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【摘 要】随着我国城市化进程加快及钢产量快速提高，钢结构在建筑结构的应用日益广泛，钢结构设计队伍逐步扩大。特别是近年建筑行业的高速发展和原材料匮乏，长期在多层建筑领域占统治地位的粘土砖逐渐退出历史舞台。但与此同时，钢结构建设资源的合理利用及可持续发展问题日益突出。 当前，制约我国钢结构建筑发展的主要因素是：钢结构建筑的造价高于钢筋混凝土结构。因此，在满足钢结构建筑规范的前提下，对钢结构建筑进行优化设计，减少结构用钢量，降低工程造价有重要意义。
【关键词】钢结构；建筑；设计
一、钢结构概述
1.1钢结构的含义及特点
钢结构是由型钢和钢板等组成的结构，形式多样：桁架、框架、网架、门刚等等；各构件或部件之间采用焊缝、螺栓或铆钉连接。钢结构的特点：钢材的组织结构均匀，接近于各向同性匀质体，因而钢结构的理论计算结果比较符合实际受力情况；钢材强度和弹性模量也高，因此与同强度才来相比，体积轻便：钢结构塑性和韧性好、适宜于承受振动和冲击荷载；钢结构便于机械化制造，精确度较高，安装方便，是工程结构中工业化程度最高的一种结构；施工较快，可尽快地发挥投资的经济效益。钢结构的密封性较好，但耐锈蚀性和耐火性较差，需采取防腐防锈及防火措施。
1.2钢结构的适用范围
基于以上优点，钢结构通常用于跨度大、高度大、荷载大、动力作用大的各种工程结构中，如工业厂房的承重骨架和吊车梁、大跨度的屋盖结构、高层建筑的骨架、大跨度的桥梁、起重机结构、塔架和桅杆结构、石油化工设备的框架、工作平台和海洋采油平台、管道支架、水工闸门等；也常用于可装拆搬迁的结构，如临时性展览馆、建筑工地用房、混凝土模板等。轻型钢结构常用于小跨度轻屋面的各类房屋、自动化高架仓库等。此外，容器结构、炉体结构和大直径管道等也常用钢材制成。
二、钢结构设计方法的介绍
1.容许应力法（ASD）
ASD的设计原则是：结构构件的计算应力不得大于结构设计规范所给定的容许应力。结构构件的计算应力是按规范规定的标准荷载，以一阶弹性理论计算得到：容许应力则是用一个由经验判断的大于1的安全系数去除材料的屈服应力或极限应力而确定。
容许应力法的主要优点是计算简单，但存在如下主要不足：（1）对于塑性材料，由于没有考虑结构在塑性阶段的承载潜力，其实际的安全水平偏高；（2）不能合理考虑结构几何非线性的影响；（3）由于采用单一安全系数，无法有效地反映抗力和荷载变异的独立性，致使承受不同类型荷载（如活载的变异性要比恒载的变异性大得多）的结构安全水平相差甚远；（4）不能从定量上度量结构的可靠度，更不能使各类结构的安全度达到同一水准。
2.塑性设计法（PD）
PD的设计原则是：结构构件的塑性极限承载力应不低于标准荷载引起的构件内力乘以安全系数。在结构分析中常采用一阶塑性分析法或刚塑性分析法。塑性设计法的主要优点是允许结构在进入塑性后进行内力重分布，这就要求结构和构件有足够延性，因而在塑性设计中截面腹板和翼缘的尺寸比例有严格的限制。虽然塑性设计法考虑了材料的非线性，可克服容许应力法中的缺陷（1），但材料屈服的扩展和结构构件的稳定性在结构设计中仍然没有反映。同时在结构可靠性方面，塑性设计法同容许应力法一样，还是由经验性的安全系数来保证。
三、基于轻钢结构设计的具体过程
3.1刚度设计
国标GBJl7-88《钢结构设计规范》对多层框架和有重级工作制吊车的厂房变形控制的要求作了较明确的规定。对普通单层结构，国标CECSl02：98《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》做出了具体的规定。结构变形主要涉及到适用性的问题，一般对结构的安全性涉及并不太深。而单层轻钢结构屋面一般是不上人的。笔者认为，设计时对单层轻钢结构厂房的变形控制是可以适当放宽的。放宽变形对于那些主要由变形控制的建筑有非常重要的经济意义。
3.2局部稳定设计
据弹性理论，四边简支板的临界剪应力为：
由式（2）知：板的局部失稳临界剪应力与（h/tw）2成反比，故h/tw越小越好，设计时为了节省钢材就须增大h/tw值以提高构件的抗弯模量。这时解决局部失稳往往可以不必增大腹板厚tw，一般是通过设加劲肋的方法来解决。在国标CBJl7-88《钢结构设计规范》中，h/tw ≥ 80设加劲肋的规定就是基于临界剪应力与抗剪屈服应力相等定出的。这个规定对于普通钢结构是合适的。但对于轻钢结构，因为荷载较小，往往剪应力也很小，要远远低于抗剪屈服应力。在低剪应力下，即使h/tw ≥ 80也不会产生局部失稳现象。因此，设计时若剪应力未达屈服剪应力，可不设加劲肋，这一点在轻钢设计中可适时考虑
3.3焊缝设计
在设计规范中受力焊缝已有明确的规定。此处所讲的焊缝指的是梁、柱腹板与翼缘板之间的焊缝。因为这些焊缝在轻钢结构的制作中占了绝大部分的焊接工作。梁柱腹板与翼缘之间的焊缝主要是传递翼缘与腹板之间的剪应力。翼缘与腹板之间剪力很小，因此所需焊缝亦可很小。在美国钢结构施工图中，这些焊缝的处理广泛地采用了单面焊缝，这使得焊接工作量大大地减少了。用自动焊机的生产能力提高了一倍左右。国内未能采用单面焊缝原因大致有：①目前国内大多数轻钢结构生产厂家还没有解决单面焊缝的非对称变形；②长期以来设计人员已形成习惯。笔者认为，若解决非对称变形问题，对梁翼缘与腹板之间的焊缝可以使用单面焊。至于那些受力大的重要部位仍须双面焊，如吊车梁、牛腿等。
四、建筑钢结构设计方法的改进
1.对现行方法的改进
由于现行建筑钢结构设计方法存在上述缺陷，不少研究者试图在弹性范围内对现行方法加以改进，这些工作包括：（1）对计算长度的改进；（ 2）采用名义荷载模型；（ 3）运用等效切线模量的概念。然而，无论这些方法本身的精度如何，它们都是试图以结构的弹性分析达到非弹性分析的结果，存在根本的局限性。
2.对新的结构设计方法的探讨
要彻底克服前述现行建筑钢结构设计方法中的前3种缺陷，必须建立以结构整体承载极限状态和结构整体极限承载力为目标的结构分析设计方法。为此，最近10年国内外学者提出了一系列较精确的适用于高等分析的二阶非弹性分析模型，并进一步考虑了梁柱连接半刚性节点域剪切变形以及它们的共同效应对结构极限承载力的影响等。
3.对结构体系可靠度计算方法的探讨
结构体系可靠度的计算方法大致可概括为：失效模式法、M onto Cark）法、响应面法和随机有限元法等。失效模式法由于无法与精确的结构非线性分析相结合，一般认为不能用于复杂结构体系的精确计算。响应面法通常将结构的极限状态面在设计验算点处作一阶或二阶近似，对于验算点处曲率变化较大的极限状态面可能导致较大的误差。随机有限元法是一种新兴的方法，它通常以低阶或高阶摄动理论为基础建立结构的随机有限元方程，由于其要求理论推导的严密性而限制了它在结构可靠度分析中的应用。Monte Cark法是一种简单但计算量大的方法，常作为校核其它方法的标准。然而随着各种包含降低抽样方差技巧的新方法出现，Monte Carlo法在结构可靠度分析中的应用将愈加普遍。
参考文献：
[1]申海啸，张玉生，蔡鹏.谈钢结构设计的一般过程[J].陕西建筑，2008年09期.
[2]马家军.钢结构设计步骤和设计思路[J].黑龙江科技信息，2008年05期.
[3]郭志先.浅谈钢结构设计步骤及思路与砖混结构设计[J].科技创新导报，2008年13期.
[4]郭东海.钢结构稳定设计的探讨[J].黑龙江科技信息，2011年23期.
【关键词】钢结构；建筑；设计
一、钢结构概述
1.1钢结构的含义及特点
钢结构是由型钢和钢板等组成的结构，形式多样：桁架、框架、网架、门刚等等；各构件或部件之间采用焊缝、螺栓或铆钉连接。钢结构的特点：钢材的组织结构均匀，接近于各向同性匀质体，因而钢结构的理论计算结果比较符合实际受力情况；钢材强度和弹性模量也高，因此与同强度才来相比，体积轻便：钢结构塑性和韧性好、适宜于承受振动和冲击荷载；钢结构便于机械化制造，精确度较高，安装方便，是工程结构中工业化程度最高的一种结构；施工较快，可尽快地发挥投资的经济效益。钢结构的密封性较好，但耐锈蚀性和耐火性较差，需采取防腐防锈及防火措施。
1.2钢结构的适用范围
基于以上优点，钢结构通常用于跨度大、高度大、荷载大、动力作用大的各种工程结构中，如工业厂房的承重骨架和吊车梁、大跨度的屋盖结构、高层建筑的骨架、大跨度的桥梁、起重机结构、塔架和桅杆结构、石油化工设备的框架、工作平台和海洋采油平台、管道支架、水工闸门等；也常用于可装拆搬迁的结构，如临时性展览馆、建筑工地用房、混凝土模板等。轻型钢结构常用于小跨度轻屋面的各类房屋、自动化高架仓库等。此外，容器结构、炉体结构和大直径管道等也常用钢材制成。
二、钢结构设计方法的介绍
1.容许应力法（ASD）
ASD的设计原则是：结构构件的计算应力不得大于结构设计规范所给定的容许应力。结构构件的计算应力是按规范规定的标准荷载，以一阶弹性理论计算得到：容许应力则是用一个由经验判断的大于1的安全系数去除材料的屈服应力或极限应力而确定。
容许应力法的主要优点是计算简单，但存在如下主要不足：（1）对于塑性材料，由于没有考虑结构在塑性阶段的承载潜力，其实际的安全水平偏高；（2）不能合理考虑结构几何非线性的影响；（3）由于采用单一安全系数，无法有效地反映抗力和荷载变异的独立性，致使承受不同类型荷载（如活载的变异性要比恒载的变异性大得多）的结构安全水平相差甚远；（4）不能从定量上度量结构的可靠度，更不能使各类结构的安全度达到同一水准。
2.塑性设计法（PD）
PD的设计原则是：结构构件的塑性极限承载力应不低于标准荷载引起的构件内力乘以安全系数。在结构分析中常采用一阶塑性分析法或刚塑性分析法。塑性设计法的主要优点是允许结构在进入塑性后进行内力重分布，这就要求结构和构件有足够延性，因而在塑性设计中截面腹板和翼缘的尺寸比例有严格的限制。虽然塑性设计法考虑了材料的非线性，可克服容许应力法中的缺陷（1），但材料屈服的扩展和结构构件的稳定性在结构设计中仍然没有反映。同时在结构可靠性方面，塑性设计法同容许应力法一样，还是由经验性的安全系数来保证。
三、基于轻钢结构设计的具体过程
3.1刚度设计
国标GBJl7-88《钢结构设计规范》对多层框架和有重级工作制吊车的厂房变形控制的要求作了较明确的规定。对普通单层结构，国标CECSl02：98《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》做出了具体的规定。结构变形主要涉及到适用性的问题，一般对结构的安全性涉及并不太深。而单层轻钢结构屋面一般是不上人的。笔者认为，设计时对单层轻钢结构厂房的变形控制是可以适当放宽的。放宽变形对于那些主要由变形控制的建筑有非常重要的经济意义。
3.2局部稳定设计
据弹性理论，四边简支板的临界剪应力为：
由式（2）知：板的局部失稳临界剪应力与（h/tw）2成反比，故h/tw越小越好，设计时为了节省钢材就须增大h/tw值以提高构件的抗弯模量。这时解决局部失稳往往可以不必增大腹板厚tw，一般是通过设加劲肋的方法来解决。在国标CBJl7-88《钢结构设计规范》中，h/tw ≥ 80设加劲肋的规定就是基于临界剪应力与抗剪屈服应力相等定出的。这个规定对于普通钢结构是合适的。但对于轻钢结构，因为荷载较小，往往剪应力也很小，要远远低于抗剪屈服应力。在低剪应力下，即使h/tw ≥ 80也不会产生局部失稳现象。因此，设计时若剪应力未达屈服剪应力，可不设加劲肋，这一点在轻钢设计中可适时考虑
3.3焊缝设计
在设计规范中受力焊缝已有明确的规定。此处所讲的焊缝指的是梁、柱腹板与翼缘板之间的焊缝。因为这些焊缝在轻钢结构的制作中占了绝大部分的焊接工作。梁柱腹板与翼缘之间的焊缝主要是传递翼缘与腹板之间的剪应力。翼缘与腹板之间剪力很小，因此所需焊缝亦可很小。在美国钢结构施工图中，这些焊缝的处理广泛地采用了单面焊缝，这使得焊接工作量大大地减少了。用自动焊机的生产能力提高了一倍左右。国内未能采用单面焊缝原因大致有：①目前国内大多数轻钢结构生产厂家还没有解决单面焊缝的非对称变形；②长期以来设计人员已形成习惯。笔者认为，若解决非对称变形问题，对梁翼缘与腹板之间的焊缝可以使用单面焊。至于那些受力大的重要部位仍须双面焊，如吊车梁、牛腿等。
四、建筑钢结构设计方法的改进
1.对现行方法的改进
由于现行建筑钢结构设计方法存在上述缺陷，不少研究者试图在弹性范围内对现行方法加以改进，这些工作包括：（1）对计算长度的改进；（ 2）采用名义荷载模型；（ 3）运用等效切线模量的概念。然而，无论这些方法本身的精度如何，它们都是试图以结构的弹性分析达到非弹性分析的结果，存在根本的局限性。
2.对新的结构设计方法的探讨
要彻底克服前述现行建筑钢结构设计方法中的前3种缺陷，必须建立以结构整体承载极限状态和结构整体极限承载力为目标的结构分析设计方法。为此，最近10年国内外学者提出了一系列较精确的适用于高等分析的二阶非弹性分析模型，并进一步考虑了梁柱连接半刚性节点域剪切变形以及它们的共同效应对结构极限承载力的影响等。
3.对结构体系可靠度计算方法的探讨
结构体系可靠度的计算方法大致可概括为：失效模式法、M onto Cark）法、响应面法和随机有限元法等。失效模式法由于无法与精确的结构非线性分析相结合，一般认为不能用于复杂结构体系的精确计算。响应面法通常将结构的极限状态面在设计验算点处作一阶或二阶近似，对于验算点处曲率变化较大的极限状态面可能导致较大的误差。随机有限元法是一种新兴的方法，它通常以低阶或高阶摄动理论为基础建立结构的随机有限元方程，由于其要求理论推导的严密性而限制了它在结构可靠度分析中的应用。Monte Cark法是一种简单但计算量大的方法，常作为校核其它方法的标准。然而随着各种包含降低抽样方差技巧的新方法出现，Monte Carlo法在结构可靠度分析中的应用将愈加普遍。
参考文献：
[1]申海啸，张玉生，蔡鹏.谈钢结构设计的一般过程[J].陕西建筑，2008年09期.
[2]马家军.钢结构设计步骤和设计思路[J].黑龙江科技信息，2008年05期.
[3]郭志先.浅谈钢结构设计步骤及思路与砖混结构设计[J].科技创新导报，2008年13期.
[4]郭东海.钢结构稳定设计的探讨[J].黑龙江科技信息，2011年23期.