［摘要］钢结构工程目前在建筑中得到广泛的应用，因此须加强钢结构工程的设计管理工作，根据实际的制造和施工方案选择合适的结构体系和节点形式，随着钢结构工程的发展，设计方案和理念也不断增加，基于此，对钢结构工程设计方法及注意事项进行分析研究，为类似工程提供借鉴。
［关键词］建筑钢结构；工程设计；结构体系
为了保证钢结构能充分发挥其优势和特点，必须在设计阶段就考虑好制造、施工及运营阶段的实际情况，钢结构的设计必须在保证结构安全性的前提下，考虑适用性和耐久性的合理设计。同时也应结合钢结构的特点，做好节点部分的细部设计，在符合GB50017—2017《钢结构设计标准》及相关规范的前提下，实现标准化设计、工业化生产、模块化安装的一体化建造模式。
1钢结构工程设计的基本要求
1.1钢构件材料选用
在结构设计中，为使钢结构的材料特性能充分发挥出来，在方案设计阶段，选用合适的钢材，不但能确保结构的安全性能，还能方便制作和安装，同时也能使建设成本更加经济。根据GB50017—2017《钢结构设计标准》，选用材料可归纳为以下几点。（1）所有承重构件的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格性保证，对焊接材料还要具有碳含量的合格保证。（2）焊接承重构件以及重要的非焊接承重构件的钢材应具有冷弯试验的合格保证。（3）对需要验算疲劳的结构，还应分别按照当地环境条件，具有相应的冲击韧性的合格保证。（4）对布置有大吨位起重机（不小于50t）的中级及以上工作制的起重机，也应满足冲击韧性的要求。（5）对于厚度大于40mm的厚钢板，材料还应有Z向性能的保证。正确选用材料，遵循技术可靠、经济合理的原则，结合结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、工作环境、材料厚度和价格因素，选用合适的钢材牌号和材性保证项目。
1.2钢构件的截面选用
选择合适的钢构件截面是钢结构设计过程中的重要环节，当结构布置完成后，接下来就是估算出合适、合理的钢构件截面。根据构件的属性、结构的跨度及高度、侧向约束的条件、荷载作用的条件、内力的包络图及构件的受力状态等条件，初步估算截面所需要提供的惯性矩、截面面积，并结合设计控制参数条件，如材料的设计强度指标、挠度控制值、长细比限值、构造板件宽厚比和高厚比等，选取一种最适合的截面形式同时预估其截面的尺寸。目前我国常用的截面形式有以下几种：热轧H形钢（分窄翼缘、中翼缘、宽翼缘）、热轧角钢（等边、不等边）、普通槽钢、普通工字钢、热轧T形钢等热轧型材；冷弯C形钢、冷弯Z形钢、冷成型焊接钢管、冷弯帽形钢等冷成型薄壁型钢；焊接H形钢、变截面焊接H形钢、十字形截面、箱形截面、田字形截面、日字形截面、实腹式焊接组合截面、格构式焊接组合截面等钢板焊接类截面。一般结构中多用常规的焊接H形钢和热轧类型钢，当构件受力较大或受建筑条件约束时，采用各类其他焊接组合截面，冷成型薄壁构件一般多用于围护体系和轻型低层建筑钢结构中。
1.3结构布置及注意事项
1.3.1单层钢结构厂房
单层钢结构厂房可分为单跨或多跨组合，其跨度应按工艺及生产要求、起重机配置及荷载情况等条件确定，一般跨度宜为12~48m，经济跨度为18~36m，当符合门式钢架结构条件时，经济跨度宜取为21~30m。单层厂房柱距的合理性也应与工艺、荷载情况、有无起重机及地基状况等因素结合考虑，一般柱距为6~9m，当为重型厂房时，则应扩大柱距到12m，甚至15m，但屋架开间仍可选用6~7.5m，屋架可支撑在托架上，墙面系统可设置墙架柱。纵向温度区段根据结构情况，可取为120~250m不等。横向温度区段根据结构情况，结合柱顶约束条件，可取为100~150m；当符合门式钢架结构条件时，纵向温度区段可加长至300m，横向温度区段可大于150m，但应考虑温度的影响。
1.3.2多层钢框架结构
多层框架以抗侧力为其承载主要特点，框架结构应按高度、体形、荷载等条件合理选择其结构体系，一般按高度不同可分别选用，框架、框架–支撑、框架–剪力墙等体系。一般6层及以下的多层框架可采用纯框架体系，7~12层多层框架宜选用框架–支撑、框架–剪力墙体系，支撑一般选用型钢支撑，剪力墙可选用混凝土剪力墙或钢板剪力墙。多层钢框架的柱网尺寸，一般按使用条件、梁格的合理布置以及停车位的合理空间等条件确定，一般取为6~10m。
2钢结构工程设计方法
结构设计时应分结构方案设计和具体结构设计2步进行。结构方案设计主要包括结构选型和材料选用，应先进行各种方案的比较而后确定；具体结构设计在方案确定后进行，包括结构布置、截面和连接设计等，最后绘制施工图。
2.1钢结构工程设计的容许应力法
容许应力法比较简单，早前应用较多，我国GB50017—2017《钢结构设计规范》也采用了此法，目前仍有许多国家在使用这种方法。容许应力法采用S（荷载效应）和R（结构的抗力）这2个因素来确定结构抗力是否能满足荷载效应引起的结构及其构件的内力和变形，常用γsSk≤RK/γR来表示，其中γs和γR分别为荷载效应分项系数和结构抗力分项系数，两者均为大于1的系数，通常又把γs和γR的乘积定义为K，称之为安全系数。但容许应力法有其不足之处，由于荷载和结构抗力都具有不确定性，设计人员很难确定安全系数的大小；对于可变荷载与永久荷载比值不同的结构均采用同一安全系数K进行设计，导致各类结构安全水平不一致；安全系数K取值随意性较大，一般都采用经验来判断。
2.2钢结构设计的概率设计法
结构的极限状态是指结构或构件能满足设计规定某一功能要求的临界状态，超过这一状态，结构或构件就不能满足设计要求。概率设计法只要求所设计结构的安全度的概率保证。ps为可靠概率，记作ps=P（R–S>0）；用pf表示失效概率，记作pf=P（R–S<0）=1–ps；概率设计法安全储备不作要求，这是与容许应力设计法在概念上的一个很大差别。但目前全概率设计方法只能用于说明概率设计方法的概念，在实际工程中还是很难应用。现阶段人们主要研究近似的概率设计方法，如一次二阶矩阵近似概率设计方法，目前我国建筑钢结构设计中除疲劳设计和抗震设计外，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式进行计算。结构在规定设计年限内应具有足够的可靠度，按照设计使用年限可分为5年的临时性结构、25年的易于替换的结构、50年的一般性建筑、100年的特别重要性建筑，其结构重要性系数分别取为0.9,0.95,1.0,1.1。承重结构在设计时应考虑2种极限状态，分别为承载能力极限状态和正常能力极限状态。承载能力极限状态是指结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态；正常使用极限状态是指结构或构件达到正常使用的某项规定的限值时的极限状态。
2.3建筑钢结构工程设计的塑性设计法
在建筑钢结构的设计中塑性设计法也是一种较常用的设计方法，该设计方法是对钢结构的每个材料单元进行分析测量。建筑材料可以体现出塑性效果和材料强度，通过详细分析建筑钢结构的内部作用力，明确其分布情况。然后协调地处理建筑钢结构的整体稳定性，避免建筑钢结构在使用中出现变形断裂的质量问题。结构采用塑性设计，当按正常能力极限状态设计时，应采用荷载的标准值，并应按弹性理论进行计算；当按承载能力极限状态设计时，应采用荷载的设计值，并应按简单塑性理论进行能力分析。采用塑性设计时的材料屈强比不应大于0.85，钢材应具有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20%。
2.4钢结构设计中的问题
（1）钢结构建筑的设计也会涉及很多其他的建筑材料，其他建材由于本身的材料性能无法满足与钢材的协同工作要求，而在设计时未能很好地处理交界处的节点做法，导致后期使用中出现质量问题。（2）个别设计人员在进行建筑钢结构设计时，只注重单个构件强度可靠性的设计，忽略了结构的整体刚度和稳定性问题，造成了钢结构在实际使用过程中出现结构失稳倒塌的情况。（3）个别设计师对于建筑钢结构的设计停留在表面，照搬套用一些程序规定，对钢构件没有进行详图设计，把节点构造和支座详图等重要设计交给生产厂家设计，生产厂家由于缺乏较详细的数据资料，因此在设计中会出现严重的安全隐患。
3建筑钢结构工程设计的注意事项
3.1谨慎选择钢结构的建材
设计师要了解各种钢结构材料的性质和特点，要仔细分析钢结构材料的技术指标，还要对工程项目的地理、气候、温度条件进行深入分析，保证钢结构建材满足当地使用条件。注意各种钢结构建材的韧性、强度、长度、宽度等基本资料，要保证钢结构的建材可满足建筑钢结构工程的施工条件。
3.2注意钢结构设计的适宜性
在进行钢结构工程的设计中要注意设计方案是否可顺利进行施工建设，在设计之初还要考虑到钢结构工程使用单位的情况，到施工地点进行现场考察，保证对建筑钢结构进行全面的考察分析，要对所有的考察资料进行统筹分析，为建筑钢结构的精确设计提供有效帮助。
3.3注意建筑钢结构的安全防火设计
在进行建筑钢结构的设计前要对钢结构的消防隐患进行安全设计，因为建筑钢结构防火性能较差，火灾破坏性大，因此在进行建筑钢结构的设计时要重点对消防安全进行设计，要根据建筑钢结构的风格进行设计，要保证消防设计可发挥应有的效果。目前，建筑钢结构的消防设计应用比较多的是对建筑钢结构进行防火涂层的处理。
3.4处理好建筑钢结构设计的细部节点
为提高建筑钢结构的设计水平，必须处理好建筑钢结构的细节设计工作，建筑钢结构的细节设计要保证钢结构关键节点的安全稳定性，连接方式要根据不同的结构设计选择最合适的设计方案，要保证使用中具备协调性，防止在连接部位出现变形和过载现象，给整个钢结构造成安全危害，对螺栓或焊接处理的连接节，须重点关注，对数据进行认真的分析，确保钢结构的连接节点必须安全，做到强节点弱杆件设计原则。3.5加强钢结构设计的抗震性能我国很多地区处于地震带，因此抗震设计尤为重要。钢结构作为抗震性能良好的结构体系，应充分发挥出材料的特性。钢结构构件的抗震性能化设计应根据建筑的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则结构构件在整个结构中的作用、使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损失和修复的难易程度等，经综合分析，选定其抗震性能目标。
4结束语
在建筑尤其是高层建筑施工中，运用钢结构的施工形式可使建筑达到很大的跨度空间，且钢结构具有安装方便、成本低等优点，所以在建筑中得到了普遍推广。随着我国城乡一体化的发展建筑工程越来越多，因此钢结构的设计也要符合建筑的整体的要求，所以设计人员必须掌握钢结构的设计重点，为了保证钢结构的质量必须进行精细化设计。
参考文献
[1]孟萌.高层钢结构建筑工程设计及其注意事项探析[J].绿色环保建材，2018（10）：63，65.
[2]刘锦华.建筑钢结构工程设计及其注意事项[J].四川水泥，2018（6）：88.
[3]乔聪，尹淑杰，马元洁.试析建筑钢结构工程设计及其注意事项[J].河南建材，2019（3）：1–2.
作者:王华科 单位:华星钢构股份有限公司
