建筑钢结构工程设计及其注意事项谯家强

建筑钢结构工程设计及其注意事项谯家强

谯家强

中建八局装饰工程有限公司

摘要：近年来，我国的建筑工程越来越多，建筑中钢结构的应用也越来越广泛。但是尽管我国对钢结构建筑设计制定和执行了严格的规范标准，并取得了一定成效，但是就目前而言，我国的建筑钢结构设计中依然不可避免的存在一些问题。对此，作为建筑钢结构的设计者，相关机构或人员应该加强对建筑钢结构设计现状的研究分析，找出其中存在问题，进而采取有针对性的策略来改善建筑钢结构设计现状。

关键词：建筑工程；钢结构；设计；注意事项

引言

钢结构作为当前建筑工程常见的结构形式之一，通过科学的设计，钢结构建筑可以具有极强的抗震能力以及承载能力。所以，在建筑行业中，钢结构已得到了广泛运用。但是由于我国的钢结构设计行业发展起步较晚，有些设计理论还不够成熟，常常会出现一些不可预料的问题，影响到钢结构建筑最终的稳定性以及安全性。所以，为了使钢结构设计行业有一个好的发展前景，相关设计机构及人员就应该结合以往钢结构设计经验，总结和分析设计中常见的问题，从而提出有建设性的建议来有效避免出现类似问题。

1建筑钢结构设计

1.1设计原则

建筑钢结构设计工作中，为了保证结构的安全性稳定性，设计人员需要严格遵循钢结构设计原则，重视设计过程中的质量控制。钢结构设计时要能够综合考虑建筑物强度、耐久性问题，保证建筑钢结构的稳定性。建筑钢结构设计工作中，为了更好的控制建筑物自重，要在保证钢结构质量的前提之下，尽量减少钢材使用量。同时，建筑钢结构设计过程中还需要考虑建筑物美感问题。一般情况下，建筑钢结构分为横向系统和纵向系统两部分，横向结构系统主要受到建筑整体影响，具体的设计之中要注意钢材刚度对横向结构系统的影响。纵向结构系统设计中则需要考虑更多的因素，比如钢柱支撑力度、工程实施难度等。

1.2设计要点

1.2.1钢结构的详图设计

由于建筑钢结构的施工主要是根据钢结构的详图设计来进行的，因此为保证建筑钢结构工程的质量，首先就需要做好钢结构的详图设计工作。为了保证详图设计的质量，需要设计人员充分了解和掌握钢结构的组成、所采用的焊接技术，并且对于资深的设计人员进行沟通，从而确保将钢结构的详图设计工作做得更好。

1.2.2建筑钢结构工程的稳定性设计

建筑钢结构工程设计稳定性特点分析。首先从建筑钢结构工程整体稳定性来分析，如要保持钢结构的稳定性，需要从结构的整体出发来分析其稳定性。其次，从钢结构的整体刚度和失稳方面来看，应采用现行较为规范的折减系数法和临界压力求解法来进行稳定计算，对于轴心压杆的稳定计算通常用这两种方法。再次，在弹性稳定计算的过程中，不只考虑结构整体性特点，还应考虑到二阶分析，这主要是由于结构内力会受到柔性构建大变形量的一定影响。在设计建筑钢结构的过程中，需遵循其结构的设计原则，在了解钢结构的设计原则时，要能区别其强度和稳定问题，强度关键取决于材料特征，而稳定问题在解决强度问题时，需找出其不稳定的平衡状态，这种不稳定状态存在内部抵抗力与外部荷载之间。

1.2.3钢结构设计中不同软件对比

建筑钢结构设计领域较为推崇的代表软件有上海同济大学土木工程学院开发的空间钢结构杆系系统3D3S软件及中国建筑科学研究院开发的钢结构设计软件STS.国外软件较为著名的是美国BENTLEY公司的钢结构设计软件STAAD/CHINA及SSDD.其中SSDD可按中国现行规范进行设计。3D3S及STS软件作为结构力学精确计算程序，建模时没有较多的条件限制，能真实反映实际结构力学模型。而STAAD/CHINA及SSDD软件除进行结构分析外，还能对结构分析进行优化设计，做到工程智能化设计。STAAD可选择国内外不同规范对结构设计，可进行涉外工程设计，应用范围广。几款软件各有特点。3D3S优点是与AUTOCAD完全接口，许多命令与AUTOCAD类似，简单明确易于掌握。同时后处理功能比较完善，可生成一系列施工图、节点图、材料表等。STS优点为操作简单、界面友好，是PKPM系列软件的一个模块。对如门式钢架、多高层钢框架、排架及支架结构等常用结构建模方便，常用结构后处理功能强大。节点设计后进行梁、柱节点并归，并绘制梁、柱及节点大样图。STAAD特点为国际国内知名度高，拥有20万用户。分析功能强大，可采用线性、非线性、动力分析等多种方法。软件精确度高，通用性、适应性强，是中国轻钢设计领域的优秀软件。设计师在使用软件时要了解程序中的理论和假定，同时应具有知识、经验、洞察力这样的才能。不能完全依赖软件，要在保证结构安全的同时，能采用更为合理的结构方案。

1.4构件设计

钢结构构件设计时首先需要考虑钢材型号问题，就目前来说，民用建筑钢结构设计中比较常见的钢材型号是Q235、Q345等，为了便于工程管理，主结构一般选用同一种钢材。出于经济性考虑，可以选用各种强度刚才的组合截面。钢结构构件设计中，根据建筑工程相关的施工规范，构件界面采用弹塑性方法进行验算。当前阶段使用的各种结构软件，都会提供截面验算后的处理功能，可以有效地减少结构师的工作量。

1.5节点设计

连接节点设计是建筑钢结构设计的重要的内容。结构分析之前，设计人员必须要对连接节点可能的形式进行科学合理的预测，避免出现结构分析模型中使用的节点连接形式与节点设计的形式不一致的情况。根据接传力特性，钢结构节点可以分为铰接、刚接以及半刚接三种形式。结构设计过程中具体选用哪种节点连接形式需要根据其转动刚性进行选择。通常情况下，刚性连接时，钢结构不会产生非常明显的连接夹角变形的情况。半刚性节点目前依然处于研究阶段，还需要经过大量的理论研究及试验才能够确定其具体的适用场合。

1.6具体设计

具体设计过程中，主要包括焊接设计、栓接设计、连接板设计、梁腹板设计等几部分工作内容。焊接过程中要严格按照相关的工程规范确定焊条的型号、确保焊条与钢材的材质适应，一般情况下，Q235可以使用E43焊条，Q345钢材可以使用E50焊条，两种型号钢材焊接时，要选择强度较低的焊条，比如Q235与Q345连接时，就应该选用E43焊条。除此之外，焊接设计之中，不能随意的加大焊缝，确保焊缝重心尽量接近连接构件的重心，焊缝一般有平焊缝、角焊缝、单面焊缝、单面焊双面形成焊缝等几种，按照焊缝截面形式，焊缝又可以分为角焊缝和对接焊缝两种，不同种类焊缝的设计存在一定的区别，需要根据焊缝构造有关的规定进行设计；栓接设计需要根据具体的结构连接要求进行，就目前来说，现代民居建设过程中，铆接形式已经很少采用，通螺栓仅在次要结构部位使用，高强螺栓是现阶段使用最为广泛的栓接方式。高强螺栓常见的强度等级有8.8s和10.9s两种，高强螺栓的具体规格需要根据钢结构受力特点进行计算，M16－M30的超大规格卢栓的性能不太稳定，在建筑钢结构设计中使用相对较少。除此之外，薄壁型钢与板材之间的次要连接，可以采用自攻螺栓进行；连接板厚度设计时，需要首先计算出钢梁连接端需要承受的剪切应力大小，然后根据接点板计算净长度，乘以接点板厚度及钢材的抗剪强度，确保其满足承受剪力需要，但这种计算方法比较麻烦，钢结构设计中，为了减少设计人员的工作量，一般在钢梁腹板厚度基础上加2～4mm即为连接板厚度，为了保证结构的安全性，受力较大的接点以及重要接点需要按照上述计算方法验证校核之后才能够确定。对于钢结构中梁腹板的设计问题，在《混凝土结构设计规范》中有明确的规定，对矩形截面，截面腹板高度取有效高度，对T型截面，截面腹板高度取有效高度减翼缘高度，对工形截面，腹板高度取其净高。梁腹板高度为450mm或者超过该数值时，梁两侧需要沿着高度方向配置纵向的钢筋，钢筋之间的间距需要小于200mm。梁腹板设计时需要验算栓孔处腹板净截面抗剪，如果是承压型高强螺栓连接诶方式还需要对孔壁的局部承压情况进行验算。除此之外，节点设计过程中还需要考虑螺栓安装、现场焊接时所需要的施工空间，各构件的吊装顺序等等。

2建筑钢结构工程设计的方法

建筑钢结构工程常用的设计方法主要有：

2.1容许应力法

如果将影响结构设计的诸因素取为定值，而用一个凭经验判定的安全系数来考虑设计诸因素变异的影响，衡量结构的安全度，这种方法称为定值法，容许应力法就属于定值法的一种，其设计原则是：其结构计算应力应小于结构构件设计所规定的容许应力。对于结构构件的计算应力要按规定的标准荷载，计算是以一阶弹性理论而得到，是以一个去除材料并大于1的安全系数的极限应力或是屈服应力而确定的。容许应力主要存在的缺点在于：第一，不能合理的考虑到结构几何的非线性影响；第二，由于容许应力法采用的是单一安全系数，不能反映出荷载变异和抗力的独立性等。

2.2半概率法

随着工程技术的发展，定值法开始转向概率设计法，首先考虑荷载和材料强度的不确定性，用概率方法确定它们的取值。不过仍然没有将结构可靠度与概率联系起来，故称为半概率法。半概率法的设计表达式仍可采用容许应力法的设计式，但安全系数是多系数分析决定的。

2.3概率极限状态法。极限状态法

把结构可靠度和概率联系起来，克服了容许应力法和半概率法所存在的缺陷，这种方法主要是采用荷载分项系数和抗力来替代单一安全系数。目前，极限状态法以是我国最常用的设计方法。其结构由于荷载的作用，可在一定的周期内达到两种极限状态，第一种是正常使用极限状态，第二种是承载能力极限状态。承载能力极限状态所对应的是结构的安全性，主要是指构件的塑性变形、断裂等造成的结构破坏。

3我国建筑钢结构设计现状

在过去，建筑行业常使用的是钢筋混凝土结构，而在这一基础上，又出现了以钢板或者型钢为主的钢结构。这种新型的建筑体系相比以往传统的混凝土建筑，有着更高的强度、更好的抗震性以及更大的安全性、稳固性。与此同时，建筑钢结构还可以完全实现工厂化设计与制作，可以在很大程度上缩短施工工期，提高施工技术人员的工作效率。除此之外，由于建筑钢结构的材料可以重复利用，使得工程建设的投资可以尽快回拢，并且不会产生过多难以处理的建筑垃圾，维护了自然生态环境，而这也与我们提倡的绿色、环保建筑理念相向而行。基于此，在世界上的很多国家，都会自然而然的将建筑钢结构作为建筑建设的首选结构体系，并已成为未来建筑业发展的必然趋势。在这样一个大背景下，我国建筑领域的众多设计师也提高了对建筑钢结构设计的重视，并取得了一定成果。然而，尽管我国的设计师们投入了大量精力在建筑钢结构的设计上，但是由于建筑钢结构设计的起步较晚，其在市场上的认知度还不够高，尤其是与其他发达国家相比，更是存在很大差距，使得很多设计师在设计建筑钢结构时，难免会遇到各种各样的问题，这些问题有大有小，有时还可能会严重危害到施工现场人员的人身安全，造成不可挽回的安全生产事故。所以，为了切实提高自身建筑钢结构设计水平，加强对这方面问题的研究就显得尤为重要，这也是保证建筑工程整体质量以及功能的重要前提。

4钢结构设计中存在的问题

4.1关于钢材防腐方面的问题

建筑钢结构具有很强的稳固性以及抗震性，但是它性能的发挥是建立在其本身的质量上的。在以往很多钢结构设计中，由于钢材受到腐蚀而影响到稳固性的例子比比皆是。所以，通常情况下，在那些存在大量腐蚀性物质或介质的环境中，我们基本不会使用建筑钢结构。与此同时，建筑钢结构还很容易受到雨雪风霜的侵蚀，也会出现生锈腐蚀的问题，并大大降低建筑钢结构的承载能力，影响建筑整体的美观。

4.2关于节点设计方面的问题

在建筑钢结构设计中，节点设计是一种比较关键的一环。目前，关于节点设计最大的问题就是结构分析模型以及设计节点不匹配的问题，再加上当前钢结构构件通常都是工厂预制，一旦节点设计存在缺陷，那么在之后的构件安装过程中就很容易出现无法安装的问题。

4.3关于稳定性设计方面的问题

建筑钢结构因其较强的稳定性成为建筑工程的首选结构，而在科技技术进步的带动下，我国在这方面的研究也有了比较大的突破，但是从总体上看，建筑钢结构稳定性依然会面临一些影响因素：第一，在设计大跨度钢结构时，设计师常常会将整体稳定以及局部稳定进行统一考虑，来获得稳定安全系数。但是在这一过程中，却很少去考虑整体稳定与局部稳定之间的内在联系，这对于设计师而言是十分不利的；第二，物理、几何不确定性。包括极限应力、材料的弹性模量以及切变模量等。同时构件的长宽比、受力状态、截面尺寸及面积、截面形状等也会影响到其整体稳定性；第三，模型的不确定性较大。目前，为了保证建筑钢结构最终的稳定性达到要求，在正式开工前，设计师常常会利用先进的设计软件来建立相应的数学模型，并对其不合理的地方进行修正。但是设计师的前提假设难免会存在疏漏，再加上现阶段相关理论的不成熟等，都会导致其建立的数字模型存在极大的不确定性。

5针对当前建筑钢结构设计中常见的问题的应对措施

5.1关于钢材防腐方面的问题的措施

在设计建筑钢结构时，我们首先就要考虑到它的防腐问题。目前，最直接有效的防腐措施就是在钢材表面涂抹相应的防腐涂料。设计人员应该根据建筑钢结构的具体要求来选择适宜的防腐涂料，并严格规范涂抹涂料施工人员的操作行为。另外，目前大多数钢结构构件都是在工厂预制，因此，我们可以在构件出厂前，要求生产厂家根据要求对各钢结构构件做基础性的防腐处理，就是涂抹必要的防锈底漆。如果还想进一步强化钢材的防腐蚀能力，可以从钢结构材料的本身入手，选用耐候钢作为主材，并采取热浸镀锌的技术对其进行处理，使钢材表面能形成一层镀层，以达到保护钢材的目的，防止锈蚀。有必要时，我们还能通过应用有机涂料配套技术以及阴极保护技术等，进一步提升钢结构本身的防腐性能。

5.2关于节点设计方面的问题的措施

相关设计人员要根据本次建筑工程的具体要求，充分考虑节点形式，分析其整体结构。需要注意的是，不同的结构，传力特点也会存在一定差异。一般会将节点分为刚接、半刚接以及铰接。我们在选用节点时，首先要准确判断节点的连接方式，从根本上确保节点设计的合理性以及可行性。另外，在节点设计环节，设计师应该综合考虑不同的截面形式，手工焊接、自动焊接或者螺栓连接的不同构造尺寸以及操作空间等要求，避免出现节点设计不合理现象的发生，这也是确保钢结构构件加工得以顺利焊接或者安装到位的必要前提。

5.3关于稳定性设计方面的问题的措施

第一，加大对稳定性理论研究的投入支持力度。就目前来看，积极研发高稳定性、高性能的新型钢结构稳定性设计理论是势在必行的，任何实践都是以理论为基础的，保证理论的科学性以及严谨性，往往可以在实践中获得意想不到的效果。所以，在有条件的情况下，我们需要不断完善钢结构稳定性的设计理论；第二，提高设计人员的综合素质。由于建筑钢结构设计过程会需要进行大量的计算工作，而部分设计人员常常会将这些繁琐的计算过程简化，导致最终的结果与实际相差甚远，使得施工简图与结构计算简图难以吻合。对此，相关机构还应该强化设计人员的专业能力以及综合素质，以保证建筑钢结构设计的稳定性达到要求。

6建筑钢结构工程设计的注意事项

6.1建筑钢结构工程设计过程中的钢材选择

建筑钢结构工程设计过程中的选材非常重要，主要是因为：（1）我国钢铁工业迅速发展，钢材的种类繁多，要从众多的钢材种类中选出适合某种建筑工程的钢材是有难度的；（2）目前钢结构建筑的种类也在不断增加，不同建筑物对钢结构的强度、变形度、疲劳应力等方面的要求也不一致，因此选择合适的钢材显得至关重要，否则就不能发挥出钢结构建筑的功用。

6.2判断建筑钢结构的适用性

当前钢结构主要用于跨度和荷载较大、体型复杂的高层建筑中。要求其能够承受较高的温度、方便拆卸、能够承受大幅度的振动、密封严实，因此在钢结构设计之前必须要对这些方面进行全面的分析，考虑所设计的钢结构是否适用、能否满足要求。

6.3加强对建筑钢结构受力体系以及细部节点的设计

建筑钢结构工程设计方案确定后，需要立即对钢结构的受力体系以及细部节点进行具体的计算和完善。首先基于钢结构受力体系设计而言，当前很多钢结构都是采用的杆系结构，这种结构要求钢材强度大、截面尺寸小；在生产的时候可以在现场组装、构件之间的约束作用小。因此其设计的重点是保证构件节点之间的连接稳固性。其次对于钢结构建筑的细部节点设计来说，钢结构建筑的设计要求细致且设计内容复杂，都需要对细部节点进行严格的设计。

7建筑钢结构设计及安装

7.1钢柱制作及安装

决定高层及超高层建筑层高以及建筑总高度的竖向构件必须要严格按照现行的有关规范及验收标准进行加工制造，比如超高层建筑钢柱一般有8～12节构件，钢柱翻样下料制作过程中，制作人员要综合考虑竖向荷载作用下钢柱的压缩变形问题及焊缝收缩变形问题，通常情况下，钢柱的下料长度与设计长度并不一致，其中存在的一些差距，不能忽略。此外，不能随意将上下两节钢柱随意互换，即使上下两节的钢柱截面完全相等，必须要将每节钢柱都编好号，保证安装位置的正确。矩形或者方形钢柱内加劲板焊接时，必须要严格按照相关规范采取对应的焊接工艺。钢柱标高主要有两种控制方式，其一，按照相对标高制作安装，这种情况之下，钢柱的长度误差必须要严格控制在3mm以下，不考虑竖向荷载引起的压缩变形或者焊缝收缩变形问题，建筑物的总高度必须要达到钢柱压缩变形总和及各节钢柱制作允许偏差的总和。这种标高控制方式主要用于层高控制不太严格的建筑物，一般12层以下民用建筑建设常用这种控制方法。建筑层数超过12层，层高精度要求较高时，第一节钢柱底面标高必须严格按照土建标高进行安装，要保证每节钢柱的累加尺寸总和必须要符合设计要求总尺寸。每一节钢柱竖向载荷作用下产生的压缩变形及接头产生的收缩变形需要加到钢柱的加工长度之中。但无论是哪种安装方式，都必须要确保钢柱的标高要符合设计要求总高度。

7.2楼盖安装

高层建筑屋盖及楼板的平面刚度都比较大，它是筒体或者剪力墙与竖向钢柱的平面抗侧力构建，能够协调竖向构件与钢柱的变形，楼板及屋盖安装在高层建筑钢结构设计安装中十分重要。钢结构建筑物的屋盖及楼板一般采用轧制压型钢板加现浇钢筋混凝土形式，厚度需要控制在150mm以上，钢承混凝土楼板及屋盖设计时大多没有考虑这两个结构与钢梁的共同作用，这种计算方法增加了用钢量，同时也不够安全。

7.3框架梁制作及安装

高层建筑框架梁大多采用的是H型钢，钢柱及框架梁之间一般选用刚性连接方式，框架梁上下翼缘处、钢柱间需要设置横向加劲肋。框架梁制作安装时，为了保证钢柱与框架梁连接处节点域延性较好，确保楼层层高的精确度以及连接的可靠性，需要在框架梁建筑钢结构设计及安装所在位置设置悬臂梁。钢筋混凝土施工允许偏差较大，超过了钢结构精度要求，钢筋混凝土筒壁或者钢筋混凝土剪力墙与框架梁连接时，腹板连接板可以开一个长向尺寸小于2倍螺栓孔径的椭圆孔，同时满足孔边距要求。

结语

综上所述，建筑钢结构作为当前建筑行业结构设计的主流趋势。提高建筑钢结构设计的科学性以及可操作性，不仅对于建筑工程本身，同时还能大大提高建筑施工企业的设计建造水准，进而促进其稳定发展。所以，相关企业及设计人员应该加强对钢材防腐、节点设计以及稳定性设计等方面的研究摸索，并采取有效措施予以应对，从而为今后建筑钢结构设计提供参考依据。

参考文献

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