鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單步驟和設(shè)計(jì)思路

（一)判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

　　鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層,、大跨度、體型復(fù)雜,、荷載或吊車起重量大,、有較大振動(dòng)、高溫車間,、密封性要求高,、要求能活動(dòng)或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：大廈,、體育館,、歌劇院、大橋,、電視塔,、倉棚、工廠,、住宅和臨時(shí)建筑等,。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相一致的。

（二）結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

此處僅簡單介紹,。 詳請參考相關(guān)專業(yè)書籍,。由于結(jié)構(gòu)選型涉及廣泛,做結(jié)構(gòu)選型及布置應(yīng)該在經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師指導(dǎo)下進(jìn)行?！?/p>

　在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是“概念設(shè)計(jì)”,它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要,。對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題,，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理,、震害,、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施,。運(yùn)用概念設(shè)計(jì)可以在早期迅速,、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇,。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算,、概念清晰、定性正確,，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算,。同時(shí)，它也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù),。（無論結(jié)構(gòu)軟件如何強(qiáng)大,，扎實(shí)的結(jié)構(gòu)概念和力學(xué)分析，及可靠的手算能力,，才是過硬的素質(zhì),。）鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面(木行)架,、網(wǎng)架（殼）,、索膜、輕鋼,、塔桅等結(jié)構(gòu)型式,。　

　其理論與技術(shù)大都成熟,。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實(shí)用的設(shè)計(jì)方法,，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等?！?/p>

結(jié)構(gòu)選型時(shí),，應(yīng)考慮它們不同的特點(diǎn)。在輕鋼工業(yè)廠房中,，當(dāng)有較大懸掛荷載或移動(dòng)荷載,，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。屋面上雪壓大的地區(qū),，屋面曲線應(yīng)有利于積雪滑落（切線50度內(nèi)需考慮雪載）,，如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼。總雪載釋放近一半,。降雨量大的地區(qū)相似考慮,。建筑允許時(shí)，在框架中布置支撐會(huì)比簡單的節(jié)點(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性,。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中,，可選擇構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)體系。高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,，常采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu),，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應(yīng)單純?yōu)榱私?jīng)濟(jì)去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式,。宜選擇周邊巨型src柱,，核心為支撐框架的結(jié)構(gòu)體系。我國半數(shù)以上的此類高層為前者,。對抗震不利,。（把受力單元盡可能的向結(jié)構(gòu)外圍布置，是充分利用材料性能的關(guān)鍵,，就像中空的竹子一樣,，所以外強(qiáng)內(nèi)弱很重要。）　

　結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征,荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮,。一般的說要?jiǎng)偠染鶆颉ＡW(xué)模型清晰,。盡可能限制大荷載或移動(dòng)荷載的影響范圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ),。柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻。其形心要盡量靠近側(cè)向力(風(fēng)震)的作用線,。 否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn),。 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線。比如有支撐框架結(jié)構(gòu),柱子至少應(yīng)能單獨(dú)承受1/4的總水平力,?！　?/p>

框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置,有時(shí)可以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁,，但是這會(huì)使主梁截面加大,，減少了樓層凈高,頂層邊柱也有時(shí)會(huì)吃不消，此時(shí)把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子,。

（三）預(yù)估截面

結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后,，需對構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定,?！　?/p>

鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接h型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況,，其截面高度通常在跨度的1/20～1/50之間選擇,。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時(shí)，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算,，這種方法很受歡迎,。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估,?！　?/p>

柱截面按長細(xì)比預(yù)估。 通常50<λ<150,簡單選擇值在100附近,。根據(jù)軸心受壓,、雙向受彎或單向受彎的不同,可選擇鋼管或h型鋼截面等。初學(xué)者需注意,，對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu),，規(guī)范中對截面的構(gòu)造要求有很大的不同。如鋼結(jié)構(gòu)所特有的組成構(gòu)件的板件的局部穩(wěn)定問題,。在普鋼規(guī)范和輕鋼規(guī)范中的限值有很大的區(qū)別,。除此之外，構(gòu)件截面形式的選擇沒有固定的要求,，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力情況,，合理的選擇安全經(jīng)濟(jì)美觀的截面。

（四）結(jié)構(gòu)分析

目前鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析,條件允許時(shí)考慮p－Δ,p－δ,。新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能,。這為更精確的分析結(jié)構(gòu)提供了條件。并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件:典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形,。簡單結(jié)構(gòu)通過手算進(jìn)行分析,。復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行程序并做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

（五）工程判定

要正確使用結(jié)構(gòu)軟件,，還應(yīng)對其輸出結(jié)果的做“工程判定”,。比如，評估各向周期,、總剪力,、變形特征等。根據(jù)“工程判定”選擇修改模型重新分析,還是修正計(jì)算結(jié)果,。不同的軟件會(huì)有不同的適用條件,。初學(xué)者應(yīng)充分明了。此外,工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算和精確的力學(xué)計(jì)算本身常有一定距離, 為了獲得實(shí)用的設(shè)計(jì)方法,有時(shí)會(huì)用誤差較大的假定, 但對這種誤差, 會(huì)通過"適用條件,、概念及構(gòu)造"的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全,。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,“適用條件、概念及構(gòu)造”是比定量計(jì)算更重要的內(nèi)容。工程師們不應(yīng)該過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件,。美國一位學(xué)者曾警告說：“誤用計(jì)算機(jī)造成結(jié)構(gòu)破壞而引起災(zāi)難只是一個(gè)時(shí)間的問題,。”注重概念設(shè)計(jì)和工程判定是避免這種工程災(zāi)難的方法。

（六）構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)件的設(shè)計(jì)首先是材料的選擇,。 比較常用的是q235(類似a3)和q345(類似16mn),。 通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟(jì)考慮,也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面,。 當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時(shí),可選擇q345; 穩(wěn)定控制時(shí),宜使q235,。　　

構(gòu)件設(shè)計(jì)中,現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗(yàn)算截面,。這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的彈性方法并不匹配,。　

當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件,都提供截面驗(yàn)算的后處理功能,。由于程序技術(shù)的進(jìn)步,一些軟件可以將驗(yàn)算時(shí)不通過的構(gòu)件,，從給定的截面庫里選擇加大一級。并自動(dòng)重新分析驗(yàn)算,，直至通過,，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一,。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量,。但是，初學(xué)者至少應(yīng)注意兩點(diǎn)：　

1,、軟件在做構(gòu)件(主要是柱)的截面驗(yàn)算時(shí),計(jì)算長度系數(shù)的取定有時(shí)會(huì)不符合規(guī)范的規(guī)定,。目前所有的程序都不能完全解決這個(gè)問題。所以,尤其對于節(jié)點(diǎn)連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件,結(jié)構(gòu)師應(yīng)該逐個(gè)檢查,。　　

2,、當(dāng)上面第(三)條中預(yù)估的截面不滿足時(shí),，加大截面應(yīng)該分兩種情況區(qū)別對待?！　?/p>

(1) 強(qiáng)度不滿足,通常加大組成截面的板件厚度,，其中,抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度,?！?/p>

(2) 變形超限，通常不應(yīng)選自.投標(biāo)書代寫網(wǎng) yipai178.com 加大板件厚度,，而應(yīng)考慮加大截面的高度,，否則，會(huì)很不經(jīng)濟(jì)。使用軟件的前述自動(dòng)加大截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能,，很難考慮上述強(qiáng)度與剛度的區(qū)分,，實(shí)際上，常常并不合適,。

（七）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一,。在結(jié)構(gòu)分析前,就應(yīng)該對節(jié)點(diǎn)的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是,最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致,這必須避免,。按傳力特性不同,節(jié)點(diǎn)分剛接,鉸接和半剛接,。初學(xué)者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。常用的參考書[2]有豐富的推薦的節(jié)點(diǎn)做法及計(jì)算公式,。連接的不同對結(jié)構(gòu)影響甚大,。比如,有的剛接節(jié)點(diǎn)雖然承受彎矩沒有問題,但會(huì)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動(dòng), 不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定。會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工程變形大于計(jì)算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果,。連接節(jié)點(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計(jì)和實(shí)際受力設(shè)計(jì)兩種常用的方法, 初學(xué)者可偏安全選用前者,。設(shè)計(jì)手冊中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)計(jì)者查用,比較方便。也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來自動(dòng)完成,?！?/p>

具體設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容:　

　1、焊接: 對焊接焊縫的尺寸及形式等,規(guī)范有強(qiáng)制規(guī)定,應(yīng)嚴(yán)格遵守,。 焊條的選用應(yīng)和被連接 金屬材質(zhì)適應(yīng),。e43對應(yīng)q235,e50對應(yīng)q345。 q235與q345連接時(shí),應(yīng)該選擇低強(qiáng)度的e43,而不是e50,。焊接設(shè)計(jì)中不得任意加大焊縫,。 焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近。其他詳細(xì)內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定,?！?/p>

　2、栓接:鉚接形式,在建筑工程中,，現(xiàn)已很少采用,。普通螺栓抗剪性能差, 可在次要結(jié)構(gòu)部位使用。高強(qiáng)螺栓,使用日益廣泛,。常用8.8s和10.9s兩個(gè)強(qiáng)度等級,。根據(jù)受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型。兩者計(jì)算方法不同,。高強(qiáng)螺栓最小規(guī)格m12,。常用m16～m30。 超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定,設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重使用,。自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接,。 國外在低層墻板式住宅中,也常用于主結(jié)構(gòu)的連接,。　

　3,、連接板: 可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm,。 然后驗(yàn)算凈截面抗剪等?！?/p>

　4,、梁腹板: 應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓,?！?/p>

　5、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須考慮安裝螺栓,、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等,。構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場無法安裝是初學(xué)者長犯的錯(cuò)誤。此外,，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場定位與臨時(shí)固定,。　

　6,、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平,。 比如鋼管連接節(jié)點(diǎn)的相貫線的切口需要數(shù)控機(jī)床等設(shè)備才能完成。

（八）圖紙編制

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出圖分設(shè)計(jì)圖和施工詳圖兩階段,，設(shè)計(jì)圖為設(shè)計(jì)單位提供,，施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)設(shè)計(jì)圖編制，有時(shí)也會(huì)由設(shè)計(jì)單位代為編制,。由于近年鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目增多和設(shè)計(jì)院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾,，有設(shè)計(jì)能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參與設(shè)計(jì)圖編制的情況也很普遍?！　?/p>

1,、設(shè)計(jì)圖: 是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù)。深度及內(nèi)容應(yīng)完整但不冗余,。在設(shè)計(jì)圖中,對于設(shè)計(jì)依據(jù),、荷載資料（包括地震作用）、技術(shù)數(shù)據(jù),、材料選用及材質(zhì)要求、設(shè)計(jì)要求（包括制造和安裝,、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)的等級,、涂裝及運(yùn)輸?shù)龋⒔Y(jié)構(gòu)布置,、構(gòu)件截面選用以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等均應(yīng)表示清楚,，以利于施工詳圖的順利編制,，并能正確體現(xiàn)設(shè)計(jì)的意圖。主要材料應(yīng)列表表示,?！　?/p>

2、施工詳圖:又稱加工圖或放樣圖等,。深度須能滿足車間直接制造加工,。不完全相同的另構(gòu)件單元須單獨(dú)繪制表達(dá)，并應(yīng)附有詳盡的材料表,。設(shè)計(jì)圖及施工詳圖的內(nèi)容表達(dá)方法及出圖深度的控制,，目前比較混亂，各個(gè)設(shè)計(jì)單位之間及其與鋼結(jié)構(gòu)公司之間不盡相同,。初學(xué)者可參考他人的優(yōu)秀設(shè)計(jì)并參考相關(guān)的工具書,，并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。

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