浅析建筑钢结构工程的设计及其注意事项

浅析建筑钢结构工程的设计及其注意事项

曹乐谦

天津大学建筑设计研究院

【摘要】建筑钢结构工程具有空间跨度大、造价低、结构性能突出、安装便利等优势，使得钢结构的应用越来越普遍。随着城市化建设的快速推进，工业化的发展，高层及大型建筑越来越多，使得钢结构应用日益广泛。本文阐述了建筑钢结构工程的特点，对建筑钢结构工程设计及其注意事项进行了探讨分析。

【关键词】建筑钢结构工程；特点；设计方法；设计要点；注意事项

1建筑钢结构工程的特点

建筑钢结构工程的特点：（1）建设成本相对降低且工期短。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。（2）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。（3）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随后的各个设计环节进行下去，创造出技术与艺术融为一体的建筑钢结构。

2建筑钢结构工程设计的方法

建筑钢结构工程设计的方法主要有：（1）塑性设计法。建筑钢结构工程的塑性设计法是指结构构件的塑性性质和强度要高于标准荷载的构建乘以安全系数，在构建内力结构分析中一般采用钢塑性分析法或是一阶塑性分析法。塑性设计法的主要优点在于其结构进入塑性后允许进行内力的重分布，但必须要求其构件和结构能有足够的延性，在设计中严格的限制了翼缘和截面腹板的比例尺寸。塑性设计法虽然考虑到了非线性，可以客户存在缺陷的容许应力法，但是在结构设计中依然不能反映出结构构件与材料屈服的扩展。（2）容许应力法。建筑钢结构工程中容许应力设计原则是结构计算应力需要小于结构构件设计所规定的容许应力。对于结构构件的计算应力要按规定的标准荷载，计算是以一阶弹性理论而得到，是以一个去除材料并大于1的安全系数的极限应力或是屈服应力而确定的。容许应力主要存在的缺点在于：第一，不能合理的考虑到结构几何的非线性影响；第二，由于容许应力法采用的是单一安全系数，不能反映出荷载变异和抗力的独立性等。（3）极限状态法。建筑钢结构工程中的极限状态法设计主要是为了克服塑性设计法和容许应力法所存在的缺陷，这种方法主要是采用荷载分项系数和抗力来替代单一安全系数。目前，极限状态法以是我国最常用的设计方法。其结构由于荷载的作用，可在一定的周期内达到两种极限状态，第一种是正常使用极限状态，第二种是承载能力极限状态。承载能力极限状态所对应的是结构的安全性，主要是指构件的塑性变形、断裂等造成的结构破坏。

3建筑钢结构工程的设计要点

3.1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。

3.2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。

3.3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。

4建筑钢结构工程设计的注意事项

4.1建筑钢结构工程设计过程中的钢材选择。建筑钢结构工程设计过程中的选材非常重要，主要是因为：（1）我国钢铁工业迅速发展，钢材的种类繁多，要从众多的钢材种类中选出适合某种建筑工程的钢材是有难度的；（2）目前钢结构建筑的种类也在不断增加，不同建筑物对钢结构的强度、变形度、疲劳应力等方面的要求也不一致，因此选择合适的钢材显得至关重要，否则就不能发挥出钢结构建筑的功用。

4.2判断建筑钢结构的适用性。当前钢结构主要用于跨度和荷载较大、体型复杂的高层建筑中。要求其能够承受较高的温度、方便拆卸、能够承受大幅度的振动、密封严实，因此在钢结构设计之前必须要对这些方面进行全面的分析，考虑所设计的钢结构是否适用、能否满足要求。

4.3建筑钢结构受力体系以及细部节点设计的注意事项。建筑钢结构工程设计方案确定后，需要对钢结构的受力体系以及细部节点进行具体计算分析。首先对钢结构受力体系设计而言，目前有很多钢结构工程采用杆系结构，该结构形式要求钢材强度大、截面尺寸小；在生产的时候可以在现场组装，构件之间的约束作用小。因此其设计重点是保证构件节点之间的连接稳固性。其次对于建筑钢结构工程细部节点设计来说，建筑钢结构工程设计要求细致且设计内容复杂，需要对细部节点进行严格的设计。

5结束语

近年来建筑钢结构工程的应用范围日趋广泛，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，钢混结构工程的应用使得结构的抗震性和空间应用更好，因此对其进行分析具有重要意义。

参考文献：

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