金 磊

青海省土木建筑設(shè)計(jì)院

探析建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)方法及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)

金 磊

青海省土木建筑設(shè)計(jì)院

科技的進(jìn)步發(fā)展，使得鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用范圍日益廣泛，其不僅用于輕鋼結(jié)構(gòu)和大跨結(jié)構(gòu)，更多的應(yīng)用于高層建筑中，與混凝土相比，其具有自重輕、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，因此其設(shè)計(jì)進(jìn)行分析具有重要意義。本文簡述了建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的主要特征及常用的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合某鋼結(jié)構(gòu)工程，對建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討分析。

建筑鋼結(jié)構(gòu)工程；特征；設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一、建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的主要特征

建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的特征主要表現(xiàn)為：(1)滿足超高度和超跨度的特征。鋼材組織均勻，接近于各向同性勻質(zhì)體，強(qiáng)度高，彈性模量亦高。其密度與強(qiáng)度的比值遠(yuǎn)小于磚石，混凝土，木材，在同樣受力情況下鋼結(jié)構(gòu)自重小，從而可以做成跨度較大和高度較高的結(jié)構(gòu)以及靈活的結(jié)構(gòu)形體。(2)具有設(shè)計(jì)與功能一體化的特征。在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中，結(jié)構(gòu)成為形象構(gòu)成的重要因素，結(jié)構(gòu)的形體、構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)從很大程度上導(dǎo)致并制約著建筑的形象。建筑與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與功能只有做到一體化，才能使建筑更富有功能化以便隨后的各個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行下去，創(chuàng)造出技術(shù)與藝術(shù)融為一體的建筑鋼結(jié)構(gòu)工程。(3)具有建設(shè)成本相對較低且工期短的特征。建筑鋼結(jié)構(gòu)工程模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了建筑工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，提高了建筑預(yù)工程化，使不同材料、不同形狀和不同制造方法的建筑構(gòu)配件具有一定的通用性和互換性。同時建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的預(yù)工程化使材料加工和安裝一體化，大大降低了建設(shè)成本，并加快了施工速度。

二、建筑鋼結(jié)構(gòu)工程常用的設(shè)計(jì)方法

建筑鋼結(jié)構(gòu)工程常用的設(shè)計(jì)方法主要有：(1)極限狀態(tài)法。極限狀態(tài)法是為了克服塑性設(shè)計(jì)法和容許應(yīng)力法所存在的缺陷，這種方法主要是采用荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗力來替代單一安全系數(shù)。目前，極限狀態(tài)法以是我國最常用的設(shè)計(jì)方法。其結(jié)構(gòu)由于荷載的作用，可在一定的周期內(nèi)達(dá)到兩種極限狀態(tài)，第一種是正常使用極限狀態(tài)，第二種是承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)所對應(yīng)的是結(jié)構(gòu)的安全性，主要是指構(gòu)件的塑性變形、斷裂等造成的結(jié)構(gòu)破壞。(2)容許應(yīng)力法。容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)原則表現(xiàn)為：其結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力應(yīng)小于結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)所規(guī)定的容許應(yīng)力。對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算應(yīng)力要按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)荷載，計(jì)算是以一階彈性理論而得到，是以一個去除材料并大于1的安全系數(shù)的極限應(yīng)力或是屈服應(yīng)力而確定。(3)塑性設(shè)計(jì)法。塑性設(shè)計(jì)法主要是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性性質(zhì)和強(qiáng)度要高于標(biāo)準(zhǔn)荷載的構(gòu)建乘以安全系數(shù)，在構(gòu)建內(nèi)力結(jié)構(gòu)分析中一般采用鋼塑性分析法或是一階塑性分析法。塑性設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后允許進(jìn)行內(nèi)力的重分布，但必須要求其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)能有足夠的延性。

三、建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析

1、某建筑鋼結(jié)構(gòu)工程概況。某工程為高層鋼結(jié)構(gòu)住宅樓，地下1層，地上13層，高度42m。負(fù)一層為停車場，層高4.5m；第一層為商鋪，層高3.8m；2~12為住宅層，層高3m，頂層為電梯機(jī)房。采用鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。

2、合理選擇結(jié)構(gòu)體系。本住宅樓決定采用鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，其具有結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能好以及構(gòu)件尺寸小等特征，從而在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)用較為廣泛。其中鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)還具有居住舒適、電梯間防火性能較好、安全疏散效果顯著等優(yōu)勢；其既可以滿足住宅居住的功能要求，又可以在底部樓層設(shè)置大空間的商場，達(dá)到了合理利用建筑空間的目的。

3、構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析。(1)鋼管混凝土框架柱，基于本住宅樓采用鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)優(yōu)選鋼管混凝土柱，其具有對外圍鋼管起到一定的約束作用，并使混凝土處于受壓狀態(tài)，這樣不僅提高了混凝土抗壓強(qiáng)度，而且使得混凝土的破壞特征具有一定的塑性，混凝土發(fā)揮了鋼材的強(qiáng)度，對外圍鋼管的局部屈曲起到了限制。鋼管混凝土柱解決了建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面尺寸大、整體剛度低、局部穩(wěn)定性差等問題。本工程采用Q345B鋼管混凝土柱，其鋼管型號有350×10，350×8兩種；強(qiáng)度等級為C40。(2)樓面體系。對于高層住宅鋼結(jié)構(gòu)樓板而言，可以采用兩種樓蓋，即壓型鋼板組合樓蓋和普通鋼筋混凝土樓蓋。前者由于成本高、天棚需要吊頂?shù)仍颍饕獞?yīng)用于施工條件差、建設(shè)工期要求較緊、需要設(shè)置滿堂腳手架等場所。而后者主要應(yīng)用于一般的高層鋼結(jié)構(gòu)住宅樓。本工程樓板采用100、120mm厚鋼筋混凝土，樓板通過鋼梁與抗剪栓釘?shù)倪B接，組成住宅鋼結(jié)構(gòu)樓蓋。地下室頂板采用鋼筋混凝土樓板，厚度為180mm，其框架梁采用鋼骨混凝土梁、次梁采用鋼筋混凝土梁。屋面梁采用軋制H型鋼，鋼梁分為HN345、HN248、H450×180×8×12等幾種型號。(3)鋼骨混凝土剪力墻。結(jié)合建筑整體計(jì)算，本住宅樓每幢1~4層的鋼筋混凝土樓面鋼梁與核心筒交接處以及核心筒四角應(yīng)設(shè)置鋼骨混凝土柱。而按照構(gòu)造要求，5~13層鋼梁與核心筒交接處應(yīng)設(shè)置鋼骨混凝土柱，鋼骨包括HW150、HW200等型號。

4、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析。(1)框架梁、柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析。對于本工程受力較大的框架梁、柱節(jié)點(diǎn)而言，應(yīng)采用帶懸臂梁段的節(jié)點(diǎn)形式，并確保懸臂梁段長度是梁高的兩倍。而對于未支撐次梁的框架梁的翼緣采用對接焊縫連接，框架梁、柱節(jié)點(diǎn)處及梁翼緣上下500mm的范圍內(nèi)的焊縫都采用對接焊縫方式。(2)主、次梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析。主、次梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時，通常采用鉸接進(jìn)行連接。主梁和次梁的連接節(jié)點(diǎn)采用剛結(jié)點(diǎn)形式連接，主梁主次梁翼緣采用對接焊縫連接，并在次梁上翼緣加蓋板，以傳遞其拉應(yīng)力。(3)柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析。鋼管混凝土柱采用外包式柱腳，且確保外包鋼筋混凝土高度與地下室層高保持一致。通過抗剪栓釘將一部分鋼管柱軸壓力傳遞給外包鋼筋混凝土，通過柱腳底板將一部分傳遞到基礎(chǔ)底面。

結(jié)束語

基于鋼結(jié)構(gòu)工程具有空間跨度大、造價低、結(jié)構(gòu)性能突出、安裝便利等特征，使得鋼結(jié)構(gòu)工程在現(xiàn)代高層建筑工程建設(shè)中應(yīng)用越來越普遍，因此為了保障其安全使用，必須加強(qiáng)對其設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

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