论文部分内容阅读
【摘 要】 当前，在建筑工程中钢结构得到了越来越广泛的应用，相对于钢筋混凝土，它具有工期较短及稳定性能更强的优势，对于建筑物本身的安全稳定性能及行业的利益发展都具有重要的影响意义。本文就主要对钢结构在高层建筑结构设计中的应用进行了简要分析。
【关键词】 高层建筑；钢结构；结构设计
引言：
钢结构并不是一种独立存在的部件，在建筑行业内的定义是将钢材经过特殊工艺处理后当做一种受力构件，经过处理后形成的钢结构自身具备很强的抗震能力和高强度的特点，这使得建筑的稳定性有所保障，此外承载能力高的优势也决定了钢结构在建筑施工中能偶尔替代混凝土的作用。现今，我国的建筑行业正在不断的发展中进步着，大量钢结构在高层建筑中的使用保障了高层建筑的质量，也就要求设计师在钢结构设计上花费更多的心思，想出更多创新性的设计方案。
一、高层建筑钢结构和混凝土结构的性能比较
1、钢材料自重小、延性好、抗震性强
钢结构构件结构断面小、自重轻。高层钢筋砼建筑物的自重多数在1.5-2.0T/m左右，而高层建筑钢结构自重大都在1T/m以下，这样就可使梁柱尤其是抗侧力结构的材料减少很多，这对地震区高层建筑结构是非常有利的。其次，钢结构的延性比混凝土的延性好得多，不仅能减弱地震反应.而且具有抵抗强烈地震的变形能力。我国唐山地震、汶川地震中，多层砖混结构预制板建筑几乎全部塌坍，早期修建的旧式简易钢结构则很多发生不可修复的大变形但未倒塌，钢结构完全倒塌的数目比例很少。
2、施工速度快，可以缩短施工工期
钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，能成批大量生产，便于机械化制造。在现场安装时，不需搭设大量的脚手架，同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板，无需另行支设模板。钢结构工程的柱子一般取3～4层为一个施工段，在现场一次吊装，而且柱子的吊装、钢框架的安装、钢筋砼核心筒的浇筑、组合楼盖的施工等，可以实行立体交叉作业。通常钢结构平均每4天完成一层，而钢筋混凝土结构平均每6天完成一层，钢结构的施工速度可快于钢筋混凝土结构约20%～30%。
3、钢结构能增加使用面积
由于钢材具有较高的强度，采用钢结构，柱截面大大减小。结构面积减小，相应的建筑楼层面积增加，增加了建筑物的使用价值，且为业主带来不少的经济效益。据统计，高层建筑钢结构的结构占有面积只是同类钢筋砼结构面积的30%～60%，采用钢结构可以增加使用面积4%～8%。此外，在楼层净高相同的情况下，钢结构的楼层高度可比混凝土结构的楼层高度小，从而减少外围护墙面积，减少建筑维护费。此外，钢结构建筑在使用过程中易于改造，变动比较容易、灵活。
4、钢结构建筑造价不高
钢结构的造价与当年钢铁的生产量、加工水平、钢材品种、规格、设计技术水平等有关，据相关研究表明，钢结构与钢筋混凝土结构的工程总投资差价约为5%～10%。同时，还因结构自重减轻而降低基础造价，增加建筑使用面积和缩短施工周期。20层左右的钢结构，施工工期只有30个月左右，与同等高度的钢筋砼结构相比，可缩短工期半年左右，因此可以达到提高工程综合效益的目的。
二、高层建筑钢结构设计的技术要点分析
高层建筑钢结构的设计不仅要结合建筑物在生活中的实际用途，還需要考虑建筑在面临恶劣环境时的抗压能力，所以在项目设计中，需要进行多方面的研究与探讨，制定并择取最优设计方案。高层建筑的钢结构设计要点，总结了几点如下：
1、钢结构选型与布置
由于结构选型涉及广泛，做结构选型及布置应该具体工程具体分析。应根据工程的条件和特点，综合考虑建筑的使用功能、荷载性能、制作安装、材料供应等因素，择优选择抗震性能良好，而又经济合理的结构体系和结构形式，对高烈度设防的高层钢结构，宜选用钢框一支、钢框一筒或钢一筒中筒等钢结构体系。
2、估算构件截面
结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是粱柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。估算构件截面的工作内容包括：设定梁柱与支撑断面的大小和形状；根据需求选择钢梁；估算支座与载荷的情况，确定截面的高度；确定翼缘宽度；根据截面高度和翼缘宽度估算板件的厚度。
3、构件的设计
构件设计中首先要做的是选择材料。从管理角度上看，主结构选择单一的钢种有利于管理工作的实施，而从经济的角度看，不同强度的钢材也可以完成截面的组合。在实际的设计工作中，一般使用专门的软件对截面进行验算。机构工程是在构件设计中应当注意的问题有两点：当截面不能估算的时候，应当采取两种措施：强度达不到标准的时候增加板件厚度，弯度达不到标准的时候增加翼缘厚度，抗剪达不到标准的时候增加腹板厚度；二是变形超限的时候，为了节省成本，一般采取增加截面高度的方法。
4、节点设计
节点设计是钢结构设计中的重要问题之一。按照传力特点节点分为刚接、铰接与半刚接三种。不同的连接方式对于结构的影响是不同的。节点的设计主要包括五个方面：焊接。焊接的焊缝形式与尺寸都有严格的规定，在焊接过程中必须遵守。另外，焊条应该与金属连接材料匹配。栓接。高层建筑钢结构连接传力螺栓通常使用高强螺栓，适合选择10.9s强度等级。选择螺栓的类型可以是扭剪类型，连接型全部使用摩擦类型。梁腹板。对栓孔位置的腹板抗剪净截面实施验算，连接高强承压型螺栓还要对局部孔壁的承压能力进行验算。连接板。将梁腹板加厚4mm，不过需要进行抗剪净截面验算。节点设计还需要考虑的是考虑螺栓的安装、现场焊接等工作空间与吊装构件的具体顺序等。
三、加强钢结构建筑在设计管理主要措施
1、加强对设计人员的技术培训和素质培训
要对相应的设计人员展开专业的技术培训和综合素质培训，使他们不仅具有较高的业务水平，还应具有较好的责任心。相关设计人员要对工程的难度有合理的预测，对一些关键的环节和重要的步骤，要做到心中有数，做好钢结构的各个节点的优化工作，保证设计的系统和完整。
2、完善施工图在设计上的审核制度
要严格按照相应的规章制度来进行设计图纸的会签和审核制度，保证预埋件、管线布置、预留孔的合理和系统。同时，对图纸做好详细的检查工作，尽量减少之后的施工环节中的设计变更。
3、重视钢结构节点的设计
钢结构系统中的节点的设计具有很重要的作用，要对其有足够的重视，在设计过程中要保证其可靠安全，并且最大可能的采用可靠、稳定、简便的施工工艺，应尽量采用高强螺栓连接和栓焊混合连接，减少甚至避免钢结构节点的焊缝连接方法。
4、做好防腐设计
在考虑钢结构的防腐设计时，要综合考虑当地大气环境的腐蚀环境、现场的湿度和温度、防腐的年限、装饰的相关要求、钢结构所处的具体位置等各种条件，根据具体情况选用最佳的方案。
四、结束语
伴随着社会经济的迅猛发展，我国的建筑行业也是在不断发展中飞速前进。建筑的安全性能也更应该引起建筑师的注意。高层建筑中钢结构的设计不是简单的将建筑付诸于施工阶段即可，它是一项责任十分重大的工作，直接关系到人民群众的生命安全和建筑工程的经济收益。总而言之，钢结构设计在建筑工程中有着不可或缺的重要作用，随着时代的变化，有关设计单位和技术人员也需要采用新的理念和方法，保障钢结构在建筑工程中的安全性和稳定性，使得我国的建筑事业在孜孜不倦的摸索中稳定前进。
参考文献：
[1]郭东海.钢结构稳定设计的探讨[J].黑龙江科技信息，2011.
[2]龚海龙，侯舒兰.钢结构稳定性设计的研究与分析[J].科技传播，2010.
[3]孙成明.国内高层建筑钢结构设计路线的优化[J].四川建筑科学，2011.
【关键词】 高层建筑；钢结构；结构设计
引言：
钢结构并不是一种独立存在的部件，在建筑行业内的定义是将钢材经过特殊工艺处理后当做一种受力构件，经过处理后形成的钢结构自身具备很强的抗震能力和高强度的特点，这使得建筑的稳定性有所保障，此外承载能力高的优势也决定了钢结构在建筑施工中能偶尔替代混凝土的作用。现今，我国的建筑行业正在不断的发展中进步着，大量钢结构在高层建筑中的使用保障了高层建筑的质量，也就要求设计师在钢结构设计上花费更多的心思，想出更多创新性的设计方案。
一、高层建筑钢结构和混凝土结构的性能比较
1、钢材料自重小、延性好、抗震性强
钢结构构件结构断面小、自重轻。高层钢筋砼建筑物的自重多数在1.5-2.0T/m左右，而高层建筑钢结构自重大都在1T/m以下，这样就可使梁柱尤其是抗侧力结构的材料减少很多，这对地震区高层建筑结构是非常有利的。其次，钢结构的延性比混凝土的延性好得多，不仅能减弱地震反应.而且具有抵抗强烈地震的变形能力。我国唐山地震、汶川地震中，多层砖混结构预制板建筑几乎全部塌坍，早期修建的旧式简易钢结构则很多发生不可修复的大变形但未倒塌，钢结构完全倒塌的数目比例很少。
2、施工速度快，可以缩短施工工期
钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，能成批大量生产，便于机械化制造。在现场安装时，不需搭设大量的脚手架，同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板，无需另行支设模板。钢结构工程的柱子一般取3～4层为一个施工段，在现场一次吊装，而且柱子的吊装、钢框架的安装、钢筋砼核心筒的浇筑、组合楼盖的施工等，可以实行立体交叉作业。通常钢结构平均每4天完成一层，而钢筋混凝土结构平均每6天完成一层，钢结构的施工速度可快于钢筋混凝土结构约20%～30%。
3、钢结构能增加使用面积
由于钢材具有较高的强度，采用钢结构，柱截面大大减小。结构面积减小，相应的建筑楼层面积增加，增加了建筑物的使用价值，且为业主带来不少的经济效益。据统计，高层建筑钢结构的结构占有面积只是同类钢筋砼结构面积的30%～60%，采用钢结构可以增加使用面积4%～8%。此外，在楼层净高相同的情况下，钢结构的楼层高度可比混凝土结构的楼层高度小，从而减少外围护墙面积，减少建筑维护费。此外，钢结构建筑在使用过程中易于改造，变动比较容易、灵活。
4、钢结构建筑造价不高
钢结构的造价与当年钢铁的生产量、加工水平、钢材品种、规格、设计技术水平等有关，据相关研究表明，钢结构与钢筋混凝土结构的工程总投资差价约为5%～10%。同时，还因结构自重减轻而降低基础造价，增加建筑使用面积和缩短施工周期。20层左右的钢结构，施工工期只有30个月左右，与同等高度的钢筋砼结构相比，可缩短工期半年左右，因此可以达到提高工程综合效益的目的。
二、高层建筑钢结构设计的技术要点分析
高层建筑钢结构的设计不仅要结合建筑物在生活中的实际用途，還需要考虑建筑在面临恶劣环境时的抗压能力，所以在项目设计中，需要进行多方面的研究与探讨，制定并择取最优设计方案。高层建筑的钢结构设计要点，总结了几点如下：
1、钢结构选型与布置
由于结构选型涉及广泛，做结构选型及布置应该具体工程具体分析。应根据工程的条件和特点，综合考虑建筑的使用功能、荷载性能、制作安装、材料供应等因素，择优选择抗震性能良好，而又经济合理的结构体系和结构形式，对高烈度设防的高层钢结构，宜选用钢框一支、钢框一筒或钢一筒中筒等钢结构体系。
2、估算构件截面
结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是粱柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。估算构件截面的工作内容包括：设定梁柱与支撑断面的大小和形状；根据需求选择钢梁；估算支座与载荷的情况，确定截面的高度；确定翼缘宽度；根据截面高度和翼缘宽度估算板件的厚度。
3、构件的设计
构件设计中首先要做的是选择材料。从管理角度上看，主结构选择单一的钢种有利于管理工作的实施，而从经济的角度看，不同强度的钢材也可以完成截面的组合。在实际的设计工作中，一般使用专门的软件对截面进行验算。机构工程是在构件设计中应当注意的问题有两点：当截面不能估算的时候，应当采取两种措施：强度达不到标准的时候增加板件厚度，弯度达不到标准的时候增加翼缘厚度，抗剪达不到标准的时候增加腹板厚度；二是变形超限的时候，为了节省成本，一般采取增加截面高度的方法。
4、节点设计
节点设计是钢结构设计中的重要问题之一。按照传力特点节点分为刚接、铰接与半刚接三种。不同的连接方式对于结构的影响是不同的。节点的设计主要包括五个方面：焊接。焊接的焊缝形式与尺寸都有严格的规定，在焊接过程中必须遵守。另外，焊条应该与金属连接材料匹配。栓接。高层建筑钢结构连接传力螺栓通常使用高强螺栓，适合选择10.9s强度等级。选择螺栓的类型可以是扭剪类型，连接型全部使用摩擦类型。梁腹板。对栓孔位置的腹板抗剪净截面实施验算，连接高强承压型螺栓还要对局部孔壁的承压能力进行验算。连接板。将梁腹板加厚4mm，不过需要进行抗剪净截面验算。节点设计还需要考虑的是考虑螺栓的安装、现场焊接等工作空间与吊装构件的具体顺序等。
三、加强钢结构建筑在设计管理主要措施
1、加强对设计人员的技术培训和素质培训
要对相应的设计人员展开专业的技术培训和综合素质培训，使他们不仅具有较高的业务水平，还应具有较好的责任心。相关设计人员要对工程的难度有合理的预测，对一些关键的环节和重要的步骤，要做到心中有数，做好钢结构的各个节点的优化工作，保证设计的系统和完整。
2、完善施工图在设计上的审核制度
要严格按照相应的规章制度来进行设计图纸的会签和审核制度，保证预埋件、管线布置、预留孔的合理和系统。同时，对图纸做好详细的检查工作，尽量减少之后的施工环节中的设计变更。
3、重视钢结构节点的设计
钢结构系统中的节点的设计具有很重要的作用，要对其有足够的重视，在设计过程中要保证其可靠安全，并且最大可能的采用可靠、稳定、简便的施工工艺，应尽量采用高强螺栓连接和栓焊混合连接，减少甚至避免钢结构节点的焊缝连接方法。
4、做好防腐设计
在考虑钢结构的防腐设计时，要综合考虑当地大气环境的腐蚀环境、现场的湿度和温度、防腐的年限、装饰的相关要求、钢结构所处的具体位置等各种条件，根据具体情况选用最佳的方案。
四、结束语
伴随着社会经济的迅猛发展，我国的建筑行业也是在不断发展中飞速前进。建筑的安全性能也更应该引起建筑师的注意。高层建筑中钢结构的设计不是简单的将建筑付诸于施工阶段即可，它是一项责任十分重大的工作，直接关系到人民群众的生命安全和建筑工程的经济收益。总而言之，钢结构设计在建筑工程中有着不可或缺的重要作用，随着时代的变化，有关设计单位和技术人员也需要采用新的理念和方法，保障钢结构在建筑工程中的安全性和稳定性，使得我国的建筑事业在孜孜不倦的摸索中稳定前进。
参考文献：
[1]郭东海.钢结构稳定设计的探讨[J].黑龙江科技信息，2011.
[2]龚海龙，侯舒兰.钢结构稳定性设计的研究与分析[J].科技传播，2010.
[3]孙成明.国内高层建筑钢结构设计路线的优化[J].四川建筑科学，2011.