钢结构建筑设计理念

苏志元

（沈阳市新城建筑设计院，辽宁 沈阳 110020）

1 钢结构的主要特点

各种轧制型钢（H型钢、工字钢、槽钢、角钢）和钢析组成的以及用冷弯薄壁型钢制成的承得构件或承重结构统称为钢结构，钢梁、钢屋架、钢框架、钢网架等都是常见的钢结构。

1.1 重量轻

结构的重量与手忙脚乱材料的强密比（强度与质量密度之比值）成反比，钢材质量密度虽是钢筋混凝土的3倍多，但钢材的强密比却较混凝土的抗压强密比大近4倍（较混凝土的抗拉强密比则大40多倍）。因此在相同承载力下，钢构件的截面小，重量轻。

1.2 安全可靠

钢材质地均匀，各向同性；钢材的弹性模量大，荷载作用下结构的变形较小。这些性质符合结构计算时通常所作的假定，因而钢结构的受力计算结果与其实际情况最为相符，计算可靠。钢材有良好的塑性性能，可自动调节构件中可能出现的局部应力高峰，且结构在破坏前一般都会产生显著的变形，事故有预告，可及时防范。钢材还具有良好的韧性，对承受动力荷载适应性强。钢结构抗震性能好。因此，钢结构安全可靠。

1.3 施工质量好，工期短

钢结构一般都在专业工厂由机械化生产制造，而后运至工地现场安装，工业化生产程度高，质量容易监控和保证，工期短，效益好。

1.4 密闭性好

钢材质地致密，不漏水，不漏气。

1.5 用螺栓连接的钢结构，可装拆，适用于移动性结构。

1.6 绿色环保。

施工现场占地面积少，环境污染少，无现场湿作业，材料可回收再生，适于 都市市区建造。

1.7 由于截面优化设计的计算量大,采用软件计算是广大设计人员的首要选择。大部分设计软件在截面优化设计计算基本应遵循以下的步骤:

(1)定义设计限值。定义强度、稳定及变形限值。

(2)确定截面优化范围。这一步骤中应由程序对定义的范围进行校核,当这个范围不合理时(最小截面满足或最大截面不够),程序会给出提示,直到优化范围合理。

(3)进行截面优化，进行截面优化计算。

(4)查看优化结果。虽然因程序不同,但基本软件的计算结果包括以下几种形式:①结果文件(基本包括有输出设计限值,初始截面参数及其计算出的强度、稳定、变形结果,总重量。输出优化后的截面参数,强度、稳定、变形计算结果,总重量)；②截面显示(图形输出优化后的截面参数);③应力显示(图形输出强度、稳定计算结果)；④局部放大(查看关键部位的节点分析情况)。在程序给出优化后重量最小的截面后,设计人员可参考这些截面信息,由人机交互输入截面参数并做适当调整,然后执行数据检查,最后完成结构计算和并利用截面参数绘制施工图。

2 钢结构设计和设计规范

一个具体的钢结构，首先应能安全地承受各种荷载的作用，并把所受荷载以明确和直接的传递路径传给基础，最后传至支承基础的地基，同时应满足建成后的各项使用要求。

2.1 结构设计是在建筑物的方案设计之后进行的，方案设计中根据建筑物的使用要求和具体条件等 确定建筑物的形式、平面尺寸、层次高度、建筑面积、室内交通运输设备（如车间内的吊车、民用房屋中的楼梯和电梯等设备）、采光和通风措施以及选用的结构型式等。在确定了选用钢结构后，结构设计主要包括下列内容：（1）根据建筑物的使用要求、具体条件和方案设计中已确定的内容，进行结构选型和结构布置，做到技术选进、经济合理、安全适用和确保质量。结构选型和布置是一个影响整个结构设计是否经济合理的问题，需运用材料力学、结构力学和钢结构等知识及过去积累的设计经验，才能作出一个好的决定，必要时对重要结构还需进行比较方案设计或优化选择。（2）确定选用的钢材型号。（3）建立结构的计算简图，确定其所受的各类荷载。（4）按不同荷载分别进行结构内力分析，进行内力组合，确定各构件在最不利组合下产生的最大内力（当刚架内力采用二限阶弹性分析时和采用塑性设计时，均应先进行荷载组合而后按各荷载组合进行内力分析）。（5）进行各构件的截面设计。（6）进行构件互相间的连接设计。（7）绘制结构设计图纸。对混凝土结构，设计图即结构施工详图。但对钢结构，则可有设计图与施工详图之分，也可合二为一。设计图纸由设计人员绘制，施工详图则可由钢结构制造厂家或设计人员完成。两者的主要区别在于钢结构施工详图必须给出所有构件/零部件的编号（与结构安装图上同一构件/零部件的编号必须一致）及制造和安装等工序中所需的一切尺寸，包括螺栓、锚栓孔洞的尺寸与定位尺寸等，并需编制材料表。

2.2 钢结构设计规范，为做好结构设计，必须要有一个设计的依据，这个依据就是设计规范。我国的设计规范是由政府主管部门（中华人民共和国建设部）颁布。关于建筑钢结构设计方面的规范主要有两册。其一是《钢结构设计规范》（GB50017-2003），是我国进行房屋建筑和一般构筑物钢结构设计必须遵循的现行国家标准，适用于热轧钢材建造的钢结构。规范中对钢结构的设计原则、采用的钢材要求、各种设计指标、三大基本构件的计算内容和要求、连接计算方法、构造要求以及疲劳计算等都作了明确的规定，供设计人员遵照执行。但必须指出的是：因钢结构类型繁多，设计规范中的有关规定只能是对各种结构共同适用的，对某些特殊情况不可能面面俱到。因而为了正确使用设计规范，设计人员道德应对其规定的背景材料和各种构件及连接的工作性能等有所了解。

3 钢结构的设计方法

在经济合理的前提下使所设计的结构满足各种预定的功能，这是结构设计的主要目的。建筑结构的功能包括下列三项：（1）安全性（2）适用性（3）耐久性。

所谓经济合理是指使所设计的结构具有用料省、重量轻、易于制造、运输和安装，建造工期短，造价低和便于今后的维修与保养等。

可靠性与经济合理有时会出现矛盾，此时应在综合考虑各种情况下力求使矛盾得到妥善解决。为此，结构设计应分结构方案设计和结构物的具体设计两步进行。现行《钢结构设计规范》（GB50017-2003）采用以概率理论为基础的极限状态设计方法。

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