建筑钢结构设计

摘 要：本文阐述了建筑钢结构设计理论,介绍了建筑钢结构设计的思路和步骤,对建筑钢结构设计进行了分析探讨.

关 键 词：建筑；钢结构；设计；初探

未来钢结构建设将成为建筑施工的一项重要部分,施工建筑人员为了保证钢结构的稳定性和安全性,需要从设计层面进行详细的规划和设计,只要设计合理,并保证其施工质量,未来的钢结构将可能取代混凝土的施工建设.

近年来,钢筋混凝土施工工艺在建筑施工过程中质量问题屡见不鲜,为了克服这一困难,钢结构建筑施工建材应运而生.由于我国的钢结构使用范围有限,经验认识不足,为此,需要从国外的发达国家借鉴成功经验.数据调查表明,钢结构的质量保证首先需要确保设计合理性,下面将对钢结构的设计问题进行系统的分析.

1建筑钢结构设计理论

1.1结构布置的依据

钢结构的设计应该从经济和物理两个角度进行判断,一方面,钢结构用于施工建设过程中需要保证其经济成本相对较低,提高用户的接受程度,另一方面为了保证钢结构的施工质量,需要提高钢结构的物理学受力能力,具体体现在结构布局一定要根据体系特征、荷载分布情况及其性质进行综合考虑.一般情况下,如果刚度均匀,力学模型清晰,应尽可能地限制大荷载以及移动荷载的影响范围,让它以最直接的线路传递到基础.而特别需要注意的是,柱间抗侧支撑的分布一定要均匀,共形心要尽可能的向风震的作用线靠近,不然就要考虑整体结构的扭转以及结构抗侧的多道防线.

1.2结构分析和工程判定

当代建筑通过计算机软件系统的结构分析技术改变了传统的结构分析方法,提高了分析工作的工作效率,同时也提高了分析数据的高度准确性,但是我们应该注意到,由于实际施工中的突发因素较多,地质情况等及其复杂,软件分析的结果需要结合相应的人工实地考察结果,只有这样结构分析才能够具有可操作性.另外,工程判定工作也可以通过计算机网络技术进行结构建模,通过模型建立分析建筑施工的优势和劣势,并集中对劣势采取相应的措施进行弥补.

2建筑钢结构设计的思路和步骤

为了保证钢结构设计的科学性,需要设计工作者严格按照既定的设计步骤进行操作,并注意不同环节的细节工作落实.

2.1钢结构的形式与布置

钢结构主要有框架、平面架、网架、索膜、轻钢以及塔桅等结构形式.每个形式都有其各自的特点,在我们选型的时候要结合具体情况充分考虑他们的特点.虽然钢结构形式多种多样,但是施工没有固定的规律和标准可循,设计人员需要对建筑施工的实际情况和周边环境做客观的分析,进而综合考量,最终确定最优方案.

2.2图纸的编制

图纸是建筑施工的蓝本,因此,为了保证钢结构施工建设的质量,设计工作人员必须对图纸进行科学的设计,并对图纸进行繁复的操作性判断,组织专业素质好,工作经验丰富的设计团队进行全体的图纸最终确定.

3建筑钢结构的稳定性设计

钢结构之所以能够在全球范围内得到广泛的利用,首先是由于其具有高度的稳定性能.但是近年来钢结构的失稳现象也时常发生,造成了群众的恐慌,通过数据的调查和案例分析,我们总结失稳现象一方面是由于设计人员专业知识水平低,施工设计经验不足,在设计之初没有充分的考量施工的综合情况,导致设计原稿不合理；另一方面,由于钢结构的广泛应用,科研人员不断推出新型的构造模式,而施工人员为了追求建筑施工的新颖,在没有对该技术进行熟练掌握的同时就进行了施工建设,施工经验不足.为了保证钢结构的稳定性能,组要做好如下三项工作：

第一,在进行结构布置时,必须从整个体系和组成部分的稳定性要求出发,进行全面考虑.

第二,结构计算简图和实际计算方法所依据的简图必须相一致,这对框架结构的稳定计算起着十分重要的作用.

第三,整体结构的细部构造和构件的稳定计算,两者必须相互配合,达到统一.

4建筑钢结构的抗火设计

火灾是建筑物常见的一种突发事故,处理不当可能造成重大的经济财产损失和人身伤亡,而建筑钢结构设计从安全性出发需要进行全面的抗火设计.

4.1基于试验的抗火设计

基于试验的抗火设计是指对构件的保护层厚度由试验确定或者推算得来.以往的抗火设计工作实验数据不能保证准确性,首先,实验的火灾温度与实际的火灾温度存在较大的差异,所以在试验中能够承购的抗火设计在实际工作中不能实现,其次,试验中没有考虑到不同的建筑结构之间共同合作的功效,实验考虑因素欠缺,出现了超强度的浪费性抗火设计.总之,由于抗火实验工作的欠缺,传统的抗火设计工作不能得到有效地落实.

4.2基于构件计算的抗火设计

抗火设计工作比较复杂,对于构件计算环节的抗火设计理念应该做到如下几点：

一是采用确定的防火措施,设定一定的防火空间被覆厚度；二是在确定防火措施下,计算出构件在耐火极限条件下的内部温度；三是采用在高温条件下的钢材料参数,就算出构件在外荷载和温度作用下的内力；四是进行构件的耐火承载极限状态的验算；五是若最初设定的防火被覆厚度不合适,那么就要调整防火被覆厚度,然后重复以上步骤.

4.3基于结构性能的抗火设计

火灾发生时可能导致整体建筑物的结构坍塌,因此,对于建筑物的钢结构防火设计,需要从建筑的结构性能出发,具体工作需要从以下几个环节进行落实：

一是结构的整体在火灾中的作用.一般认为,柱在保证结构整体不倒塌中起着最为重要的作用.基于这一理论,为了提高钢结构的抗火灾能力,设计人员仅需要对房梁的性能进行改良,同时也必须对建筑内部柱子抗火性能进行改善.

二是塑性理论的应用.设计人员需要对传统的设计工作进行全面的分析和处理,并考虑在火灾发生时刚性结构的形状变化曲线,并针对曲线的变化形势进行相应的防范措施.

三是计算机模拟以及有限元法.在火灾中,通过热辐射、热传导以及热对流方式形成的复杂温度场会使结构受热膨胀,而温度场的非定常性导致难以精确的考虑理论分析,再加上试验费用的昂贵,使得计算机模拟成为当下的一个热点研究.

由于火灾的发生原因比较复杂,既有客观因素,也不排除主观因素,因此,上述的防范措施并不能对所有火灾进行防范,工作人员需要在实际的工作中进行具体的调整.

5建筑钢结构的抗震设计

我国的沿海城市处于地震的多发区,地震对建筑物的损坏情况比较常见,因此,钢结构设计需要充分考虑其抗震性能,同时,对于地震多发区和地震少发区,抗震的设计应该进行相应的调整.

为了提高钢结构设计的抗震能力,需要设计人员做好如下三个环节：

一是选择有利于抗震的场地.不同的地质条件在同一区域的抗震能力不同,因此,对于地震高发区,应该适当地选择抗震性能相对强的地点.

二是结构的总体布置要合理.在抗震设计中,要求设计的钢结构建筑力求形状规则和结构对称,以免造成质量中心和刚度中心的严重偏离；在楼层平面内,抗震结构的刚度和承载能力应均匀分布,并且持续、均匀地沿结构坚向.

三是抗震结构体系的合理选择.抗震设计工作之初,设计人员应该对以往的地震情况进行数据的分析和汇总,根据常见地震发生形式,合理的选择抗震结构体系.

6结束语

随着建筑施工工艺的提升,钢结构建筑施工逐渐部分取代混凝土施工建设,为了保证钢结构施工建设的质量,拓宽钢结构的施工建设领域,笔者对钢结构的设计问题进行了相应的阐述.