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［摘要］鋼結構工程目前在建筑中得到廣泛的應用，因此須加強鋼結構工程的設計管理工作，根據實際的制造和施工方案選擇合適的結構體系和節點形式，隨著鋼結構工程的發展，設計方案和理念也不斷增加，基于此，對鋼結構工程設計方法及注意事項進行分析研究，為類似工程提供借鑒。
為了保證鋼結構能充分發揮其優勢和特點，必須在設計階段就考慮好制造、施工及運營階段的實際情況，鋼結構的設計必須在保證結構安全性的前提下，考慮適用性和耐久性的合理設計。同時也應結合鋼結構的特點，做好節點部分的細部設計，在符合GB50017—2017《鋼結構設計標準》及相關規范的前提下，實現標準化設計、工業化生產、模塊化安裝的一體化建造模式。
1鋼結構工程設計的基本要求
1.1鋼構件材料選用
在結構設計中，為使鋼結構的材料特性能充分發揮出來，在方案設計階段，選用合適的鋼材，不但能確保結構的安全性能，還能方便制作和安裝，同時也能使建設成本更加經濟。根據GB50017—2017《鋼結構設計標準》，選用材料可歸納為以下幾點。（1）所有承重構件的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格性保證，對焊接材料還要具有碳含量的合格保證。（2）焊接承重構件以及重要的非焊接承重構件的鋼材應具有冷彎試驗的合格保證。（3）對需要驗算疲勞的結構，還應分別按照當地環境條件，具有相應的沖擊韌性的合格保證。（4）對布置有大噸位起重機（不小于50t）的中級及以上工作制的起重機，也應滿足沖擊韌性的要求。（5）對于厚度大于40mm的厚鋼板，材料還應有Z向性能的保證。正確選用材料，遵循技術可靠、經濟合理的原則，結合結構的重要性、荷載特征、結構形式、應力狀態、連接方法、工作環境、材料厚度和價格因素，選用合適的鋼材牌號和材性保證項目。
1.2鋼構件的截面選用
選擇合適的鋼構件截面是鋼結構設計過程中的重要環節，當結構布置完成后，接下來就是估算出合適、合理的鋼構件截面。根據構件的屬性、結構的跨度及高度、側向約束的條件、荷載作用的條件、內力的包絡圖及構件的受力狀態等條件，初步估算截面所需要提供的慣性矩、截面面積，并結合設計控制參數條件，如材料的設計強度指標、撓度控制值、長細比限值、構造板件寬厚比和高厚比等，選取一種最適合的截面形式同時預估其截面的尺寸。目前我國常用的截面形式有以下幾種：熱軋H形鋼（分窄翼緣、中翼緣、寬翼緣）、熱軋角鋼（等邊、不等邊）、普通槽鋼、普通工字鋼、熱軋T形鋼等熱軋型材；冷彎C形鋼、冷彎Z形鋼、冷成型焊接鋼管、冷彎帽形鋼等冷成型薄壁型鋼；焊接H形鋼、變截面焊接H形鋼、十字形截面、箱形截面、田字形截面、日字形截面、實腹式焊接組合截面、格構式焊接組合截面等鋼板焊接類截面。一般結構中多用常規的焊接H形鋼和熱軋類型鋼，當構件受力較大或受建筑條件約束時，采用各類其他焊接組合截面，冷成型薄壁構件一般多用于圍護體系和輕型低層建筑鋼結構中。
1.3結構布置及注意事項
1.3.1單層鋼結構廠房
單層鋼結構廠房可分為單跨或多跨組合，其跨度應按工藝及生產要求、起重機配置及荷載情況等條件確定，一般跨度宜為12~48m，經濟跨度為18~36m，當符合門式鋼架結構條件時，經濟跨度宜取為21~30m。單層廠房柱距的合理性也應與工藝、荷載情況、有無起重機及地基狀況等因素結合考慮，一般柱距為6~9m，當為重型廠房時，則應擴大柱距到12m，甚至15m，但屋架開間仍可選用6~7.5m，屋架可支撐在托架上，墻面系統可設置墻架柱?？v向溫度區段根據結構情況，可取為120~250m不等。橫向溫度區段根據結構情況，結合柱頂約束條件，可取為100~150m；當符合門式鋼架結構條件時，縱向溫度區段可加長至300m，橫向溫度區段可大于150m，但應考慮溫度的影響。
1.3.2多層鋼框架結構
多層框架以抗側力為其承載主要特點，框架結構應按高度、體形、荷載等條件合理選擇其結構體系，一般按高度不同可分別選用，框架、框架–支撐、框架–剪力墻等體系。一般6層及以下的多層框架可采用純框架體系，7~12層多層框架宜選用框架–支撐、框架–剪力墻體系，支撐一般選用型鋼支撐，剪力墻可選用混凝土剪力墻或鋼板剪力墻。多層鋼框架的柱網尺寸，一般按使用條件、梁格的合理布置以及停車位的合理空間等條件確定，一般取為6~10m。
2鋼結構工程設計方法
結構設計時應分結構方案設計和具體結構設計2步進行。結構方案設計主要包括結構選型和材料選用，應先進行各種方案的比較而后確定；具體結構設計在方案確定后進行，包括結構布置、截面和連接設計等，最后繪制施工圖。
2.1鋼結構工程設計的容許應力法
容許應力法比較簡單，早前應用較多，我國GB50017—2017《鋼結構設計規范》也采用了此法，目前仍有許多國家在使用這種方法。容許應力法采用S（荷載效應）和R（結構的抗力）這2個因素來確定結構抗力是否能滿足荷載效應引起的結構及其構件的內力和變形，常用γsSk≤RK/γR來表示，其中γs和γR分別為荷載效應分項系數和結構抗力分項系數，兩者均為大于1的系數，通常又把γs和γR的乘積定義為K，稱之為安全系數。但容許應力法有其不足之處，由于荷載和結構抗力都具有不確定性，設計人員很難確定安全系數的大小；對于可變荷載與永久荷載比值不同的結構均采用同一安全系數K進行設計，導致各類結構安全水平不一致；安全系數K取值隨意性較大，一般都采用經驗來判斷。
2.2鋼結構設計的概率設計法
結構的極限狀態是指結構或構件能滿足設計規定某一功能要求的臨界狀態，超過這一狀態，結構或構件就不能滿足設計要求。概率設計法只要求所設計結構的安全度的概率保證。ps為可靠概率，記作ps=P（R–S>0）；用pf表示失效概率，記作pf=P（R–S<0）=1–ps；概率設計法安全儲備不作要求，這是與容許應力設計法在概念上的一個很大差別。但目前全概率設計方法只能用于說明概率設計方法的概念，在實際工程中還是很難應用?，F階段人們主要研究近似的概率設計方法，如一次二階矩陣近似概率設計方法，目前我國建筑鋼結構設計中除疲勞設計和抗震設計外，采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，用分項系數設計表達式進行計算。結構在規定設計年限內應具有足夠的可靠度，按照設計使用年限可分為5年的臨時性結構、25年的易于替換的結構、50年的一般性建筑、100年的特別重要性建筑，其結構重要性系數分別取為0.9,0.95,1.0,1.1。承重結構在設計時應考慮2種極限狀態，分別為承載能力極限狀態和正常能力極限狀態。承載能力極限狀態是指結構或構件達到最大承載能力或達到不適于繼續承載的變形時的極限狀態；正常使用極限狀態是指結構或構件達到正常使用的某項規定的限值時的極限狀態。
2.3建筑鋼結構工程設計的塑性設計法
在建筑鋼結構的設計中塑性設計法也是一種較常用的設計方法，該設計方法是對鋼結構的每個材料單元進行分析測量。建筑材料可以體現出塑性效果和材料強度，通過詳細分析建筑鋼結構的內部作用力，明確其分布情況。然后協調地處理建筑鋼結構的整體穩定性，避免建筑鋼結構在使用中出現變形斷裂的質量問題。結構采用塑性設計，當按正常能力極限狀態設計時，應采用荷載的標準值，并應按彈性理論進行計算；當按承載能力極限狀態設計時，應采用荷載的設計值，并應按簡單塑性理論進行能力分析。采用塑性設計時的材料屈強比不應大于0.85，鋼材應具有明顯的屈服臺階，且伸長率不應小于20%。
2.4鋼結構設計中的問題
（1）鋼結構建筑的設計也會涉及很多其他的建筑材料，其他建材由于本身的材料性能無法滿足與鋼材的協同工作要求，而在設計時未能很好地處理交界處的節點做法，導致后期使用中出現質量問題。（2）個別設計人員在進行建筑鋼結構設計時，只注重單個構件強度可靠性的設計，忽略了結構的整體剛度和穩定性問題，造成了鋼結構在實際使用過程中出現結構失穩倒塌的情況。（3）個別設計師對于建筑鋼結構的設計停留在表面，照搬套用一些程序規定，對鋼構件沒有進行詳圖設計，把節點構造和支座詳圖等重要設計交給生產廠家設計，生產廠家由于缺乏較詳細的數據資料，因此在設計中會出現嚴重的安全隱患。
3建筑鋼結構工程設計的注意事項
3.1謹慎選擇鋼結構的建材
設計師要了解各種鋼結構材料的性質和特點，要仔細分析鋼結構材料的技術指標，還要對工程項目的地理、氣候、溫度條件進行深入分析，保證鋼結構建材滿足當地使用條件。注意各種鋼結構建材的韌性、強度、長度、寬度等基本資料，要保證鋼結構的建材可滿足建筑鋼結構工程的施工條件。
3.2注意鋼結構設計的適宜性
在進行鋼結構工程的設計中要注意設計方案是否可順利進行施工建設，在設計之初還要考慮到鋼結構工程使用單位的情況，到施工地點進行現場考察，保證對建筑鋼結構進行全面的考察分析，要對所有的考察資料進行統籌分析，為建筑鋼結構的精確設計提供有效幫助。
3.3注意建筑鋼結構的安全防火設計
在進行建筑鋼結構的設計前要對鋼結構的消防隱患進行安全設計，因為建筑鋼結構防火性能較差，火災破壞性大，因此在進行建筑鋼結構的設計時要重點對消防安全進行設計，要根據建筑鋼結構的風格進行設計，要保證消防設計可發揮應有的效果。目前，建筑鋼結構的消防設計應用比較多的是對建筑鋼結構進行防火涂層的處理。
3.4處理好建筑鋼結構設計的細部節點
為提高建筑鋼結構的設計水平，必須處理好建筑鋼結構的細節設計工作，建筑鋼結構的細節設計要保證鋼結構關鍵節點的安全穩定性，連接方式要根據不同的結構設計選擇最合適的設計方案，要保證使用中具備協調性，防止在連接部位出現變形和過載現象，給整個鋼結構造成安全危害，對螺栓或焊接處理的連接節，須重點關注，對數據進行認真的分析，確保鋼結構的連接節點必須安全，做到強節點弱桿件設計原則。3.5加強鋼結構設計的抗震性能我國很多地區處于地震帶，因此抗震設計尤為重要。鋼結構作為抗震性能良好的結構體系，應充分發揮出材料的特性。鋼結構構件的抗震性能化設計應根據建筑的抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構類型和不規則結構構件在整個結構中的作用、使用功能和附屬設施功能的要求、投資大小、震后損失和修復的難易程度等，經綜合分析，選定其抗震性能目標。
4結束語
在建筑尤其是高層建筑施工中，運用鋼結構的施工形式可使建筑達到很大的跨度空間，且鋼結構具有安裝方便、成本低等優點，所以在建筑中得到了普遍推廣。隨著我國城鄉一體化的發展建筑工程越來越多，因此鋼結構的設計也要符合建筑的整體的要求，所以設計人員必須掌握鋼結構的設計重點，為了保證鋼結構的質量必須進行精細化設計。
參考文獻
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[3]喬聰，尹淑杰，馬元潔.試析建筑鋼結構工程設計及其注意事項[J].河南建材，2019（3）：1–2.
作者:王華科 單位:華星鋼構股份有限公司
