探析建筑钢结构设计

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摘 要：文章分析了现代钢结构的建筑特点,设计原则及设计中应注意的问题,以供参考.

关 键 词：钢结构设计；原则；存在的问题

随着我国工业与民用建筑设计水平和施工水平的提高,建筑用钢材的多样化.钢结构得到了广泛的应用.很多大跨度场馆、高层建筑、构筑物以及中小型建筑都采用了钢结构.无可置疑,钢结构有很多优越条件,如钢材的结构组织均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好.适于承受冲击和地震荷载.钢材的密度与强度之比较小.钢结构与钢筋混凝土结构相比要轻30%-50%.而且钢结构便于机械化生产.是工程结构中工业化程度最高的一种.但是.也不能否认.钢结构还存在着缺陷和隐患.对于钢材本身的材质问题以及耐候性、耐火性、耐腐蚀性,还存在着大量的研究课题.同时,大量的事故表明.钢结构构件由于强度高,所用截面相对较小,也就容易失去稳定.因此,耐火性差、易锈蚀、易失稳成为钢结构的3大隐患.在采用钢结构时.要时刻警惕,采取合理措施保证钢结构安全、持久的工作.

1现代钢结构的建筑特点

1.1预工程化程度高,建设成本降低,工期缩短.钢结构建筑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钢结构建筑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.

1.2建筑与结构的设计与功能一体化,使建筑更富有功能化.在钢结构建筑中,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与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钢结构建筑.

1.3钢结构建筑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.现在人类已具有建造跨度超过1000米的超大穹顶与高度超过1000米最高至4000米的超高层建筑的能力并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求.使这类型建筑成为标志性建筑,比如日本后乐园棒球场屋盖是钢索与气承膜组成的索膜结构,面积达28000平方米.英国政府为迎接21世纪而兴建的标志性建筑伦敦千年穹顶一大型综合性展览建筑也是索膜结构体系,其穹顶直径达到320m.

1.4原材料可以循环使用有助于环保和可持续发展.（1）该类型住宅采用全封闭式保温隔热防潮系统,温度变化小,热损失低.不论冬夏,都具有舒适当居住环境.室外0摄氏度时,室内仍可以保持17摄氏度以上；在室外温度达到30摄氏度的情况下,室内温度仅为21摄氏度左右.（2）与砖混结构住宅相比,可节能60%以上,冬夏季空调设备可节约耗电30%以上,结构的废旧利用为100%.与砖混结构比较,同样楼层净高条件下,钢结构维护墙体面积小,节约空调所需能源,减小维护费用.

2钢结构工程设计原则

2.1钢结构设计服务于钢结构的施工与使用,钢结构工程使用目的是为了创造效益.公共建筑偏重于社会效益,工业建筑则偏重于经济效益.因此,“钢结构经济性”是钢结构设计的另一个重要方面.“钢结构经济性”原则应从总体上加以分析,不能仅从某一方面孤立地去考察.对门式刚架轻型钢结构房屋,全面评价结构体系的合理性应综合考虑用钢量、加工制作费、安装费、施工周期及基础费用等.

因此,钢结构设计时,必须对钢结构体系的经济性进行深入分析和全面的考察,只有综合效益最佳的方案或钢结构体系才是合理的.评价结构体系的合理性,不仅要看耗钢量指标,还要看总体造价,也要看工期的长短,建筑物的早日投入使用或投产可获得的使用效益.

2.2根据实际情况,合理的建筑结构体系应该是刚柔相济的.因此如果结构太刚则变形能力差,强大的破坏力瞬间袭来时,需要承受的力很大,容易造成局部受损最后全部毁坏；但是太柔的结构虽然可以很好的消减外力,但容易造成变形过大而无法使用甚至全体倾覆.

2.3钢结构体系的“适用”原则是针对钢结构体系的功能要求而言的,钢结构体系适用性与建筑物的使用功能有密切联系.为此在结构设计时,必须把握以下方面：对建筑物的功能、特点和所处的环境条件有充分的了解,如建筑物是民用建筑还是工业建筑,民用建筑是用于展览馆还是体育馆等,工业建筑是钢结构仓库还是钢结构厂房,钢结构厂房的生产工艺对建筑结构的影响情况等；建筑物对防火、保温、隔热、隔振和防腐蚀有何要求；对建筑所在地的环境状况和气象条件应有足够的了解；建筑物内是否有特殊设备或特殊载荷作用,及吊车的设置情况如何等.

3建筑钢结构设计中应注意的问题

3.1钢结构住宅的设计.钢结构住宅有低层和多层之分、低层一般用于别墅,而多层用于公寓、根据抗震规范GB50011对12层以下和以上房屋的不同要求,建造钢结构住宅一般不宜超过12层.钢结构住宅抗震性能受结构布置规则性影响,因此,其平面布置应力求规则、对称.不规则布置在地震时容易遭到损坏.

3.2钢结构稳定性设计的经验.

3.2.1借助于计算机技术和相关软件的发展,目前钢结构设计中结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可由计算机辅助完成,而由设计者对结构和构件的平面外强度及稳定计算,进行分析、计算和设计,为了提高效率和提供方便,在设计时可将整个结构按标高进行分解,简化成不同水平荷载作用下的多个布置形式的结构体系来进行强度和稳定的计算.

3.2.2受弯钢构件的板件局部稳定可以通过几种方式实现：限制板件宽厚比,使之达到屈曲的极限承载能力,不在构件整体失效前屈曲；允许板件在构件整体失效前屈曲,然后利用其屈曲后强度达到构件的承载能力；对梁设置横向或纵向加劲肋,以解决不考虑屈曲后强度的梁的局部稳定问题.

3.2.3轴心受压构件和压弯构件局部稳定也可通过两种方式实现,分别是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比和控制腹板计算高度与其厚度之比,如果受压构件为圆管截面,则应控制外径与壁厚之比.

4结语

我国经济和技术的快速发展带动我国各行各业的发展,尤其是我国建筑企业的发展,取得了良好成果.目前,钢结构被广泛应用在建筑结构中.我国建筑物不仅数量多,而且建筑的结构也多种多样,对于建筑结构设计来讲,是一个既系统又全面的工作,需要建筑企业的设计人员严格、认真按照要求去设计.但是,在实际建筑施工过程中,建筑结构设计还存在很多问题,钢结构设计不仅是建筑施工的重要组成部分,同时也是建筑安全应用的基础.所以,建筑师要认真对待每一个构件设计,了解并且遵循国家的相关法律规定,与其他专业共同合作,在工作中要不断总结经验教训,这样才能保证建筑钢结构设计更完美,从而提高建筑工程的质量.