高层建筑钢结构设计分析

随着高层建筑的发展和科学技术的进步，建造技术与结构理论不断提高，高层建筑钢结构的形式愈加多样化，有利于推动建筑工程的发展。由于钢结构具有较高的强度与承载能力、较强的抗震能力，将其应用于高层建筑中，能够有效取代传统的混凝土，保证建筑物的稳定性，增强建筑工程质量，满足人们的居住要求。本文就对高层建筑中的钢结构设计进行分析和探讨。

在社会经济快速发展的背景下，我国建筑行业获取了良好的发展空间，建筑水平不断提升，建筑工程逐步朝着复杂高层的结构趋势发展，而在这种情况下，施工者与建筑商对建材选择的要求也越来越高[1]。相较于传统钢筋混凝土结构而言，钢结构具有稳定性强和工期短等优势，被广泛应用于高层建筑工程中，进一步推动了高层建筑的发展。

一、高层建筑中钢结构设计概述

（一）特点

高层建筑中钢结构的特点主要表现在三个方面：①低成本和高强度。相较于传统钢筋混凝土而言，钢结构具有十分明显的特点，如不易受环境因素影响、强度高、质量轻、施工工期短、经济等，并且高层建筑中的钢结构多选用先进科学的工艺及设计。由于钢结构质量较轻，将其应用建筑施工中，可以降低施工成本，节省地基处理费用。②空间大。传统钢筋混凝土结构的跨度较小，基本保持在15m的范围内，并且建造完成后不易移动且难以改变；但是在高层建筑中应用钢结构，能够保证内部空间的充足，可以超过60m，还能进行简单的扩张与改建，便于移动。③材料环保。钢是钢结构的主要材料，其具有较高的强度，能够支持大结构，在现代工业化生产中具有重要的作用；同时可以循环利用钢材的边角料，运输回收的价值高且便利，有利于节省施工成本，达到环境保护的目的。

（二）设计原则

在高层建筑中进行钢结构设计时，需要严格遵循适用性和经济性的原则，首先是适用性原则。通常科学的建筑结构体系应刚柔并济，如果建筑结构过于强调“刚性”，缺乏合理性与可行性，则会降低结构的变形能力，致使建筑难以承受地震和火灾等而出现坍塌情况；如果结构过于注重“柔”，虽然能够减缓外力作用，但是也会因变形过大而导致承重点发生变化，最终出现坍塌问题，因此设计适中的建筑结构体系显得尤为重要[2]。适用性原则是钢结构体系的基本要求，其会对建筑物的后期使用造成直接影响，因此在结构设计过程中需要准确把握建筑物的环境条件、特点和功能等，如建筑物对防震、隔音和保温等有无特殊要求等。其次是经济性原则。在高层建筑中应用钢结构的根本目的就是创造更高的效益，但是在实际应用过程中还存在诸多问题，如工业建筑注重的是直接经济效益，而公共建筑注重的是社会效益。因此在钢结构设计中应遵循经济性原则，从宏观层面来分析问题，结合实际具体的情况，做到具体问题具体分析，进而设计出满足建筑综合效益的方案。

二、高层建筑中钢结构设计的技术要点

高层建筑中钢结构设计的技术要点具体如下：一是布置和选型。在高层建筑钢结构的选型过程中，需要对材质、预算和周边环境进行综合考虑；同时在结构内部设计时，需要遵循因地制宜的原则，对不同位置采用不同建材，严禁因省事而使用相同的建材。这是因为建筑位置的不同，对结构要求也有所不同，并且建筑墙梁、柱子、墙面等的不同，对于力的要求也不尽相同，这就需要以建筑强度和力度等方面的要求为基础，科学布置和选用恰当的钢结构。二是构件截面的估算。布置完结构后需要初步估算构件的截面，尤其是支撑和梁柱等尺寸和断面形状的假定，如钢梁可选择焊接H型钢截面、轧制和槽钢等。一般构件截面的估算工作内容包括：以翼缘宽度和截面高度为依据，对板件的厚度进行估算；对荷载与支座情况进行估算，确定翼缘宽度和截面高度；从实际需要出发来选择钢梁；设定支撑断面和梁柱的形状与大小。

三是构件和节点设计。在设计构件的过程中，必须要恰当选择材料，建立健全相关制度，保证材料采购与监督的有效性，以免出现材料质量问题；同时在施工环节应使用丰富经验和专业能力强的人员进行作业，防止施工中出现技术或质量问题[3]。钢结构设计中的重点内容之一就是节点设计，其从传力特点出发可分为半刚接、绞接和刚接等，连接方式的不同对结构的影响也有所不同。

通常节点设计包括以下几点：①栓接：对于高层建筑中的钢结构而言，多将19.0s强度等级的高强螺栓作为结构连接传力螺栓，并且螺栓基本选用扭剪类型，其中连接型则使用摩擦类型。②焊接：由于焊接的焊缝尺寸及形式具有严格规定，因此在实际焊接中遵守这些规定，保证焊接的科学与准确。③连接板：适当加厚4mm的梁腹板，然后验算抗剪净截面。④梁腹板：验算栓孔位置的腹板抗剪净截面，并有效连接高强承压型螺栓，然后验算局部孔壁的承压能力。值得注意的是，在节点设计环节，还需要充分考虑吊装构件现场焊接、螺栓安装的具体顺序。四是结构布置方式。

①抗侧力构件布置。在设计结构平面两个方面的支撑时，应该保证其对称性，支撑之间楼盖长宽比不得超过3；设计筒中筒结构时，内筒边长大于其外筒边长的1/3，并且外框筒与内框筒的柱距应相同，有效连接到钢梁。②竖向布置。从经济性原则出发来控制结构体系的最大适用宽度与高度，如框架—支撑体系的非抗震设防建筑的最大高宽比为6，最大宽度达260m；同时应尽可能避免楼层承载力突变和侧向刚度不规则等问题的出现[4]。③平面布置。在平面布置过程中应按照平面简单原则，科学计算结构尺寸，从而降低因地震而出现的结构扭转振动，提高结构的抗风性和抗震性。

由于钢结构具有自身的优点与特征，被广泛应用于高层建筑中，但是受许多因素的影响，在钢结构设计中仍然存在诸多问题。面对这种情况，在实际设计过程中必须要从具体情况出发，积极遵循适用性和经济性原则，准确掌握其技术要点，做好布置和选型、构件截面估算、构件和节点设计、结构布置等工作，从而满足高层建筑的实际要求，保证建筑的使用功能，实现良好的设计效果。