建筑钢结构设计现状及存在的问题分析

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摘要：近30年以来建筑钢构设计在欧美国家取得了长足深远的发展，已经形成了比较成熟的技术体系。钢结构具备着一系列的优良特性，自重轻、性能好、工厂化的程度比较高，建造的速度比较快，这些特点对于国内的建筑业来说，是值得我们借鉴的。本文将重点剖析钢结构设计现状以及存在的问题。

关键词：钢构建筑

建筑钢构设计在欧美国家取得了长足深远的发展，已经形成了比较成熟的技术体系。钢结构具备着一系列的优良特性，自重轻、性能好、工厂化的程度比较高，建造的速度比较快，这些特点对于国内的建筑业来说，是值得我们借鉴的。下面我们将从国内的轻钢结构现状谈起。

一、国内的轻钢结构的现状探析

轻钢结构属于建筑钢结构体系中的一种，以门式刚架和拱形的结构为多数。目前在建筑的工程中应用非常广泛，尤其是以门式刚架是作为主要的结构工业厂房和库房建设。其整体的安全与经济问题，已经引起越来越多的关注。一项好的结构设计，不仅需注意结构整体本身稳定性和强度，还要注意结构的安装工艺性、可靠性，同时还必须有优良的施工作保证。

1、首先遇到的是标准和规范问题。轻钢结构体系此前在我国属于技术空白，我国的标准规范是针对几十年来大量使用的结构体系编制的，所以个别之处不能满足我国现行强制性规范的某些条文，不足为奇。例如我国建国以后建造的建筑物多采用砖石和钢筋混凝土等耐火性能好的建筑材料，由此导致我国的《建筑设计防火规范》在材料选用方面似乎较国外苛刻，用于轻钢结构建筑体系有些牵强。

2、国内无论是中等或是高等的专业学校的教学内容中少有涉及轻钢结构体系，我国的建筑类专业的工程技术人员对这一体系知之尚少。目前，无论小型设计公司还是大型设计院所，从事钢结构设计人员已有很多，但多数人缺少扎实的理论或缺少实践经验。

现在的设计一般会采用设计软件，但是设计的合理性和协调性却很少有人会考虑。图纸的审核时常会发现设计人员设计的图纸是生搬硬套软件原有的套路，这样的图纸对实际的情况考虑不周到，不合理；结构的设计中（尤其是细部结构设计）若是缺少实践经验，那么对于结构的工艺设计的合理性就比较难以保证，如翼缘板和柱底板的偏薄或是偏窄、柱脚锚栓的尺寸或是数量会不足等都会导致后期结构使用或安装时会失稳或失效；另外，一些设计的单位会缺乏市场的调研工作，对于所采用的钢材市场的行情或是质量现状缺乏一个非常必要的了解，对于后期的施工落实和质量保证带来诸多的麻烦。

二、结构选型与结构布置

由于结构选型所涉及的门类非常广泛，做结构的选型以及布置都应该做到具体工程能具体分析。根据工程的条件和特点，要综合的考虑建筑使用的功能、荷载的性能、制作和安装、材料的供应等一系列的因素，而后进行择优的选择一些抗震性能良好，经济合理的结构体系和结构形式，对高烈度设防的高层钢结构，宜选用钢框-支、钢框筒或钢筒中筒等钢结构体系。同时应与建筑师充分沟进行通合作，共同商定一个符合抗震、抗风的原则结构的平面与立面的布置。结构的布置还需根据体系的特征，荷载的分布情况等综合进行考虑。要刚度必须均匀，力学的模型展示清晰，尽可能限制大的荷载或是移动荷载影响的范围，使其以最直接的线路能传递到基础上。柱间抗侧支撑点的分布必须均匀，他的形心要尽量的靠近侧向力（风震）的作用线，否则就需要考虑钢结构的扭转。7结构的抗侧应有多道防线，比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1／4 的总水平力。

三、对于工程的判定

要正确的使用结构型软件，应对输出的结果做“工程的判定”。如，评估各周期、总剪力或是变形的特征等。根据“工程的判定”选择一个修改的模型进行重新的分析，要进行结果的修正。不同的软件有不同的条件，对于新手要能够充分的说明。此外，工程设计中的计算和精确的力 学计算本身常有一定距离，为了获得实用的设计方法，有时会用误差较大的假定，但对这种误差，会通过“适用条件、概念及构造”的方式来保证结构的安全。钢结构设计中，“适用条件、概念及构造”是比定量计算更重要的内容。

四、构件设计

构件的设计首先是材料的选择，比较常用的是 Q235 和 Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择 Q345；稳定控制时，宜使用 Q235。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，如 SS2000、SAP2000 等。这是常说的截面优化设计功能之一，它减少了结构师的很多工作量。但是，初学者至少应注意两点：1）软件在做构件（主要是柱）的截面验算时，计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以，尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件，设计者应该逐个检查。2）当预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。a.强度不满足，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。b.变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，

否则，会很不经济。使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上不合适。

五、钢结构体系稳定性研究中存在的问题

1、目前在网壳结构稳定性的研究中，梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁一柱单元进行过修币。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。

2、在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。

3、预张拉结构体系的稳定设计理论还不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。

4、钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究，考虑随机参数的穹顶网壳的稳定问题。

六、采用 Tekla Structures 软件进行异形结构建模

许多钢结构工程中存在部分复杂构造的结构。特别是在含有异形结构的钢结构工程中。如果直接使用 Tekla Structures 定位会比较麻烦。通过对中国石油独山子炼化装置钢结构的建模实践。我们认识到进行异形钢结构建模时。可以先在 AutoCAD 2004 里定义好关键的控制点及参考。然后导入 Tekla Structures。对于一些复杂的建筑。最好让设计方提供内力计算和分析时构建的 Dwg 文件或其他的可导入 Tekla Structures的模型文件。这样可以大大节省工作量和时间。Tekla 的节点比较多，但是有些节点是相通的。其实，常用的节点并不太多，为了省时省力。建议把常用的节点和自定义节点放在“查找组件”的“收藏夹”里，可编号分组如下：梁到梁的框架连接：柱到柱的框架连接；梁的接头连接；柱的接头连接；托梁的连接；梁的垂直构件；支撑；焊接；细部，并把具体的节点改为自己好理解的名字。

在对异形结构上的绳索进行建模时，由于钢丝绳索在加工好运送到现场之后就不方便对超出允许调节的长度进行调整。一般来说需要再运送回绳索生产厂家进行加 T 修改。既耽误工期，也造成费用和材料浪费，所以，借助于 Tekla Structures 的模拟，我们可以非常方便地测量出每根索的长度。

总而言之，对于轻钢结构的现状、对于结构选型以及结构的布置、工程的判定、构件的设计，和钢结构体系的稳定性所做的研究中所存在的问题、采用 Tekla Struc－tures 软件来进行异形的结构建模等方面加以简要的介绍。这些对于建筑的钢结构的设计现状以及所存在的问题都进行了简要的分析。