建筑结构设计及钢结构设计的重要性

【摘要】随着城市化进程的逐渐加快，建筑行业快速发展，结构设计成为项目管理的关键。其中钢结构设计的专业水平会直接影响建筑主体结构的稳定性。进而影响整个建筑的质量。当前，钢结构在建筑行业的应用非常广泛，这是由于它强度高、制作相对简单、工期短等优势，但由于钢结构设计的过程中仍有很多不足，需要不断的改进、完善钢结构设计。本文从钢结构设计的重要性着手，分析了目前钢结构设计策略，以期能够为钢结构设计的优化提供一些参考与借鉴。

【关键词】建筑结构设计；钢结构设计；策略

1引言

钢结构拥有着砖混结构和混凝土结构在建筑上的应用优势，这主要和上文所描述的它独特的特征决定的。钢结构的较轻的自重，良好的延性使得建筑物拥有着良好的抗震性，这是因为地震力效应在建筑质量较小的情况下会变得相应小一些，地震效应还会因为延性的良好性一定程度上收到缓冲。除此之外，在传统的建造中想要建造较大开间就需要较为大跨度和复杂的结构，而如今有了轻质高强的钢结构，在创造开放式住宅的时候就更为方便了。

2建筑结构设计中钢结构设计的重要性

建筑行业中，钢结构指的是通过对钢板进行焊接、热轧、冷弯等加工使钢板形成需要的钢型。钢结构可以分为轻钢、重钢两种类型，轻钢自重与占用的面积都比较小，广泛应用于跨度小的建筑项目中；重钢的自重比轻钢肯定要重，但与钢筋混凝土比，优势还是很明显的，广泛应用于跨度较大的建筑物中[1]。建筑结构设计的重要组成之一就是钢结构设计。钢结构设计包括将设计规划：钢结构设计蓝图变成实体：钢结构产品的整个演变过程。钢结构设计一方面影响着建筑物的整体质量，进而影响建筑业的发展；另一方面钢结构设计还影响着现代钢结构制造业的发展，所以钢结构设计至关重要。

3建筑钢结构设计策略

设计人员应该在开着工作之前，要求项目主办方的负责人上传响应的质量证书，通过向承包单位提供的钢结构施工设计的职业工作资质证明，来保证工作开展的规范性。此外，设计人员在设计时选择材料上，要加强安全可靠、满足使用、经济可靠的原则意识。在设计过程中，在考虑荷载性质、应力状态、连接方法及工作环境的因素下，进行大胆发挥。对于材料不可避免的缺陷，要尽可能放大其优点，去减少其缺陷，如对于强度低的初弯曲较大的杆件，应尽量避免长细比过长，提高施工精度等。对于材料的缺陷，如焊接的影响，焊接的残余应力会降低结构的刚度且对疲劳强度有不利的影响，在设计时要合理布置焊接的位置，设计适当的焊缝尺寸，焊缝不宜过分集中，应尽量避免三向焊接相交，还应考虑钢板的分层问题[2]。设计时，根据实际项目的特点和要求，要考虑合理的方案，应具有相应的可行性和安全性，避免给施工人员造成不必要的麻烦，如标注要清晰，都要符合相应的基本设计规范。

4实例分析建筑钢结构设计方法

某工业园厂房钢结构工程为热处理车间、机加工车间2个单体，长382m，宽153m，总建筑面积约6万m2。热处理车间为单脊单坡，跨度29.5m+28.5m，边柱柱顶高11.8m，柱距以7m为主，长138m，宽58m。机加工车间为双脊四坡，跨度12m+6×21m=138m，边柱柱顶高8.2m，柱距以7.5m为主，长304.5m，宽138m。屋面采用双层彩板+保温棉；墙体为双层彩板+保温棉。屋面檩条采用Z型连续型式，墙面檩条采用C型型式，结构如图1所示。

4.1厂房结构布置是结构计算方法
根据该工程特点，经过多种结构体系比较、计算、分析，得出结论如下：①热处理车间采用门式刚架体系，边柱柱脚采用刚接，中柱柱脚采用铰接。屋面支撑采用4道横向支撑，保证结构的空间整体作用；边柱采用4道交叉支撑，中柱采用4道门式支撑，保证厂房的纵向刚度。②机加工车间采用横向门式刚架+纵向刚架体系，纵横柱脚均采用铰接，横向刚架中柱上端除M轴为刚接外，其余均采用铰接。32、32a轴线处设有伸缩缝，满足规范对纵向温度区段的要求。屋面支撑采用9道横向支撑，4道纵向支撑，保证结构的空间整体作用。③由于该工程采用压型钢板等轻型材料，故门刚的屋面柔性很大而刚性很差，不具有刚性屋面的性质。该工程工艺不允许在纵向设置柱间支撑，其纵向按平面框架设计。④刚架间距与刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关，经过计算发现，随着柱距的增大，刚架的用钢量是逐渐下降的，但当柱距增大到一定数值后，刚架用钢量随着柱距增大而下降的幅度趋于平缓，而其他构件如檩条、墙梁的用钢量却逐步上升[3]。该工程跨度为21～29.5m，采用7～7.5m柱距较为合理。

4.2钢结构节点设计
机加工车间由于考虑横向门式钢架摇摆柱不宜多于3个，故M轴中柱上端与钢梁考虑为刚接节点，钢柱截面形式考虑为十字柱。该十字柱不仅要验算强度和稳定性要求，还要满足焊接工艺的要求。因为十字柱制作是由工字形+2个T字形截面组成，T形截面需要手工焊接，若手工焊接的操作空间过小，则影响焊接质量。在设计过程中，通过与车间员工充分沟通后，最终确定十字柱的截面为十450×320。为了满足考虑厂房的工艺要求，提高厂房的使用空间，横向门式刚架与纵向刚架连接节点采用平接，而非横向门式刚架架在纵向刚架上。在计算纵向刚架时，托梁拼接位置影响计算结果，经过比较发现，计算模型中不能考虑拼接节点，否则计算结果中平面外稳定应力不准确。在施工图时，再根据安装方向，运输设备进行托梁拼接位置的设计。

4.3柱间支撑设计
柱间支撑所在跨的基础之间应设钢筋混凝土压梁，以加强基础刚度，抵抗水平地震作用。为了提高厂房纵向刚度，经计算：边柱均采用十字交叉角钢支撑，热处理车间中柱采用门式角钢支撑；机加工车间中柱采用纵向刚架传递厂房纵向力，并对边柱柱间支撑加强。

4.4梁柱连接节点
门式刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板横放和端板斜放三种形式。端板竖放适用于局部等截面柱。当竖向荷载起控制作用时，将端板横放可减少节点的设计剪力，同时充分利用柱的压力对节点受力的有力作用。如果节点弯矩很大，可采用端板斜放形式，加长抗弯连接的力臂，有利于布置螺栓。端板拼接连接形式有外伸式和平齐式两种情况，端板外伸式节点受力合理，承载力高于平齐式节点，因此应尽量采取外伸式端板连接，同时应在结点板外伸部分设置加劲肋，使靠近受拉翼缘两侧的螺栓受力均匀，接近一致，提高节点的抗剪能力，有效减少节点板的变形。

5结束语

随着钢结构的不断发展，结构工程师对于钢结构设计方面的经验也逐渐丰富，但在当今复杂项目设计过程中，需要对规范条文有更充分的理解，切不可盲目追求结构设计的经济性，牺牲结构最基本的稳定性要求。对结构进行屈曲分析，已成为结构稳定性计算中一项非常重要的内容。钢结构既有“强大的”一面，也有“脆弱的”一面，只有保证了结构自身的稳定性，才能尽可能避免因失稳引起的重大工程事故。

参考文献
[1]王红涛，徐珂，田立强.某体育场罩棚钢结构设计[J].钢结构，2012，27（6）：32~36.
[2]张良兰.无锡大剧院屋顶钢结构设计[J].建筑钢结构进展，2014，16（5）：44~51.
[3]王承丽，马芳.浅谈钢结构设计中的几个问题[J].山西建筑，2011，37（11）：47~48.