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【摘 要】高层建筑目前在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大,而建筑结构设计方面的变化也越来越多,很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中.面对这样的形势,我们把高层建筑的钢结构设计进行讨论研究.
【关 键 词】建筑设计钢结构设计生产施工高层
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.在很长一段时间内,钢结构设计以耗钢量为标准,即耗钢量低就是先进的设计、是好的结构体系或形式,这在钢材匮乏的年代,节约钢材是一种重要的手段.然而,总体而言,单纯以耗钢量为评价标准是不完全的,也不尽合理.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.此外,钢结构设计是要系统考察主要建筑材料的供应情况,及当地的制造与安装水平等,同时还应与业主加强沟通.
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.但是刚柔的程度历来都是专家们争论的焦点,现今的规范给出的也只是一些控制的指标,但无法提供“放之四海皆准”的精确答案.这就要靠设计者与业主进行沟通来确定一个方案.
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.钢结构设计分析
3.1构件设计
构件的设计首先是材料的选择,比较常用的是Q235（类似A3）和Q345（类似16Mn）,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.
3.2节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一,在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定,常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免.按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接,初学者宜选择可以简单定量分析的前两者,常用的参考书有丰富的推荐的节点做法及计算公式.
3.3具体设计
3.3.1焊接：对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守,焊条的选用应和被连接金属材质适应.E43对应Q235,E50对应Q345,Q235与Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50.焊接设计中不得任意加大焊缝,焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近,其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定.
3.3.2栓接：铆接形式,在建筑工程中,现已很少采用,通螺栓抗剪性能差,可在次要结构部位使用,高强螺栓,使用日益广泛,常用8.8s和10.9s两个强度等级.根据受力特点分承压型和摩擦型,两者计算方法不同,高强螺栓最小规格M12,常用M16～M30,超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用.
3.3.3连接板：可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm,然后验算净截面抗剪等.
3.3.4梁腹板：应验算栓孔处腹板的净截面抗剪,承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压.
3.3.5节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等.构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误.此外,还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定.
3.3.6节点设计还应考虑制造厂的工艺水平,比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成.