。比如，所选用的焊条应和焊接的金属材质相匹配：E43对应Q235，E50对应Q345，Q235与Q345连接时应选低强度的E43。焊接设计中应严格控制焊缝，不能随意的加大焊缝，焊缝重心应同被连接构件重心重合或接近。就栓接节点而言，普通的螺栓抗剪性能比较差，一般使用在结构的次要部位。对于结构重要部位，对抗剪性能要求高时应采用高强度螺栓，当前在钢结构建筑设计中选用比较多是螺栓强度等级为8.8和10.9。

（7）图纸编制。建筑钢结构图分设计图和施工详图两阶段。设计图是设计单位提供给构件制造厂用来编制施工详图的依据。钢结构制造厂根据设计单位提供的设计图，按照图纸内容要求，比如各种参数、工艺、技术等编制施工详图。