钢结构设计优势及问题分析

钢结构设计优势及问题分析于京秀中国汽车工业工程公司摘 要：本文作者阐述了建筑钢结构设计的原则及特点，分析了建筑钢结构设计存在的问题，提出了相应的对策。关键词：建筑；钢结构设计；优势；问题分析中图分类号： TU37 文献标识码： A一、轻钢结构的优势轻钢结构实际就是门式刚架体系，这种结构体系造价低，用钢省，安装快捷，制作简便，施工周期短，商品化程度高，而且其造型美观，适用性广，在建筑市场上具有很强的竞争力。近年来在轻工业厂房的设计中得到很好的应用，已成为钢结构行业乃至整个建筑业中发展最快的结构类型，用以替换传统的钢筋混凝土柱和钢屋架结构，取得了巨大的社会效应和经济效益。传统的轻钢制作方式，采用机械和手工方式进行组合、装焊，自动化程度不高、工艺流程不连贯，因而生产效率低，远不能满足建筑轻钢结构飞速发展的需要。但随着行业的发展，现多家钢构企业都已针对轻钢结构设计的自动化钢结构生产流水线，占地面积小、布局紧凑、流程合理，充分体现了高速、高效和高精度生产的特点，取得了满意的实际效果。由于钢结构制造技术与设计理论的日臻完善，实腹式单跨刚架的跨度国内最大的达83m，国际上实腹式门式刚架的跨度最大达150m。这是传统钢结构无法比拟的，也充分体现了现代轻钢结构的优势。二、建筑钢结构设计的原则钢结构设计必须具有充足的强度、刚度以及稳定性，整体结构达到可靠和安全要求；结构应当满足建筑使用的要求，具有较好的耐火性；设计结构方案尽量节省材料，减轻钢结构自身重量；最好能够缩短制造与安装的时间，节省工作日；钢结构构件应当方便维护和运输；在有可能的条件下，尽可能保证美观，尤其是外露结构，需要符合建筑美学的要求。按照以上原则，结合实际情况的各项要求，整体考虑结构具有的经济性、设计特点和施工合理性等。1.1梁柱体系。平面一般利用梁柱普通体系。梁使用热轧焊接钢梁，焊接柱为箱型钢柱，设计整个结构为刚性框架结构，由梁、板和柱承担竖向荷载。框架中的梁和柱、梁和基础全部按照刚性进行设计连接，现场利用高强螺栓与焊接共同发挥连接作用。1.2抗剪设计。计算分析表明，在整体水平荷载与地震力发挥作用下，上述局部结构体系的刚度比较弱，因此需要利用布置中心很好的抵抗水平上的荷载。钢框架剪力墙结构系统中间部分的楼梯和电梯之间利用钢筋混凝土剪力墙，以便能够很好的抵抗水平外力造成的冲击。1.3楼盖体系。各层楼盖通常使用钢筋混凝土，按照结构计算楼盖厚度为110mm，在计算结构中，该楼盖具有足够的厚度，符合无限刚性的平面假定。三、建筑钢结构设计特点2.1钢结构材料具有较高的强度，塑性与韧性要比其他钢材建筑材料好，例如与木材、砖石作比较，其强度要高出很多。因此，在大跨度和大荷载的结构构件中频繁使用。钢材的特点还有良好的塑性与韧性。良好的塑性，在一定的条件下结构不会因为超载而产生断裂；良好的韧性，结构能够很好的适应动力荷载。钢结构具有的延伸性与吸能力还令其抗震性能十分优越。另一方面，钢材具有极高的强度，制作的构件截面极小且薄，受到压力时能够符合稳定的要求，有时无法充分发挥强度。2.2均匀的材质，钢材内部组织十分接近向同性和匀质，同时在一定的应力幅度范围内几乎是完全弹性的。因此，钢结构实际的受力状况比较符合工程力学计算的结果。在冶炼与轧制过程中钢材的质量能够获得十分严格的控制，材质在极小的范围内波动。2.3钢结构的制造比较简便，施工时间比较短。钢结构需要的材料比较单纯并且属于成材，加工十分简便，并且利用机械进行操作，因此，通常在专业的金属结构厂将钢结构制作为构件，具有较高的精确度。在工地上拼装构件，可以使用安装便捷的普通螺栓和强度较高的螺栓，有时候还能够在地面上进行拼装及焊接成比较大的单元之后进行吊装，以便能够尽量缩短施工时间。除此之外，已经建好的钢结构进行加固和改建也比较容易，采用螺栓对结构进行连接时可以根据需求实施拆迁。四、建筑钢结构设计问题及对策3.1独立基础设计荷载取值不恰当多层钢筋混凝土框架建筑大部分使用独立基础，当主要地基受力层没有软弱粘性土层时，没有达到8层并且高度不会超过25米的民用框架房屋或者多层框架厂房，可以不验算地基与基础的抗震承载力。也就是说，在8度之内的地震区域，大部分多层钢筋混凝土框架房屋可以不实行地基与基础的抗震能力的检验。可是设计这些房屋的基础时应当考虑风荷载造成的影响。整体计算多层钢筋混凝土框架房屋时，必须记录风荷载，不要因为风荷载不发挥作用就不进行考虑。3.2基础结构实施的设计为了确保构件具有的延性，应当在梁内配置符合要求的钢筋。耐火极限是两小时，预应力筋无粘结的保护层厚度应超过40mm。当前高层断肢剪力墙系统出于埋置深度的考虑，通常会设计地下室。基础则会利用桩筏基础。怎样对桩实行合理造型，将会对地下室的整体设计产生重要的经济影响。比如某一建筑工程，上部十九层带地下室，经过详细勘察，可以选择25米的预应力管桩，单桩桩长是34米，承载力特征值是900kN。使用25米桩共计290根，使用34米桩共计200根。通过比较桩身分析两种设计方案，总体桩延米数量相当，可是需要满樘布置25米桩，筏板厚度需要1200mm，而34米桩则采用墙下布置，可以将筏板减少到900mm，具有显著的经济性。因此，应当对基础选型的设计方案进行比较，才可以确定最终的合理经济方案。3.3平面结构设计一般来说，针对高层建筑，除了特殊的设计要求以外，高层建筑物不适合应用不规则的平面设计，应当尽量要求形状规则和简单，尽量均匀分布的承载力与刚度。对于不同抗震等级的建筑，其平面和突出部位尺寸的数值都应当在适合的范围内，同时最好不要使用重叠角部的平面图形。设计抗震结构时，高层建筑物应当尽可能调整布置结构与平面形状，防止出现防震缝。当必须设计防震缝时，针对框架结构来讲，高度不会超出15米时，缝宽不应当比100mm小，当高度已经超过15米时，应按照不同程度的烈度适当增加高度。断肢剪力墙在高规中具体是指不超过300mm的截面厚度，各肢截面的厚度与高度比值超过4但是不会超过8的剪力墙。按照实验获得的数据以及经验得出的数据，在高层建筑中对短肢剪力墙的应用增加了较多的限制，因此，在建筑钢结构设计过程中，设计人员需要尽量或者不使用短肢剪力墙。3.4竖向设计结构高层建筑物中最为重要的就是竖向结构，他对建筑物整体质量造成了直接影响。高层建筑物竖向应当尽量的均匀和规则，避免产生较大的内收和外挑。为了确保中心的稳定性，建筑物整体竖向结构应当属于上小下大的造型，同时逐渐发生变化。假如竖向结构不垂直或者并不是规则的上小下达的造型，此时就要单独外加设计来保证整体建筑物的平衡，维持稳定性。建筑物假如属于竖向内收造型，站在抗震角度分析，建筑楼层侧向上的刚度应超过上一楼层的70%。3.5楼盖设计结构高层建筑物中的楼盖设计，也会对整体建筑物质量造成影响。许多公司出于对成本的考虑，一般选择楼板预制作，这样就会增加建筑物抗震设计风险。国家明确规定，当高层建筑物超过50米时，高层建筑物的复杂结构应当使用现浇楼盖设计，混凝土等级强度不能小于C20。3.6设计抗震等级高层建筑物更加应当重视合理设计抗震等级，设计抗震时，建筑混凝土钢筋结构构件应当按照抗震设防分类、强烈程度、结构类别等采取不同的抗震级别，并且应当满足对应的结构要求。五、“设计规范”不能满足当前设计的需要应立即修改随着我国钢结构应用的迅速发展，钢铁行业已研制开发出优质中厚钢板，目前可大量供应工程应用，并于2000年颁布了行业标准YB4104-2000，这种牌号的Q235GJ、Q345GJ优质厚钢板有着良好的综合性能，如低厚板效应、良好的延性和冲击韧性、焊接性能和抗撕裂性能，能满足抗震设计钢结构用厚板的各种需要，其性能已优于日本SN50钢、美国A572-50级钢。新的国标GB/T19879-2005新增加了390MPa、420MPa、460MPa三个强度级别，已在鸟巢、央视、国贸等重大工程中应用，当前的“钢结构设计规范”都一直未对上述钢材新标准变化做出积极的反应，也为提出任何修改补充条文。致使设计与钢材新产品间的矛盾日益突出，许多设计人员不敢采用新品种钢材，为此建议立即着手修订有关规范以满足设计急需参考文献：1蔡玉春. 钢结构住宅产业化的现状与进展J