建筑钢结构设计的问题与对策研究
【摘要】钢结构，是以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。本文主要从钢结构及我国钢结构的现状和发展趋势、钢结构设计理论、钢结构设计的思路和步骤、钢结构稳定性设计、钢结构抗火设计以及钢结构抗震设计等方面对建筑钢结构设计的问题与对策进行研究。
【关键词】 建筑;钢结构设计;问题;对策
钢结构是“用钢板和热扎、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成的能承受和传递荷载的结构形式”。因其本身具有自重轻、可靠性高、安装快捷、施工周期短、抗震性好、可回收再利用、环境污染少等综合优势，而且，与钢筋混凝土结构相比，更具有在“高、大、轻”三个方面发展的独特优势，因此，在全球范围内，尤其是发达国家和地区，它在各项工程建设中得到了极为广泛的应用。并且已经成为我国主要的建筑结构类型之一。
1.钢结构及我国钢结构的现状和发展趋势
目前，我国钢结构的现状与发达国家相比,钢结构的发展水平仍与之存在着较大差距,在住宅设计、生产制造以及安装、维护等方面，与发达国家相比都存在着差距。同时关于钢结构的标准化、规范化以及施工法等方面的体制仍未健全，尚待着进一步的完善。相对于改革开放初期的我国，在钢结构建筑，特别是高层钢结构建筑，其全部由国外设计，钢材全部从国外进口，甚至工程总承包也全部由国外承担的国有化制约性问题来说，现在随着改革开放的不断深入和社会的快速发展，以及我国钢铁企业在钢材水平上的深远进步，使得我国应经成为世界上钢结构发展最快的国家和地区之一。在世界钢结构中产生了广泛而深远的影响。
近年来，随着世界先进的设计理念和设计思想的不断涌入，进一步地促进了我国钢结构的发展。虽然，在某种程度上，其水平与发达国家相比，仍存在着不可逾越的差距。但是其迅猛的发展势头，以及美好的发展前景，让我们有理由相信，在不远的将来，中国的钢结构水平将达到一个很高的水平。
钢结构，可以说是我国主要的但又相对新兴的建筑结构。随着我国社会的进步和经济的发展，再加上政府对钢结构的大力普及与推广，使我国建成了一大批世界瞩目的大跨度高层结构，比如我们耳熟能详的鸟巢、水立方、国家大剧院以及新中央电视台等，有些建筑不但成为了一个地区的标志，有的甚至已经成为我国迈向新世界的代表性标志。毫无疑问，这些项目的建设大大提高了我国钢结构的设计水平。很多诸如此类的钢结构建筑，不仅方案新颖、结构合理，而且可以节省大量的钢材，完全符合我国的国情。
现阶段，我国正处于城市化发展阶段，建筑业已经迎来了他的高速发展期，其生产规模的不断扩大，住宅需求的不断增加，使建筑业业已成为我国国民经济的支柱产业。但是，任何事物的发展都有其弊病，建筑业的发展也不例外，随着我国建筑业崛起的同时，也带来了环境和能源的相应问题。而如何在保持筑业可持续发展中实现低能耗、高能效，已经成为亟待解决的大问题。而钢结构住宅凭借其优异建筑性能和节能环保性，已经成为解决上述问题的关键，可以说是建筑行业的发展趋势和最佳选择。因此，钢结构住宅的普及和应用在我国的钢结构发展中有着至关重要的作用。钢结构住宅将成为我国钢结构发展中的生力军。
2. 建筑钢结构的设计理论
2.1 结构布置的依据
构设计过程中，我们要学会综合考虑各方面的因素，比如能够充分突出钢结构优势的大柱网因素以及当下人们比较钟爱的大开间、易改变的布置因素。但是为了使结构经济合理，我们要因地制宜，具体问题具体分析。
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墓础。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。举例说明，如果有支撑框架结构，那么每根柱子至少要单独承受1/4的总水平力
2.2 结构分析和工程判定
现如今，在具体的钢结构实际设计中，对于结构的分析，通常采用线弹性分析法，有时在条件允许的情况下，也会考虑P一△，P一ð的分析方法。当下的一些有限元软件可以把几何非线性及钢材的弹塑性能等因素考虑进来，从而为更精确的分析结构创造了有力条件，但是并非所有的结构都适合于软件分析。
对于一些比较典型的结构，可以通过查询力学手册之类的工具书，获取相关的内力以及变形。而一些简单的结构就可以通过手算直接进行分析，相对于复杂的结构，就需要运用建模运行程序来进行细致分析，并作出详细的分析报告。
最后，我们要根据“工程判定”对各项周期、总剪力、变形特征的指标进行评估，然后决定是否要重新进行分析或者只是对计算结果进行修正。
2.3 规范构件设计
虽然如今的结构软件可以通过截面优化设计功能对构件的截面进行全面自动验算和优化，节省了工程师的很多时间，但是对于一些比较复杂的构件，工程师需要特别注意两点：
一是由于软件在做构件的截面验算时，对于那些节点连接复杂和变截面的构件，软件取定的计算长度系数，往往不符合规范的规定，因此需要工程师逐一进行检查。
二是由于软件的截面优化设计功能，很难对强度与刚度进行区分考虑。因此，当遇到强度不满足以及变形超限时，前者要加大截面的板件厚度，而后者则需要加大截面的高度，以减少经济成本。
2.4 节点的设计
节点的设计是钢结构设计中的重要内容。节点的连接通常采用等强设计和实际受力设计两种常用方法。具体的节点设计主要包括焊接、栓接、梁接板和梁腹板等主要内容。此外，节点的设计不仅要考虑安装螺栓、现场焊接的施工空间以及构件的吊装顺序，以免造成初学者现场无法安装的现象。还要考虑制造厂的工艺水准，如一些节点的相贯线的切口需要用数控机床等设备才能完成。
3. 建筑钢结构设计的思路和步骤
3.1 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。比如，在建筑轻钢工业厂房时，需要有较大的悬挂荷载或移动荷载，因此，我们需要选择与之相适应的网架，放弃门式钢架。再比如，对于那些屋面覆盖跨度较大的建筑时，我们可以选择以构件受拉为主的悬索或索膜结构。因此，在面对具体问题时要具体分析。
关于钢结构的布置，正如上章节钢结构布置依据中所述一样，在钢结构设计中，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。
3.2 截面的选择
在确定了钢结构形式与布置之后，接下来，要对构件截面进行初步估算。主要就是对梁面和支撑断面的形状与尺寸的假定。
钢梁的截面高度，一般根据荷载和支座的具体情况，通常是1/20~1/50之间的跨度选择。翼缘的宽度，为了回避钢梁整体稳定的复杂计算，可根据梁间侧向支柱的间距按照1/b限值加以确定。柱截面需要根据长细比进行预估。一般λ的选择值在100左右。
3.3 结构分析与构件设计
结构的分析可参考上一章中的结构分析与工程判定一章，在此不再加以赘述。而关于构件的设计，我们首先要进行材料的选择。当下比较常用的是Q235和Q345。要是从便于工程管理的角度考虑，主结构通常采用单一钢种，若是从经济的角度考虑，则可选择不同强度钢材的截面组合。比如，稳定控制时可以选择Q235，强度控制时可以选择Q345.
目前，由于程序技术的进步，一些结构软件可以对整个结构进行全面优化，我们仅需对优化后的截面进行调整直至合理。并需要注意模型的建立以及一些计算长度的参数定义。
3.4 节点的设计
有时候，如果在结构分析前未对节点的形式进行充分的思考，可能会造成最终的设计节点与模型中的节点形式完全不同的不必要的错误。因此，这一点需要特别注意。根据传力特点的不同，节点可分为刚接、铰接和半刚接。在选用节点时，千万要正确判断节点的连接形式，做到整个设计的安全与合理。有关连接节点具体内容和注意事项，请参照上一章节。
3.5 图纸的编制
钢结构的设计出图由设计图和施工详图两个阶段组成。设计图由设计单位直接提供，而施工详图则一般由钢结构制造公司依据设计图编制并提供。近年来，由于钢结构项目不断增多，但是设计院钢结构工程师又非常缺乏，因此，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的现象变得非常普遍。
4.建筑钢结构的稳定性设计
4.1钢结构设计原则
目前，在钢结构设计中出现的失稳事故，主要是由于两方面的原因造成的，一方面是由于钢结构设计者的经验不足，不清楚钢结构和构件的的整体稳定性，缺少如何保证刚结构稳定的清晰概念，成为钢结构设计中不应出现的薄弱环节。另一方面是由于空间网架、网壳结构等新型钢结构的不断出现，造成设计者没有充分的时间去了解这些新型结构的设计。因此，稳定性成为钢结构设计中一个突出的问题，如果对此问题处理不好，将会造成不可估计的损失。
那么，根据稳定性问题在实际的钢结构设计中的特点，以及未来更好的保证钢结构设计中构件不会丧失稳定性，在此提出了三条基本原则。
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。
4.2 钢结构稳定性计算的特点
轴心压杆的稳定计算。由于杆件的稳定与否直接牵涉到结构的整体稳定性，因此，轴心压杆的稳定计算十分重要，而目前，通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。
二阶分析。二阶分析的运用对柔性构件显得尤为重要。因为柔性构件的大变形将会对结构的内力产生不可低估的影响。
迭加原理。迭加原理被普遍应用于应力问题。
4.3 具体的加固方法
目前，钢结构的传统加固方法主要包括：减轻荷载、改变结构计算图形、加大固件连接强度、阻止裂纹扩展以及加大构件截面等。下面简单介绍几种加固方法的具体应用。
一是改变结构计算图形。这种加固方法主要是采用加设支撑来增加结构刚度、调整结构的自振频率以提高结构承受力、增设支撑或辅助杆件以减少结构的长细比、重点加强某一列柱的刚度以减轻其它柱列的负荷以及设置拉杆或适度紧张的拉索以加强结构的刚度等措施，以达到加固结构稳定的效果。
二是改变截面内力。这种加固方法主要使用于那些受弯杆件。主要采取改变荷载分布、改变端部支承情况、增加中间支座、调整连续结构的支座位置、将结构变为撑杆式结构和施加预用力等相关措施进行加固。
三是改变杆件内力。这种方法适用于桁架。采取加设预应力拉杆和增设撑杆变桁架为撑杆式结构的方法进行结构加固。
四是加大构件截面。在采用这种方法进行构件加固时，所选截面形式一定要对加固技术要求有利，并且要充分考虑已有的缺陷和损伤的状况。
五是刚构件连接加固。钢结构构件的连接最好采用焊缝连接和摩擦型高强度螺栓连接，有时候根据需要也可两者混合使用。值得注意的是，当采用焊缝连接时最好采用那些经过评定认可的焊接工艺和连接材料。
5. 建筑钢结构的抗火设计
改革开放以来，随着我国经济的快速发展和社会的不断进步，钢结构在我国得到了广泛的普及和推广。但是由于我国起步较晚，钢结构抗火设计一直未能形成统一的规范和标准，因此钢结构抗火设计依然存在着许多问题，下面对几种抗火设计进行比较，并探讨合理的解决方法。
5.1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。但是这种传统的抗火设计存在着明显的缺陷和不足：试验中火灾温度与实际中的火灾温度完全不同;试验中的构件受力不可能完全模拟现实中构件的受力情况;高温下结构内力会重分布的因素没有考虑到;各构件之间的相互作用相互影响的因素也没有考虑到，也就说，某一构件的极限状态并不代表整体结构的极限状态。因此这种传统的抗火设计方法过于简单，缺乏一定的合理性。另外，由试验确定的耐火时间不能代表构件在现实中的耐火时间，因此会造成偏于保守的估计和不安全的隐患。
5.2 基于构件计算的抗火设计
目前，该方法把温度内力的影响考虑在内，并以有限元法为主要的理论依据，以高温下构件的承载力状态为耐火极限进行判断，基本可以把任意的荷载形式和端部约束状态的影响考虑在内的抗火设计方法。其具体的设计方法和步骤如下：
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。
可以说，这种方法克服了传统基于试验的设计方法的一些缺陷，但是依然存在着某些不足：钢结构是一个作为整体承受荷载的存在，因而钢结构抗火设计也要从整天结构出发，以“整体不倒”为终极目的。显然这种设计方法没有考虑火灾下结构的整体反应特性。一方面，在发生火灾的情况下，某一单一构件的破坏并不代表整体结构的破坏，另一方面，即使某些构件不作防火保护，整体结构亦可以满足耐火极限的要求。
5.3基于结构性能的抗火设计
之所以进行抗火设计，其目的就在于防止整体结构倒塌，那么从整体结构的承载能力极限状态出发的基于结构性能的抗火设计将会更为合理。但是由于问题复杂，而且从基于构件到基于整体结构不可能一蹴而就，因此，到目前为止还未形成基于结构性能抗火设计的标准和规范。下面将结合现有的一些实验和研究成果从三个方面加以研究探讨。
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。因此在考虑结构性能抗火设计时，不能只对梁板进行抗火设计，同时对柱也要进行防火保护。而事实也表明，梁柱在火灾中起着非常重要的作用。柱的失稳不仅取决于自身的轴向力，还取决于梁的热膨胀效应。梁的热膨胀效应会使柱在强弱轴方向形成较大的弯矩，容易形成塑性铰，还会加剧P~δ效应，从而将加速柱的失稳。另外，随着梁的跨度的增加，整体结构所能承受的极限温度也会降低，因此为了保证结构的稳定性，必须增加柱的防火保护。
二是塑性理论的应用。所谓的塑性理论，就是说在火灾中，随着结构的不断升温，钢材屈服温度也随之降低，然后一些高应力部位首先进入塑性状态，并产生塑性铰，随着塑性铰的不断增多，结构最终会达到耐火极限状态。可以说，所有基于塑性理论的抗火设计，都必须考虑材料在高温下的非线性行为。在此情况下的理论分析是一项无比复杂的工作，所以需要借助数值工具，才有可能得到相关的解析。
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。
在基于结构性能的抗火设计中，有限元法是最普遍、有效的方法之一。因为它可以将材料非线性、几何非线性、热应变以及梁柱的弹性节点等影响因素比较方便地考虑进去。
综上，虽然结构抗火性设计方法还没有形成规范，但依然是当下的热门研究课题。基于结构性能的抗火设计将会成为今后一段时间内的发展方向。
6.建筑钢结构的抗震设计
在对钢结构的抗震设计进行研究时，设计者在总结历次震害中取得的经验和教训的前提下，既要从强度和刚度上提高整体钢结构的抗力，还要考虑如何增大钢结构的塑性变形能力以及减小地震作用，从而做到经济合理，安全可靠。
对于钢结构的震害主要有三种形式：构件的破坏、点连接的破坏和整体性倒塌。构件的破坏具体分为支撑杆件的整体失稳、局部失稳、断裂破坏以及钢柱脆性断裂等情况。点连接的破坏则分为梁柱节点的破坏以及支撑连接的破坏两种情况。
接下来我们分析一下这些震害形式产生的具体原因：
一是支撑杆件的整体失稳、局部失稳和断裂破坏。此类现象在以往的的震害中并不少见，究其原因，主要是因为支撑构件的的组成板件宽厚较大，导致了板件的局部失稳，进而导致低周疲劳和断裂破坏。
二是钢柱脆性断裂。经过分析，造成钢柱脆性断裂的主要原因包括：焊接缺陷导致钢柱产生薄弱部位;钢柱长时间暴露于温度低于0摄氏度的室外;焊接时温度过高，以致焊缝附近钢材的延展性降低;竖向地震和倾覆力矩产生的巨大拉力。
三是梁柱节点连接的破坏。此类震害形成的主要原因有：梁上翼缘有楼板加强，但上翼缘焊缝没有腹板，妨碍施焊;梁端焊缝通过孔边缘时出现应力集中;衬板边缘形成人工缝，并在竖向力作用下扩大;由于腹板的妨碍，在下翼缘梁端现场焊缝的中部，焊缝存在着不连续的缺陷;焊缝金属的冲击韧性较低。
四是支撑连接的破坏。支撑连接主要是采用螺栓连接，它的破坏形式主要包括螺孔间或节点板端部的剪切滑移破坏和支撑截面削弱处断裂。由于支撑是支撑结构中最重要的抗侧力部分，一旦地震使某层的支撑发生破坏，那么整个楼层将会成为薄弱层，造成难以想象的后果。
五是整体性倒塌。经分析证明，造成钢结构整体性倒塌的主要原因，是由于纵横向的垂直支撑偏位，导致质量中心与刚度中心的距离甚大，在地震发生时产生了较大的扭转效应，使钢柱的承受力远小于其所受的作用力，进而引发了钢结构的严重破坏甚至倒塌。
那么在具体分析了以上三种震害形式后，笔者对钢结构与抗震设计提出了一下三点基本要求：
一是选择有利于抗震的场地。场地的选择会直接影响钢结构的地震反应，而钢结构的地震反应大小又会决定钢结构震害的程度。所以，在够结构的抗震设计中，最好选择坚硬的或中硬的场地。如果实在没有办法避开不利的场地时，那么要及时采取有效措施进行补救。
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。首先，应该具备合理的地震作用传送途径和明确的计算简图;其次，在抗震结构设计中，应当具有多道抗震防线，包括：结构要具有良好的强度、刚度和变形力;为了使结构能够有效地吸收并耗散大量的地震能量，以及在遭到破坏的情形下能够方便进行修复，设计者要有意识地在结构的适当位置建立起有利的屈服区，换句话说，就是在抗震体系中要有最大可能量的内外富余度;抗震结构体系应当由延性较好的联系构件连接起来的分体系组成。
可以说，上述中的钢结构抗震设计只是抗震设计能够涉及到的一小方面。钢结构抗震设计是整个钢结构设计中一个重要的环节，它贯穿于整个钢结构设计中的各个阶段。所以，为了能够设计出集经济、安全、合理为一体的优秀的钢结构建筑，我们必须对钢结构建筑的破坏机制以及破坏程序有着充分的了解，并灵活运用有关钢结构抗震设计的具体原则和要求，能够快速有效地解决结构设计中遇到的各种问题。
以上，从钢结构及我国钢结构的现状和发展趋势、钢结构设计理论、钢结构设计的思路和步骤、钢结构稳定性设计、钢结构抗火设计以及钢结构抗震设计等方面出发，对建筑钢结构设计的问题与对策进行了整体上的研究。不难发现，虽然钢结构设计在当下仍存在着不少尚待解决的问题和些许不足之处，但是钢结构建筑在不远的将来无疑会成为世界主流。
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