浅谈钢结构建筑的特点及设计
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作者: 王小娜
摘要：钢结构承载力高,可以实现结构的大开间布置,构件截面小,与砼结构和砖混结构相比,自重比较轻,地基的处理比较容易,可以采用天然基础型式。由于基础在工程造价中占有比重比较大,上部结构重量轻可以降低基础的造价,从而减少整个项目的投资。本文通过对钢结构的特点阐述，阐述了钢结构住宅的设计思路。
关键词：钢结构住宅可行性设计思路
钢结构是钢材制成的工程结构，通常有型钢和钢板等制成的梁、桁架、柱、板等构件组成，各部分之间用焊缝、螺栓、或铆钉连接，有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束。钢结构建筑在国外已有110多年的历史，1883年最早一幢钢结构高层建筑在美国芝加哥拔地而起，到了二次世界大战后由于地价的上涨和人口的迅速增长，以及对高层及超高层建筑的结构体系的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高，使高层和超高层建筑迅猛发展。钢筋混凝土结构在超高层建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面积比率越来越大，在超高层建筑中采用钢筋混凝土结构受到质疑；同时高强度钢材应运而生，在超高层建筑中采用部分钢结构或全钢结构的理论研究与设计建造可说是同步前进。
一、钢结构的特点
钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。它与传统的砖混结构及钢筋砼结构相比存在以下几个特点：
1、经济性
钢结构建筑采用先进的设计和加工工艺以及大规模的生产方式，所以可大大地降低造价。同时由于安装简单迅速而节省大量的施工费用，并使企业或开发商得以更快投产见效。传统的钢筋混凝土建筑土建费用高，且工期较长，费用易受不可预料因素的影响，如自然灾害，冬季、雨季施工，材料价格上涨等等。
2、施工进度
钢结构建筑能够快速地交货和安装，在合同签订后的四五个月内建筑物可望安装完成，且基本不受冬季施工的影响。?传统的钢筋混凝土结构施工速度较慢，工期可达8－10个月或更长。
3、承载能力
钢结构建筑重量通常仅相当于其设计承载能力的1/6，构件重量大大轻物钢筋混凝土构件。?传统的钢筋混凝土建筑，其结构本身的重量往往等于其设计承载能力，预制构件重，对吊装的设备要求较高。
4、基础造价
?钢结构建筑由于结构重量轻，柱底反力较小，从而节省大量的地基处理费用。传统的钢筋混凝土建筑，由于本身结构自重复杂，因而基础处理较复杂。在不良土质情况下，结构总造价的一半以上要用于基础。
5、抗震性
相同的荷载,钢结构截面最小，相同的截面,钢结构承载力最大。在抗震设防区,钢筋砼结构有许多不足之处,而钢结构重量轻,六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量,因此,本身所受的地震作用小。另外，钢结构建筑在破坏前有较大的变形，易于觉察和躲避。同时，由于重量轻和节点力学特性，钢结构建筑具有好的抗震性能。?传统的钢筋混凝土建筑基于混凝土的材料特性，钢筋混凝土建筑与轻钢结构相比更易产生脆性破坏，且抗震性能要明显低于钢结构建筑。
6、大空间及平面布置
在居住建筑中,建筑师和居民一直希望能够有大跨的无竖向结构的空间,钢结构建筑内部空间宽敞，最多可以达到60m的跨度。可较轻松地进行扩建和改建，可灵活布设各种工业管线。传统的钢筋混凝土建筑跨度受限制，必须采用预应力等技术才能达到15m以上跨度，内部空间布置受限制，柱多，空间浪费大。建成后，较难改劝其结构。结构设计与其他专业配合较为复杂。
7、移动性
钢结构建筑可采用螺栓连接，只需不多费用就可以很容易地被拆散、转移和易地组装，有很强的移动性。传统的钢筋混凝土建筑基本上不存在移动的可能性。
8、美观性
钢结构建筑诸如何网架结构等，具有较强烈的时代感和多变的外表，适于表达建筑师的想象。传统的钢筋混凝土建筑，尤其是工业建筑，开工比较单一、呆板缺少变化。
9、抗腐蚀性和耐火性
钢结构建筑如果长期暴露于空气或潮湿的环境中而未加有效的防护时，表面就会锈蚀。锈蚀就能引起应力集中，促使结构早期破坏。钢结构建筑耐热不耐火，由于钢材的特性，钢结构在450-650℃就会失去承载能力。一般未加保护的钢结构耐火性很低，就需要采取保护措施，从而大大增加费用。传统的钢筋混凝土结构具有较强的抗腐蚀性和较强的耐火性。从这方面讲，钢筋混凝土结构建筑的经济性较好。
二、钢结构住宅的设计思路
1、判断结构是否适合用钢结构
钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。
2、结构选型与结构布置
在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是"概念设计",它在结构选型与布置阶段尤其重要.对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计
3、预估截面
结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁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。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。
柱截面按长细比预估.通常50<λ<150,简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等.
4、结构分析
目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-Δ,p-δ.
新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构提供了条件。
5、构件设计
构件的设计首先是材料的选择。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理.经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面.构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面.这和结构内力计算的弹性方法并不匹配.当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级.并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。
6、节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一.在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定.常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免.按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接。
7、图纸编制
钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。
设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。
参考文献：
1、中华人民共和国国家标准《钢结构设计规范》（GBJ17-88）,北京。
2、罗邦富等编著，钢结构设计手册，中国建筑工业出版社，1996年。
3、上海市标准，《轻型钢结构设计规程》（DBJ08-68-97）上海，1998。
4、张中权等编著，冷弯薄壁型钢结构设计手册，中国建筑工业出版社，1996
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