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摘要：随着土木工程的发展，钢结构的应用越来越广泛。与传统施工作业相比，钢结构施工技术比较简单，但建筑施工企业已经习惯传统施工模式，不熟悉钢结构施工。因此，需要做好钢结构设计。本文将就这一方面的问题展开研究，期望对于业内同行进行实际施工有所帮助。
关键词：土木工程；施工；钢结构；设计
在古代史上，建筑结构以木结构为主（杜甫曾经写过《茅屋为秋风所破歌》），经不起风吹雨打；在近代史上，建筑结构以木石结构为主；随着土木工程的发展，1978年，国内建筑结构以砖混结构为主，木结构告别历史舞台；2017年，国内建筑结构以混凝土结构为主，砖混结构正在被全面淘汰，而木石结构基本上被淘汰。——今天，钢结构又异军突起：发达国家正在用钢结构淘汰混凝土结构，在日本建筑中，钢结构超过70%；在美国建筑中，钢结构超过50%[1]。
一、钢结构及其优点
（一）钢结构
钢结构是用型钢或钢板制成梁钢、钢柱、钢桁架等基本构件，根据使用要求，通过焊接、螺栓连接或铆钉连接等方法，按照一定规律组成的工程结构（图1）。
（二）钢结构的优点
1、钢材强度高，钢结构重量轻
与混凝土、木材、砖相比，钢材的强度更高（钢材抗侧弯强度为混凝土的1.5倍），但在同样的受力条件下，钢结构因截面较小，所以自重较轻（钢结构与钢筋混凝土结构自重比为1：1.6，换句话说，钢结构住宅自重只有只有混凝土结构的一半），抗震性能良好（抗震烈度可达到 8度），可靠性高，因而适于承载重的结构。
2、钢结构精度高
钢结构可以在工厂里进行机械化制造，实行统一标准化生产，生产速度快，精度高，更容易保证结构质量[2]。
3、钢结构施工快速、环保
国内建筑施工以混凝土现场湿浇为主，消耗大量水、混凝土、骨料，而且在施工过程中还会产生大量噪音与PM2.5粉尘，污染周边环境，也影响施工人员与周围居民的身体健康（全国尘肺病患者已超过600万）；施工工艺复杂，施工速度较慢。而且现在建筑的寿命较短，拆除时还会产生大量的建筑垃圾。
采用钢结构施工，可进行全面干式施工，节约大量用水、混凝土；在施工过程中产生的噪音小，粉尘少，对周边环境几乎不构成污染；钢结构在工地上可以进行快速拼装，施工速度更快（5名工人只需30个工作日便可以完成一栋300平方米的钢结构建筑）。钢结构建筑的寿命更长（国内建筑的平均寿命不足30年，而钢结构建筑的寿命可达95年），拆除钢结构建筑几乎不产生建筑垃圾，还可以把全部钢材进行回收再利用。
二、进行钢结构设计的要点
（一）认真研究设计依据
钢结构设计，必须遵循《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2017，《建筑结构荷载规范》、《抗震设防分类标准》、《建筑抗震设计规范》、《钢结构设计规范》、《建筑钢结构焊接技术规程》、《高层民用建筑钢结构技术规程》等建筑标准、规程及规定。因此，必须认真研究这些文件，尽可能提高设计标准。
（二）选择钢材
选择钢材时，必须保证钢承重结构的承载力，并防止其出现脆性破坏，同时，又要尽可能地节约钢材，降低工程造价。要综合考虑各方面的因素：包括结构的重要性、荷载的性质、钢结构的连接方法、钢结构的工作环境、钢结构及其构件的受力性质、钢结构的形式、钢材厚度，选择合适的钢材牌号。
一般来说，承重结构的钢材可以采用Q390钢、Q235钢、Q420钢、Q345钢。但无论选择哪一种牌号的钢材，其质量、抗拉强度、伸长率、屈服强度、硫、磷等化学元素含量，都必须符合现行国家标准规定[3]。抗震钢结构的钢材实测抗拉强度与其实测屈服强度的比值不应小于1.2，抗震结构的钢材还要有明显的屈服台阶，其伸长率δ＞20%，并具有良好的冲击韧性与可焊性。
（三）结构选型与结构布置
钢结构的结构形式，有框架、轻钢、网壳、平面桁架、索膜等。在进行结构选型时，必须具体情况具体分析，根据项目的具体特点进行选择：例如，北方冬季经常下大雪，可选用网壳型作屋面结构，以利于积雪滑落，降低屋面的积雪重量。
进行结构布置时，必须充分考虑钢结构体系特征、性质、荷载分布情况，尽可能限制移动荷载的影响范围，力度模型力求清晰、刚度均匀。
（四）预估截面
结构布置完成后，就要对钢结构构件的截面进行预估，对钢梁、钢柱等支撑构件截面尺寸、形状进行假定。钢梁一般选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面，根据荷载与支座的实际情况，截面高度在跨度的1/20～1/50区间内进行选择。翼缘宽度要根据钢梁间侧向支撑的间距按1/b限值进行确定。
柱截面长细比λ应当大于50，小于150，选择值在80左右。钢柱受力存在着单向受弯、双向受弯、轴心受压等几种不同的情况，要根据受力的具体情况，选择钢管截面或H型钢。
（五）结构分析
运用有限元软件，分析钢材弹塑造性及其几何非线性的功能，进行线弹性分析。
（六）工程判定
运用结构软件，对输出结果（包括总剪力、变形特征、各向周期等参数）进行工程判定，从而修正计算结果，并对模型进行分析、或修改。
（七）构件设计
通常选择Q235钢、Q420钢作构件的材料。运用结构软件进行截面计算时，可能出现长度系数的取定不符合规范，因此，对节点连接情况复杂的构件、变截面的构件要逐一进行检查。预估截面强度不足时，可增大截面的板件厚度；抗剪不足时，可增大腹板的厚度；抗弯不足，可增大翼缘的厚度[4]。
（八）节点的设计
进行节点设计，不仅要满足承载力的要求，还应有必要的延展性，避免应力集中。
8.1 铰接连接
连接钢梁与钢梁、钢梁与钢柱，可选择铰接式连接。铰接式连接主要使用单板、双板、双角钢、端板进行连接（图2）。
8.2 支撑连接
可分为水平支撑与柱间垂直支撑连接。主梁与次梁进行连接时，沿水平方向布置水平支撑，可以为结构提供侧向稳定性；主梁与柱间布置垂直支撑，可以将结构承受的水平力传递到钢柱上[5]。
8.3 刚性连接
若被连接梁处于悬臂状态，或钢梁与钢梁、钢梁与钢柱连接按刚性连接设计时，它们的连接节点应采用刚性连接。刚性连接受力复杂，要由腹板承受剪力，翼缘承受弯矩。
（九）编制图纸
设计单位提供设计图，详细描述技术数据、材料要求、结构布置、节点构造、截面选用；然后由钢结构制造企业编制详细的施工详图。
结束语
目前，国内仅有5%的建筑是钢结构建筑。但钢结构建筑符合可持续发展理念，未来发展前景巨大，我们应当认真做好钢结构设计，以加速钢结构在建筑业的全面推广。
参考文献：
[1]王付良.关于土木工程钢结构施工技术相关问题的分析[J]. 建材发展导向，2018，16（20）：47-49.
[2]谢标辉.土木工程施工中钢结构技术应用及发展的探索[J]. 住宅与房地产，2018（28）：202.
[3]字立先，朱建兵，刘官林.钢结构技术在土木施工中的应用及发展研究[J]. 居舍，http：//kns.cnki.net/kcms 2018（28）：74.
[4]张晓云.土木工程施工中的钢结构技术研究[J]. 居舍，2018（25）：98.
[5]宋高丽.土木工程专业钢结构设计原理课程教学改革探索[J]. 高等建筑教育，2016，25（04）：62-64.
论文作者:夏杰挺
论文发表刊物:《防护工程》2018年第34期
论文发表时间:2019/3/25
标签：钢结构论文; 结构论文; 截面论文; 钢梁论文; 钢材论文; 建筑论文; 构件论文; 《防护工程》2018年第34期论文;