淺談建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及設(shè)計要點

李偉男

摘要：當前鋼結(jié)構(gòu)應用越來越普遍，以它強大優(yōu)勢占據(jù)著建筑領(lǐng)域相當大的比例。與混凝土相比，它有自重輕、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的優(yōu)點。本文從建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程、設(shè)計方法、穩(wěn)定性設(shè)計、設(shè)計要點這幾方面進行了闡述，以供參考。

關(guān)鍵詞：建筑鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計方法；設(shè)計要點

鋼結(jié)構(gòu)具有空間跨度大、結(jié)構(gòu)性能突出、施工快、安裝便利等優(yōu)勢。建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，要對其優(yōu)勢有所了解，并對設(shè)計中需注意的問題有明確的認識，才能設(shè)計出合格的結(jié)構(gòu)，從而在建筑運用中取得更好的效益。

一、建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖和鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖的區(qū)別。

我國鋼結(jié)構(gòu)施工圖紙的設(shè)計分為2個階段：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖和鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖是在結(jié)構(gòu)計算的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)體系、整體布置和節(jié)點連接方式進行的整體描述，鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖設(shè)計是在設(shè)計圖的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進行的二次設(shè)計，這也是鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖與混凝土的施工圖紙實質(zhì)性的區(qū)別。鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖設(shè)計必須以鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙為依據(jù)，結(jié)合工程概況、鋼結(jié)構(gòu)加工、運輸和安裝等施工工藝和其他專業(yè)的配合進行。其主要內(nèi)容有：使用計算機放樣制圖或使用詳圖軟件建立結(jié)構(gòu)空間實體模型制圖，提供制造加工和安裝的施工詳圖、構(gòu)件清單及設(shè)計說明。

2、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體步驟及計算工具。

進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時首先需要判斷結(jié)構(gòu)是否適合采用鋼結(jié)構(gòu)，一般說來，鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。然后，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式的特點進行結(jié)構(gòu)選型，根據(jù)建筑要求進行結(jié)構(gòu)布置。國內(nèi)在進行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時一般采用建研院的PKPM軟件中的STS模塊或同濟大學的3D3S軟件，但隨著時代發(fā)展，越來越多的設(shè)計軟件投入到工程設(shè)計中，如Midas、Ansys、Sap2000、盈建科等，為今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計復核提供了越來越多的選擇。

3、鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計的具體步驟及詳圖繪制工具。

首先在做詳圖之前，我們需了解鋼結(jié)構(gòu)的組成部分、構(gòu)件的加工順序、焊縫的表示方法等。在此基礎(chǔ)上進行二次深化設(shè)計，深化設(shè)計的一般步驟如下：①熟悉鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖；②與相關(guān)專業(yè)溝通；③建模型及繪制詳圖。詳圖設(shè)計一般采用CAD或TEKLA軟件建模。

4、不同軟件之間的優(yōu)劣對比

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計師們多選擇PKPM及3D3S的原因在于其對國內(nèi)規(guī)范理解更深刻，出圖更符合國人習慣。但多年來軟件更新速度較慢，操作界面不友好和計算過程不透明等詬病給設(shè)計師們也造成了困擾。如今設(shè)計軟件眾多，設(shè)計師們應該豐富自己掌握的計算軟件種類，了解其特點，如Midas的快速前處理、Ansys及Spa2000的強大計算功能、盈建科的豐富數(shù)據(jù)接口等，選擇合適的計算軟件進行計算及復核。

鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖設(shè)計時，Auto CAD其強大的圖形編輯功能，可以用于零件放樣和材料表繪制，但其最大的缺點是不能方便的建立3D模型，從而出現(xiàn)一些不必要的錯誤，導致安裝困難。而TEKLA和PKPM（STXT）可以直觀地觀察到3D模型，也能自動生成2D加工詳圖，提供完整的2D圖畫編輯功能及構(gòu)件碰撞校核功能，但其生成的圖紙標注不夠清晰，不適于車間工人快速識圖，所以調(diào)圖的時間很多。一般小項目采用三種方法均可，但對于大型的復雜項目，鑒于TEKLA出錯率低，多采用TEKLA進行深化設(shè)計。

二、建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

1、塑性設(shè)計法。采用塑性設(shè)計原則是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性性質(zhì)和強度要高于標準荷載乘以安全系數(shù)，在構(gòu)件內(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)計法的主要優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)進入塑性后允許進行內(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，在設(shè)計中嚴格的限制了翼緣和截面腹板的比例尺寸。塑性設(shè)計法雖然考慮到了非線性，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計中依然不能反映出結(jié)構(gòu)構(gòu)件與材料屈服的擴展。

2、容許應力法。容許應力的設(shè)計原則是：其結(jié)構(gòu)計算應力應小于結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計所規(guī)定的容許應力。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算應力按荷載標準值以線性彈性理論計算；容許應力由規(guī)定的材料彈性極限（或極限強度）除以大于1的單一安全系數(shù)而得。容許應力主要存在的缺點在于：第一，不能合理的考慮到結(jié)構(gòu)幾何的非線性影響；第二，由于容許應力法采用的是單一安全系數(shù)，不能反映出荷載變異和抗力的獨立性等，結(jié)果較為保守。

3、極限狀態(tài)法。極限狀態(tài)法是為了克服塑性設(shè)計法和容許應力法所存在的缺陷而提出的，這種方法主要是采用荷載分項系數(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)計方法。其結(jié)構(gòu)由于荷載的作用，可在一定的周期內(nèi)達到兩種極限狀態(tài)，第一種是承載能力極限狀態(tài)，第二種是正常使用極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)所對應的是結(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。正常使用極限狀態(tài)所對應的是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能中某項規(guī)定限度的狀態(tài)。

三、建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計

在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)的過程中，需遵循其結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，保證鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠，從而有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。在了解鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則時，首先要區(qū)別強度和穩(wěn)定，強度關(guān)鍵取決于材料特征，對于脆性材料都要取最大強度，如混凝土；對于鋼材則取屈服點，而穩(wěn)定在解決強度問題時，需找出其不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，這種不穩(wěn)定狀態(tài)存在于內(nèi)部抵抗力與外部荷載之間，也是變形快速增長的開始點，通過這樣區(qū)分，可以指導強度問題最主要就是一個變形問題。

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性特點首先分為結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定兩方面。其次，從鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度和失穩(wěn)方面來看，應采用現(xiàn)行規(guī)范的折減系數(shù)法和臨界壓力求解法來進行穩(wěn)定計算，對于軸心壓桿的穩(wěn)定計算通常用這兩種方法。再次，在彈性穩(wěn)定計算的過程中，不止考慮結(jié)構(gòu)整體性特點，還應考慮二階分析，這主要是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)力會受到柔性構(gòu)件大變形的影響。

四、建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

1、加強對鋼結(jié)構(gòu)受力體系以及細部節(jié)點的設(shè)計。首先，針對鋼結(jié)構(gòu)受力體系設(shè)計而言，要確保結(jié)構(gòu)體系的傳力途徑簡單，破壞機制明確，保證強柱弱梁和強節(jié)點弱構(gòu)件的構(gòu)造要求。其次，鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計要求細致且設(shè)計內(nèi)容復雜，都需要對細部節(jié)點進行嚴格的控制。

2、鋼材的選擇。對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，選材是一項極為重要且難度較大的工作。究其原因，一方面是我國鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展，鋼材的種類繁多，要從眾多的鋼材種類中選出適合某種建筑工程的鋼材是有難度的；另一方面是因為目前鋼結(jié)構(gòu)建筑的種類也在不斷增加，不同建筑物對鋼結(jié)構(gòu)的強度、變形度、疲勞應力等方面的要求也不一致，因此選擇合適的鋼材顯得至關(guān)重要，否則就不能充分發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)建筑的功用。

3、判斷鋼結(jié)構(gòu)的適用性?，F(xiàn)今建筑行業(yè)中，鋼結(jié)構(gòu)多是用于跨度和荷載較大、體型復雜的建筑中。要求其能夠承受較高的溫度、方便拆卸、能夠承受大幅度的振動、密封嚴實，因此在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計之前必須要對這些方面進行全面的分析，考慮所設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)是否適用、能否滿足要求。

五、結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計擁有眾多的優(yōu)勢和利于人們可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)。隨著科學的進步，時代的發(fā)展和人們的生活態(tài)度、習性的改變，越來越多的鋼結(jié)構(gòu)建筑將會從觀賞性建筑走向人們的生活區(qū)間。在不久的未來，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計勢必將成為未來建筑的主流。

參考文獻

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