高层建筑钢结构设计的安全问题探微

高层建筑钢结构设计的安全问题探微

作者：吴俊杰

来源：《装饰装修天地》2018年第02期

摘 要：当前建筑行业快速发展背景下，钢结构在高层建筑中应用可以有效提升建筑整体施工质量，这就需要设计师在钢结构设计中充分考虑到安全问题，促使设计方案更加科学合理。随着中国国民经济发展和人口城市化进程加快，我国高层建筑建设持续空前发展。钢结构体系因其本身所具有的自重轻、强度高、施工快等优点，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。中国已成为第一产钢大国，钢结构住宅适宜工厂大批量生产，工业化、商品化程度高，可以将设计、生产、施工、安装一体化，提高建筑产业化水平。由此看来，高层建筑钢结构设计安全问题分析是尤为必要的，对于后续建筑行业发展具有十分深远的影响。

关键词：高层建筑；钢结构设计；安全 1 建筑钢结构 1.1 钢结构的材料优势

钢结构主要具备着以下三种优势：①跨度或者荷载较大的构件和结构广泛地使用钢材是因为它的较高的强度。它们能够有着更强的适应性往往是采用了拥有了良好的塑性和韧性的钢材，它们往往不会因为超载而担心断裂了。钢结构还拥有着良好的抗震性，这是吸能能力和延性的良好决定的；②钢材的内部组织呈现出来的几乎是各向同性。钢材几乎是具备着完全弹性的，当它们处在一定的应力幅度。当工程力学计算结果展示出来的时候，我们不难发现钢结构的实际受力情况和这个结果几乎是相一致的。那么设计施工的准确度就有了保证，除了弹性之外，还主要是材质在冶炼过程中的变化和波动的范围是很小的；③钢结构所使用的材料是比较单数的，因此在制造的过程中就不会很复杂。事实上，混凝与的强度和密度的比值是远远小于钢材的比值的。想要在同样的跨度内实现相同的荷载，混凝土屋架的三分之一到四分之一之间重量就是钢材替代混凝土所使用的重量，那么在吊装和运输的过程中就不会有较大的压力。 1.2 钢结构在建筑上的应用优势

钢结构拥有着砖混结构和混凝土结构在建筑上的应用优势，这主要和它独特的特征决定的。钢结构的较轻的自重，良好的延性使得建筑物拥有着良好的抗震性，这是因为地震力效应在建筑质量较小的情况下会变得相应小一些，地震效应还会因为延性的良好性一定程度上收到缓冲。除此之外，在传统的建造中想要建造较大开间就需要较为大跨度和复杂的结构，而如今有了轻质高强的钢结构，在创造开放式住宅的时候就更为方便了。在地域应用方面，钢结构建筑表现出来了其他结构无法比拟的优势。在西部地区，那里的冬天时间较长，因此在建筑施工的时候就特别困难，想要加快施工速度和提高施工质量就可以使用钢结构，除此之外，它还能

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够杜绝了因为低温带来的不必要的麻烦。在北方地区冬季室内采暖所需要的时间是比较长的，因此外墙的保温性能就必须要良好。钢结构就能很好地满足用户这一方面的居住需求。 1.3 钢结构的不足

我们不难发现，生活的各个方面都能看到钢结构应用的身影，住宅产业化的发展进程也因为钢结构住宅的产生而加快了步伐，它给社会带来了良好的综合效益。但是，它也存在着一些缺陷。钢材的腐蚀性较差，严格防护需要花费较多的费用和人力。除此之外，钢结构还需要有隔热层的保护，（处在150摄氏度的环境之中）尽管它有一定的耐热性。 2 钢结构中的失稳类型 2.1 分支点失稳

分支点失稳也称之为平衡分岔失稳，分支点失稳主要包括直杆、圆环、窄梁等部位，这些部位在受到外界压力时会导致其支点严重不平衡造成失稳现象。在正常情况下，如果钢结构的轴心受压构件是完好无损的，那么其端部在遭遇到荷载压力且低于规定限值时，构建依然可以维持平直，只会压缩变形但不会造成失稳。但是如果端部的承载压力高于限值就会导致弯曲，使轴心受压出现不平衡的情况，也就是平衡分岔稳定问题。从设计角度来看，这类屈曲破坏是可以被避免的。 2.2 极值点失稳

极值点失稳与分支点失稳有所不同，是无平衡分岔的问题，在建筑工程中属于常见的问题。这主要是由于偏心构件的材料所致，偏心构件的材料一般都会使用钢材，在经过长时间发展后其塑性会逐渐变得没有稳定能力，就会导致平衡形式产生变化，从而导致失稳问题。在处理极值点失稳时，一般会将其转变成分支点失稳进而进行处理。 2.3 跳跃性失稳

跳跃性失稳并没有极值点同时也没有平衡分岔点，一般会出现在扁壳、空间桁架中，这一类失稳主要是指扁壳或者是空间桁架在失去稳定平衡后从原来位置跳跃到另外的稳定平衡状态，即称之为跳跃性失稳。在进行钢结构稳定性设计时，这种类型的变形是被禁止的，所以需要在计算承载极限时，按照临界荷载来进行。 3 对建筑钢结构设计安全提出的对策 3.1 加强设计规范管理，理论结合实际

设计人员应该在开着工作之前，要求项目主办方的负责人上传响应的质量证书，通过向承包单位提供的钢结构施工设计的职业工作资质证明，来保证工作开展的规范性。此外，设计人

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员在设计时选择材料上，要加强安全可靠、满足使用、经济可靠的原则意识。在设计过程中，在考虑荷载性质、应力状态、连接方法及工作环境的因素下，进行大胆发挥。对于材料不可避免的缺陷，要尽可能放大其优点，去减少其缺陷，如对于强度低的初弯曲较大的杆件，应尽量避免长细比过长，提高施工精度等。对于材料的缺陷，如焊接的影响，焊接的残余应力会降低结构的刚度且对疲劳强度有不利的影响，在设计时要合理布置焊接的位置，设计适当的焊缝尺寸，焊缝不宜过分集中，应尽量避免三向焊接相交，还应考虑钢板的分层问题。设计时，根据实际项目的特点和要求，要考虑合理的方案，应具有相应的可行性和安全性，避免给施工人员造成不必要的麻烦，如标注要清晰。都要符合相应的基本设计规范。 3.2 提高设计方案的创建能力

在设计方案时，可选用的结构构件模式多种多样，每种模式都有其相应的特点。这就要求设计人员要根据实际项目的特点，选择科学有效的设计方式来全面提升设计方案的时效性，而且设计人员要对图纸的参数信息的设定去反复实验和调整，尽可能的保证其可行性。 3.3 合理利用网络，智能化设计

在如今智能化的时代，相应的各行各业的软件也孕育而生，如BIM、PKPM等软件的出现，进一步推动了整个建筑行业的发展，新兴软件运用的能力也是设计人员应具备的能力之一。网络的出现，使得信息能快速共享，应多和国内外设计人员交流，借鉴和学习优秀的做法，不断完善提高自身水平及创新思维能力。此外开设土木类专业的本科高校应多注重理论与实践相结合，开设更多的实践课程，提高大学生的认知能力，加开相应的软件使用教学课程也是有必要的，使后备人才的提供得到保障。 4 结语

高层建筑和超高层建筑作为未来建筑行业的主流趋势所在，由于建筑自身高度较大，对于建筑结构的强度和抗震能力提出了更高的要求。钢结构自身重较轻，强度大，可以有效降低高层建筑自重，同时利用钢结构自身韧性、可靠性，具有较强的延展性，一旦发生地震，可以有效提升建筑整体安全性，降低地震能量带来的冲击。钢结构施工简单，在实际施工中可以有效的提升施工效率和施工质量，为建筑带来更大的安全保障。 参考文献：

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[5] 王志强，刘爽.钢结构设计中常见问题与措施[J].中华民居（下旬刊），2014（6）：50.