探析建筑钢结构设计的要点及注意事项

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摘要：本文通过对钢结构设计过程中设计人员应该明确了解的一些基本概念和方法，如钢结构的特点、结构体系、设计要求、构造要求等进行了剖析，以便于帮助设计人员更好地完成设计。

关键字：钢结构结构设计 大跨度

中图分类号：TU8文献标识码： A

随着国家经济建设的发展，长期以来混凝土和砌体结构一统天下的局面正在发生变化。钢结构产品在大跨度空间结构、轻钢门式结构、多层及小高层住宅领域的建筑日益增多，应用领域不断扩大。从西气东送、西电东输、南水北调、青藏铁路、钢结构住宅、西部大开发等建设实践来看，一个发展建筑钢结构行业和市场的势头正在我国出现。

1钢结构的特点

1.1材料的强度高，塑性和韧性好钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。钢材还具有塑性和韧性好的特点，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂，而且对动力荷载的适应性强。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。

1.2材质均匀，与力学计算的假定比较符合钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波动的范围小。钢结构密闭性较好,水密性和气密性较好，适宜建造密闭的板壳结构。

1.3钢结构制造简便，施工周期短钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，精确度较高。构件在工地拼装，可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。

1.4钢结构的重量轻钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，但结构要轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3 至1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便条件。

1.5钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺，钢材长期经受 100℃辐射热时，强度没有多大变化，具有一定的耐热性能，但温度达 150℃以上时，就须用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。

1.6而钢结构具有良好的延展性，钢材基本上属各向同性材料，扛拉、抗压、扛剪强度均很高，而且具有良好的延展性，特别是钢结构凭着自己特有的高延展性减轻了不良反应。

2钢结构设计的基本原则

2.1强度大稳定耐久的原则。结构必须有足够的强度、刚度和稳定性，整个结构安全可靠，结构应符合建筑物的使用要求，有良好的耐久性、稳定性、牢固性、抗震性。

2.2节约、方便省时的原则。结构方案尽可能节约钢材，减轻钢结构重量，便于运输，有利于缩短制造和安装时间，便于维护。

2.3美观大方实用的原则。在保持经久耐用的基础上，在可能条件下，尽量注意美观，特别是外露结构，有一定建筑美学要求。

3钢结构优于砖混结构、混凝土结构

3.1结构自重轻。根据比较，相同的建筑造型，六层钢结构住宅重量仅相当于四层砖混结构住宅的重量。建筑总质量小，地震力效应小，且延性好，相应抗震性能优良。

3.2材料各向同性，符合力学假定，提高了设计精度。由于工厂化加工制造，精度高，易于保证质量，与混凝土相比，更符合结构设计要求。同时施工速度快，工期缩短40%以上，可使建筑物更早的投入使用，提早产生效益。

3.3在设计中由于业主的要求，经常要进行变更，采用钢结构较易配合变更。施工时干式作业减少了对环境的污染，且构件运输方便，费用低。

3.4可在梁腹板处开孔走管道，不像混凝土结构在梁底通过。因此在楼层高度一样的情况下，采用钢结构可提高层间净高。

3.5轻质高强，简单实现大跨与复杂几何结构。传统结构（砖混、混凝土）由于受材料限制，其开间一般在 3.0m、3.3m、3.6m、4.2m.如果需要更大开间，则会造成“肥梁胖柱”，房高也会受到影响。而在梁高相同的情况下，钢结构开间可比混凝土大 50%.在梁柱等强度条件下，可增加建筑有效使用面积5%～7%。

4应对钢结构的设计方法和设计表达式

4.1钢结构的极限状态。当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就称为该功能的极限状态。OP段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，P点应力称为比例极限。随着荷载的增加，曲线出现ES段，S点的应力称为屈服点。当以屈服点的应力作为强度限值时，抗拉强度成为材料的强度储备。超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的B点，这点的应力称为抗拉强度或极限强度。

4.2钢结构的正常使用极限状态。包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏。以结构构件的荷载效应S和抗力R这两个随机变量来表达结构的功能函数，则 Z＝g(R，S)＝R-S  。在实际工程中，可能出现下列三种情况：Z＞0    结构处于可靠状态；Z＝0   结构达到临界状态，即极限状态；Z＜0    结构处于失效状态。按照概率极限状态设计方法，结构的可靠度定义为：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。这里所说“完成预定功能”就是对于规定的某种功能来说结构不失效(Z≥0)。

4.3分项系数的设计表达式。对于承载能力极限状态荷载效应的基本组合按下列设计表达式中最不利值确定可变荷载效应控制的组合为  ，  永久荷载效应控制的组合为  ， 式中  — 结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年及结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年结构构件，不应小于0.9。

对于一般排架、框架结构，可采用简化式计算。由可变荷载效应控制的组合为    ，对于正常使用极限状态，采用荷载的标准组合进行设计，并使变形等设计不超过相应的规定限值。设计式为。

4.4大跨度钢结构的设计。大跨度空间结构自由度多，自振频率分布密集，振型复杂，在对其进行振型分解反应谱法设计时，应通过自振特性分析来选择合适的地震效应组合方式。当在某一方向上参与质量均比较大的振型之间周期比均大于0．8时，SRSS法对结构在该方向上的地震反应可能会给出过高或过低的不正确估计，应采用考虑振型耦联的CQc法进行地震效应组合；采用CQC法和SRSS法组合得到的结果非常接近，可采用相对简单的SRSS法进行组合。

4.5钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造工作量，降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作。构件间或直接连接或附以连接钢板进行连接，所以钢结构中的元件是型钢及钢板。热轧钢板分厚板及薄板两种厚板的厚度为4.5~60mm，薄板厚度为0.35~4mm。

参考文献：

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[2]张小玲。钢结构住宅建筑体现状和发展趋势。建设科技， 2003年12月

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