高層建筑鋼結構設計分析論文
摘要：隨著高層建筑的發展和科學技術的進步，建造技術與結構理論不斷提高，高層建筑鋼結構的形式愈加多樣化，有利于推動建筑工程的發展。由于鋼結構具有較高的強度與承載能力、較強的抗震能力，將其應用于高層建筑中，能夠有效取代傳統的混凝土，保證建筑物的穩定性，增強建筑工程質量，滿足人們的居住要求。本文就對高層建筑中的鋼結構設計進行分析和探討。
關鍵詞：高層建筑；鋼結構設計
在社會經濟快速發展的背景下，我國建筑行業獲取了良好的發展空間，建筑水平不斷提升，建筑工程逐步朝著復雜高層的結構趨勢發展，而在這種情況下，施工者與建筑商對建材選擇的要求也越來越高[1]。相較于傳統鋼筋混凝土結構而言，鋼結構具有穩定性強和工期短等優勢，被廣泛應用于高層建筑工程中，進一步推動了高層建筑的發展。
一、高層建筑中鋼結構設計概述
（一）特點
高層建筑中鋼結構的特點主要表現在三個方面：①低成本和高強度。相較于傳統鋼筋混凝土而言，鋼結構具有十分明顯的特點，如不易受環境因素影響、強度高、質量輕、施工工期短、經濟等，并且高層建筑中的鋼結構多選用先進科學的工藝及設計。由于鋼結構質量較輕，將其應用建筑施工中，可以降低施工成本，節省地基處理費用。②空間大。傳統鋼筋混凝土結構的跨度較小，基本保持在15m的范圍內，并且建造完成后不易移動且難以改變；但是在高層建筑中應用鋼結構，能夠保證內部空間的充足，可以超過60m，還能進行簡單的擴張與改建，便于移動。③材料環保。鋼是鋼結構的主要材料，其具有較高的強度，能夠支持大結構，在現代工業化生產中具有重要的作用；同時可以循環利用鋼材的邊角料，運輸回收的`價值高且便利，有利于節省施工成本，達到環境保護的目的。
（二）設計原則
在高層建筑中進行鋼結構設計時，需要嚴格遵循適用性和經濟性的原則，首先是適用性原則。通常科學的建筑結構體系應剛柔并濟，如果建筑結構過于強調“剛性”，缺乏合理性與可行性，則會降低結構的變形能力，致使建筑難以承受地震和火災等而出現坍塌情況；如果結構過于注重“柔”，雖然能夠減緩外力作用，但是也會因變形過大而導致承重點發生變化，最終出現坍塌問題，因此設計適中的建筑結構體系顯得尤為重要[2]。適用性原則是鋼結構體系的基本要求，其會對建筑物的后期使用造成直接影響，因此在結構設計過程中需要準確把握建筑物的環境條件、特點和功能等，如建筑物對防震、隔音和保溫等有無特殊要求等。其次是經濟性原則。在高層建筑中應用鋼結構的根本目的就是創造更高的效益，但是在實際應用過程中還存在諸多問題，如工業建筑注重的是直接經濟效益，而公共建筑注重的是社會效益。因此在鋼結構設計中應遵循經濟性原則，從宏觀層面來分析問題，結合實際具體的情況，做到具體問題具體分析，進而設計出滿足建筑綜合效益的方案。
三、高層建筑中鋼結構設計的技術要點
高層建筑中鋼結構設計的技術要點具體如下：
一是布置和選型。在高層建筑鋼結構的選型過程中，需要對材質、預算和周邊環境進行綜合考慮；同時在結構內部設計時，需要遵循因地制宜的原則，對不同位置采用不同建材，嚴禁因省事而使用相同的建材。這是因為建筑位置的不同，對結構要求也有所不同，并且建筑墻梁、柱子、墻面等的不同，對于力的要求也不盡相同，這就需要以建筑強度和力度等方面的要求為基礎，科學布置和選用恰當的鋼結構。
二是構件截面的估算。布置完結構后需要初步估算構件的截面，尤其是支撐和梁柱等尺寸和斷面形狀的假定，如鋼梁可選擇焊接H型鋼截面、軋制和槽鋼等。一般構件截面的估算工作內容包括：以翼緣寬度和截面高度為依據，對板件的厚度進行估算；對荷載與支座情況進行估算，確定翼緣寬度和截面高度；從實際需要出發來選擇鋼梁；設定支撐斷面和梁柱的形狀與大小
。三是構件和節點設計。在設計構件的過程中，必須要恰當選擇材料，建立健全相關制度，保證材料采購與監督的有效性，以免出現材料質量問題；同時在施工環節應使用豐富經驗和專業能力強的人員進行作業，防止施工中出現技術或質量問題。鋼結構設計中的重點內容之一就是節點設計，其從傳力特點出發可分為半剛接、絞接和剛接等，連接方式的不同對結構的影響也有所不同。通常節點設計包括以下幾點：
①栓接：對于高層建筑中的鋼結構而言，多將19.0s強度等級的高強螺栓作為結構連接傳力螺栓，并且螺栓基本選用扭剪類型，其中連接型則使用摩擦類型。
②焊接：由于焊接的焊縫尺寸及形式具有嚴格規定，因此在實際焊接中遵守這些規定，保證焊接的科學與準確。
③連接板：適當加厚4mm的梁腹板，然后驗算抗剪凈截面。
④梁腹板：驗算栓孔位置的腹板抗剪凈截面，并有效連接高強承壓型螺栓，然后驗算局部孔壁的承壓能力。值得注意的是，在節點設計環節，還需要充分考慮吊裝構件現場焊接、螺栓安裝的具體順序。四是結構布置方式。
①抗側力構件布置。在設計結構平面兩個方面的支撐時，應該保證其對稱性，支撐之間樓蓋長寬比不得超過3；設計筒中筒結構時，內筒邊長大于其外筒邊長的1/3，并且外框筒與內框筒的柱距應相同，有效連接到鋼梁。
②豎向布置。從經濟性原則出發來控制結構體系的最大適用寬度與高度，如框架—支撐體系的非抗震設防建筑的最大高寬比為6，最大寬度達260m；同時應盡可能避免樓層承載力突變和側向剛度不規則等問題的出現[4]。
③平面布置。在平面布置過程中應按照平面簡單原則，科學計算結構尺寸，從而降低因地震而出現的結構扭轉振動，提高結構的抗風性和抗震性。
結束語
由于鋼結構具有自身的優點與特征，被廣泛應用于高層建筑中，但是受許多因素的影響，在鋼結構設計中仍然存在諸多問題。面對這種情況，在實際設計過程中必須要從具體情況出發，積極遵循適用性和經濟性原則，準確掌握其技術要點，做好布置和選型、構件截面估算、構件和節點設計、結構布置等工作，從而滿足高層建筑的實際要求，保證建筑的使用功能，實現良好的設計效果。
參考文獻
[1]王輝.高層建筑中鋼結構設計分析[J].門窗,2014,05:268.
[2]任媛,楊國棟.民用高層建筑鋼結構設計中的常見問題分析[J].建筑設計管理,2014,09:72-74.
[3]孫超.高層建筑鋼結構設計中應注意的問題分析[J].黑龍江科技信息,2014,32:247.
[4]江雨斌.鋼結構在高層建筑結構設計中的應用探討[J].中華民居(下旬刊),2013,04:34-35.
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