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

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單步驟和設(shè)計(jì)思路該帖被瀏覽了397次 | 回復(fù)了0次鋼結(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。 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

2、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)。 林同炎教授在結(jié)構(gòu)概念和體系一書中介紹了用整體概念來規(guī)劃結(jié)構(gòu)方案的方法，以及結(jié)構(gòu)總體系和個(gè)分體系間的相互力學(xué)關(guān)系和簡化近似設(shè)計(jì)方法。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。

3、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。 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?；狙捍蟮牡貐^(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?？傃┹d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

4、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。19 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?力學(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. 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，

5、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。 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1/201/50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。 柱截面按長細(xì)比預(yù)估. 通常50<<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

6、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-,p-. 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)

7、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

8、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),宜使用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)

9、構(gòu)師的很多工作量。 但是，初學(xué)鋼至少應(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。 (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。 (2) 變形超限，通常不應(yīng)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。

10、(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2中通常有焊縫及螺栓連接的表

11、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. 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. 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

12、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m16m30. 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. 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. 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)

13、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。 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?、結(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

14、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。 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.有關(guān)振型的幾個(gè)概念振型參與系數(shù)：每個(gè)質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量與其在某一振型中相應(yīng)坐標(biāo)乘積之和與該振型的主質(zhì)量（或者說該模態(tài)質(zhì)量）之比，即為該振型的振型參與系數(shù)。一階振型自振頻率最小(周期最長),二階,三階.振型的自振頻率逐漸增大. 地震力大小和地面加速度大小成正比,周期越長加速度越小,地震力也越小。 自振振型曲線是在結(jié)構(gòu)某一階特征周期下算得的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)相對位移(模態(tài)向量)的圖形示意.在形狀上如實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)在該周期下的振動(dòng)形態(tài).振型

15、零點(diǎn)是指在該振型下結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)為0。 振型越高，周期越短，地震力越大，但由于我們地震反應(yīng)是各振型的迭代，高振型的振型參與系數(shù)小。 特別是對規(guī)則的建筑物，由于高振型的參與系數(shù)小，一般忽略高振型的影響。振型的有效質(zhì)量：這個(gè)概念只對于串連剛片系模型有效(即基于剛性樓板假定的，不適用于一般結(jié)構(gòu)。）。某一振型的某一方向的有效質(zhì)量為各個(gè)質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量與該質(zhì)點(diǎn)在該一振型中相應(yīng)方向?qū)?yīng)坐標(biāo)乘積之和的平方。一個(gè)振型有三個(gè)方向的有效質(zhì)量，而且所有振型平動(dòng)方向的有效質(zhì)量之和等于各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的的質(zhì)量之和，轉(zhuǎn)動(dòng)方向的有效質(zhì)量之和等于各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。有效質(zhì)量系數(shù)：如果計(jì)算時(shí)只取了幾個(gè)振型，那么這幾個(gè)振型的有效質(zhì)量之和與總

16、質(zhì)量之比即為有效質(zhì)量系數(shù)。這個(gè)概念是由wilson e.l. 教授提出的，用于判斷參與振型數(shù)足夠與否，并將其用于etabs程序。振型參與質(zhì)量：某一振型的主質(zhì)量（或者說該模態(tài)質(zhì)量）乘以該振型的振型參與系數(shù)的平方，即為該振型的振型參與質(zhì)量。振型參與質(zhì)量系數(shù)：由于有效質(zhì)量系數(shù)只實(shí)用于剛性樓板假設(shè)，現(xiàn)在不少結(jié)構(gòu)因其復(fù)雜性需要考慮樓板的彈性變形，因此需要一種更為一般的方法，不但能夠適用于剛性樓板，也應(yīng)該能夠適用于彈性樓板。出于這個(gè)目的，我們從結(jié)構(gòu)變形能的角度對此問題進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)通用方法來計(jì)算各地震方向的有效質(zhì)量系數(shù)即振型參與質(zhì)量系數(shù)，規(guī)范即是通過控制有效質(zhì)量振型參與質(zhì)量系數(shù)的大小來決定所取的振

17、型數(shù)是否足夠。（見高規(guī)（5.1.13）、抗規(guī)(5.2.2)條文說明）。這個(gè)概念不僅對糖葫蘆串模型有效。一個(gè)結(jié)構(gòu)所有振型的振型參與質(zhì)量之和等于各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量之和。如果計(jì)算時(shí)只取了幾個(gè)振型，那么這幾個(gè)振型的振型參與質(zhì)量之和與總質(zhì)量之比即為振型參與質(zhì)量系數(shù)。 由此可見，有效質(zhì)量系數(shù)與振型參與質(zhì)量系數(shù)概念不同，但都可以用來確定振型疊加法所需的振型數(shù)。我們注意到：etabs6.1中，只有有效質(zhì)量系數(shù)（effective mass ratio）的概念，而到了etabs7.0以后，則出現(xiàn)了振型質(zhì)量參與系數(shù)（modal participating mass ratio），可見，振型參與質(zhì)量系數(shù)是有效質(zhì)量系數(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有效質(zhì)量系數(shù)只適用于串連剛片系模型，分別有x方向 、y方向、rz方向的有效質(zhì)量系數(shù)。振型參與質(zhì)量系數(shù)則分別有x、y、z、rx、ry、rz六個(gè)方向的振型參與質(zhì)量系數(shù)。注釋：1）這里的“質(zhì)量”的概念不同于通常意義上的質(zhì)量。離散結(jié)構(gòu)的振型總數(shù)是有限的，振型總個(gè)數(shù)等于獨(dú)立質(zhì)量的總個(gè)數(shù)?？梢酝ㄟ^判斷結(jié)構(gòu)的獨(dú)立質(zhì)量數(shù)來了解結(jié)構(gòu)的固有振型總數(shù)。具體地說： 每塊剛性樓板有三個(gè)獨(dú)立質(zhì)量mx,my,jz； 每個(gè)彈性節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)獨(dú)立質(zhì)量mx,my；根據(jù)這兩條，可以算出結(jié)構(gòu)的獨(dú)立質(zhì)量總數(shù)，也就知道了結(jié)構(gòu)的固有振型總數(shù)。2）若記結(jié)構(gòu)固有振型總數(shù)是nm，那么參與振型數(shù)最多只能選nm個(gè)，選參與振型數(shù)大于n