建筑钢结构设计探讨

建筑钢结构设计探讨

刘秀颖陈茹

刘秀颖陈茹

大和事务处理中心大连有限公司辽宁大连116011

摘要：随着科学技术的发展，我国建筑钢结构得到了迅猛发展，钢结构形式越来越新颖，钢结构设计与施工技术也越来越发达。本文分析了建筑钢结构的特点，并提出了建筑钢结构设计要点。

关键词：建筑；钢结构；抗火

一、建筑钢结构特点

改革开放以来，我国建筑钢结构应用范围逐步扩大，在新技术应用方面得到了迅猛发展，有影响的如北京工人体育馆、广州电视塔、北京气象桅杆、广州珠江大桥、十一届亚运会体育馆、游泳馆、体育场罩棚等钢结构工程，在建筑造型和结构形式上有了新的突破。建筑钢结构的特点如下：（1）建筑钢材材质均匀，是理想的弹塑性材料。钢结构的实际受力状态和工程力学计算的结果比较符合，因此钢结构可以进行可靠地优化设计。（2）建筑材质强度高，钢结构重量轻。因此钢结构构件可以在工厂制作，不受现场条件的制约，条件具备时可方便地到现场安装。同时建筑钢材强度高，钢结构重量轻，使钢结构的适应性强，可以建造高层或大跨度等建筑。（3）设计制造周期短，设计生产一体化。现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件，使得设计周期大大缩短，设计中的修改和调整非常方便。同时，由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点，可以将前期设计和现场的生产手段相结合，通过网络计算机和数控机床结合，使设计人员在工作室中完成设计后，即由工厂的生产线完成产品制作，具有极高的效率和精确度，可以大大减少项目建设周期。（4）有利合理布置功能区间。传统住宅由于所用材料的性质，限制了空间布置的自由。钢结构住宅可以利用钢材强度高的特点，采用大开间柱网布置，使建筑平面分隔灵活，可以利用非承重墙体灵活分隔室内空间，形成开放式住宅。同时，利用钢结构连接简单的特点，在垂直平面内比传统结构能更好地应用错层、跃层结构。由于钢结构住宅的构件截面尺寸小，可以增加使用面积，提高得房率。（5）钢结构的耐腐蚀性差。因此钢结构必须进行防护。钢结构不耐火。因此受高温辐射的钢结构必须进行防护，采取隔热措施；对有防火要求的钢结构，应按规定采取防火措施。

二、建筑钢结构设计

（一）结构选型与布置

钢结构有网架、网架（壳）、轻钢、塔桅等几种结构方式。在选择钢的结构时要考虑工程特点，选择合适的钢结构。在一些轻钢业中，厂房中的一些设备是不适合用门式钢架的，原因是牢固程度不够，所以在选择钢的类型时，需要考虑到实际情况。在建筑以及工艺流程允许的时候，在当中使用支撑可能会比几个节点来的更有用处，而且也便宜非常经济。当遇到房屋面积比较大时，可以尝试使用悬索和索膜等体系，这个体系的好处在于能够承受压力。在建设楼层比较高的建筑时，经常采用的方法是钢和混泥土相互结合在一起，在一些经常有地震或者建设的楼层显示不规则状态时，在选择布置结构方面不怎么会特意考虑价格问题，而是从安全角度出发，选择合适的结构。对于这些情况时最好选择周边巨型SRC柱，这个模型是以周边巨型SRC柱为核心，支撑起整个大楼。在结构布置上，要对周围情况进行分析，然后结合结构自身特点，最后选择合适的方法。在建筑时要做到以下几点：在力学模型上一定要清楚，在有大物体移动时，不会造成影响，而且还要考虑风，这些都是影响建筑的因素，所以这些都是需要考虑进去的。在结构的侧抗力上，应该需要多个防线进行维护，最好有其支持作用的柱子，而且能承受很大的压力。对于楼层平面梁上的布置，也可以进一步优化。具体措施是减小梁截面，让大截面的面积增加，从而能减少楼层净高度，使得楼层整体效果不错。

（二）钢材材质选择

在钢结构设计文件中,应当注明钢结构所采用材料的质量等级(包括相适应的焊接材料)。钢结构房屋所使用的钢材针对不同的应用应当具有抗拉强度,屈服强度,伸长率,冷弯试验和硫含量的合格保证。如对于焊接钢结构应具有含硫量的合格保证；对于地震区,要求钢材的强屈比不小于1.2%,应有明显的屈服台阶,且伸长率应大于20%,并应有良好的可焊性和合格的冲击韧性,以上要求主要是保证结构具有必要的安全储备和足够的塑性变形能力,都应写入设计文件中。一般来说,使用Q235B及以上的碳素结构钢及Q345B及以上等级的低合金高强度结构钢，过高的选用C级或Z向等级,造成经济上的浪费同样不可取。

（三）建筑钢结构的抗火设计

火灾是建筑物常见的一种突发事故，处理不当可能造成重大的经济财产损失和人身伤亡，而建筑钢结构设计从安全性出发需要进行全面的抗火设计。

1.标准耐火试验设计

目前，多数国家规范中采用耐火等级的设计概念进行防火设计，即通过标准耐火试验确定构件的耐火时间，若耐火时间符合受火时间的要求，就认为这个构件满足设计要求。我国现行的《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》采用的就是这种设计方法。这种基于试验的构件抗火设计方法简单直观、便于运用，但这种方法缺乏合理性及理论陛，它不能从根本上考虑材料性能劣化的过程，不能准确模拟构件在结构中的实际受力情况和端部约束，存在着建筑物防火设备的安装和结构耐火极限提高之间的矛盾，且试验费用昂贵，因此越来越多的国家开始采用“结构防火的计算分析方法”，以期达到真正抗火设计目的。从2O世纪7O年代之后，结构抗火设计方法转为基于构件计算的现代方法。

2.基于计算抗火设计

基于计算钢结构抗火设计方法可以免除传统的基于试验钢结构抗火设计方法所存在的问题，其计算过程如下：（1）采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度。（2）计算构件在确定防火措施和耐火极限条件下的内部温度。火灾下为满足结构耐火极限要求，一般需对钢构件进行防火保护。（3）确定高温下钢材料参数，计算结构中该构件在外荷载和温度作用下的内力。钢结构材料在高温（火灾）条件下的屈服强度、极限强度、弹性模量和极限应变等力学性能指标，在常温和高温时有很大的差异，变形性能也不尽相同。（4）进行荷载效应组合。由于火灾是偶然事件，进行结构抗火设计考虑的载效应应小于正常设计所采用的荷载效应。按火灾条件下取结构正常使用时最可能出现的荷载原则，同时考虑火灾引发的温度内力和伴随风载，进行结构抗火设计的荷载效应组合。（5）根据构件和受载的类型，进行构件抗火承载力极限状态验算。（6）当设定的防火被覆厚度不合适时（过小或过大），可调整防火被覆厚度，重复上述步骤。

3.基于结构性能的抗火设计

近年来，随着钢结构整体抗火性能研究的进展以及考虑到实际火灾的多样性、随机性与实际建筑类型、功能的差异性，基于构件层次的抗火设计方法的局限性己日显突出，为此，许多研究者提山了基于计算的结构性能化设计方法，但该方法在实用化方面仍有一些问题有待解决。

一是结构的整体在火灾中的作用。一般认为，柱在保证结构整体不倒塌中起着最为重要的作用。基于这一理论，为了提高钢结构的抗火灾能力，设计人员仅需要对房梁的性能进行改良，同时也必须对建筑内部柱子抗火性能进行改善。

二是塑性理论的应用。设计人员需要对传统的设计工作进行全面的分析和处理，并考虑在火灾发生时刚性结构的形状变化曲线，并针对曲线的变化形势进行相应的防范措施。

三是计算机模拟以及有限元法。在火灾中，通过热辐射、热传导以及热对流方式形成的复杂温度场会使结构受热膨胀，而温度场的非定常性导致难以精确的考虑理论分析，再加上试验费用的昂贵，使得计算机模拟成为当下的一个热点研究。

参考文献

[1]张旭光.建筑钢结构设计的稳定性原则及设计要点[J].商品与质量?建筑与发展,2014年2期.

[2]於智慧,娄智能.建筑钢结构设计中应注意的问题分析[J].商品与质量?建筑与发展,2014年5期.