鋼結構設計八大要點探析

1、鋼結構設計八大要點探析 (一) 推斷結構是否適宜用鋼結構 鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起分量大、有較大振動、要求能活動或常常裝拆的結構。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、雕塑、倉棚、工廠、住所、山地建造和暫時建造等。這是和鋼結構自身的特點相全都的。 (二) 結構選型與結構布置 結構選型及布置是對結構的定性，因為其涉及廣泛,應當在閱歷豐盛的工程師指導下舉行。此處僅容易推薦. 詳請參考相關專業(yè)書籍. 在鋼結構設計的囫圇過程中都應當被強調(diào)的是“概念設計”,它在結構選型與布置階段尤其重要. 對一些難以作出準確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結構體系與分體系之間的

2、力學關系、破壞機理、震害、實驗現(xiàn)象和工程閱歷所獲得的設計思想，從全局的角度來決定控制結構的布置及細部構造措施。 在早期快速、有效地舉行構思、比較與抉擇，所得結構方案往往易于手算、力學行為清楚、定性正確，并可避開結構分析階段不須要的繁瑣運算。同時，它也是推斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)牢靠與否的主要依據(jù)。 林同炎教授在結構概念和體系一書中推薦了用整體概念來計劃結構方案的方法，以及結構總體系和個分體系間的互相力學關系和簡化近似設計方法。鋼結構通常有框架、平面桁架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構形式。 其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有容易有用的設計方法，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。 結構選型時

3、，應考慮不同結構形式的特點。在工業(yè)廠房中，當有較大懸掛荷載或大范圍移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架?；狙捍蟮牡貐^(qū)，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線50度外不需考慮雪載 ），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼，總雪載和坡屋面相比釋放近一半。降雨量大的地區(qū)相像考慮。建造允許時，在框架中布置支撐會比容易的節(jié)點剛接的框架有更好的經(jīng)濟性。而屋面掩蓋跨度較大的建造中，可抉擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體系。高層鋼結構設計中，常采用鋼混凝土組合結構，在地震烈度高或很不規(guī)章的高層中，不應單純?yōu)榱私?jīng)濟去抉擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜抉擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結構體系。我國半數(shù)以上的

4、此類高層為前者，對抗震不利。 結構的布置要按照體系特征,荷載分布狀況及性質(zhì)等綜合考慮.一般的說要剛度勻稱.力學模型清楚.盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎. 柱間抗側支撐的分布應勻稱.其形心要盡量逼近側向力(風、震)的作用線. 否則應考慮結構的扭轉(zhuǎn). 結構的抗側應有多道防線. 比如有支撐框架結構,柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力. 框架結構的樓層平面次梁的布置,有時可以調(diào)節(jié)其荷載傳遞方向以滿意不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，削減了樓層凈高,頂層邊柱也有時會吃不消，此時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. (

5、三) 預估截面 結構布置結束后，需對構件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面樣子與尺寸的假定。 鋼梁可抉擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。按照荷載與支座狀況，其截面高度通常在跨度的1/201/50之間抉擇。翼緣寬度按照梁間側向支撐的間距按l/b限值決定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復雜計算，這種方法很受歡迎。 決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)定的構造規(guī)定預估。 柱截面按長細比預估. 通常50150, 容易抉擇值在80附近。按照軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同,可抉擇鋼管或H型鋼截面等. 對應不同的結構，規(guī)范對截面的構造要求有很大的不同，如鋼結構所特有的組成構件的板件的局部

6、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)分。 除此之外，構件截面形式的抉擇沒有固定的要求，結構工程師應當按照構件的受力狀況，合理的抉擇平安經(jīng)濟美觀的截面。 (四) 結構分析 目前鋼結構實際設計中,結構分析通常為線彈性分析,條件允許時考慮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.這為更準確的分析結構供應了條件。并不是全部的結構都需要使用軟件: 典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形. 容易結構通過手算舉行分析. 復雜結構才需要建模運行程序并做具體的結構分析. (五) 工程判定 要正確使用結構軟件，還應對其輸出結果的做“工程判定”。比如，評估各向

7、周期、總剪力、變形特征等。按照“工程判定”抉擇修改模型重新分析,還是修正計算結果. 不同的軟件會有不同的適用條件.初學者應充分明白.此外,工程設計中的計算和準確的力學計算本身常有一定距離, 為了獲得有用的設計方法,有時會用誤差較大的假定, 但對這種誤差, 會通過“適用條件、概念及構造”的方式來保證結構的平安. 鋼結構設計中,“適用條件、概念及構造”是比定量計算更重要的內(nèi)容. 工程師們過分相信與依靠結構軟件有可能帶來結構災害，注重概念設計、工程判定和構造措施有助于避開這種災害. (六) 構件設計 構件設計首先是材料的抉擇. 比較常用的是Q235和Q345. 當強度起控制作用時,可抉擇Q345;

8、穩(wěn)定控制時,宜使用Q235.通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理. 經(jīng)濟考慮,也可以抉擇不同強度鋼材的焊接組合截面（翼緣Q345，腹板Q235）. 另外，焊接結構宜抉擇Q235B或Q345B。 當前的結構軟件,都供應截面驗算的后處理功能。部分軟件可以將不通過的構件，從給定的截面庫里抉擇加大一級自動重新驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一，它削減了許多工作量。 但是，我們至少應留意兩點： 1.軟件在做構件(主要是柱)的截面驗算時,計算長度系數(shù)的取定有時會不符合規(guī)范的規(guī)定.目前全部的程序都不能徹低解決這個問題。所以,尤其對于節(jié)點銜接狀況復雜或變截面的構件,我們應當逐個

9、檢查. 2.當上面第(三)條中預估的截面不滿意時，加大截面應當分兩種狀況區(qū)分對待。 (1) 強度不滿意,通常加大組成截面的板件厚度，其中,抗彎不滿意加大翼緣厚度，抗剪不滿意加大腹板厚度。 (2) 變形超限，通常不應加大板件厚度而應考慮加大截面的高度，否則會很不經(jīng)濟。 使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設計功能，很難考慮上述強度與剛度的區(qū)別，實際上，除常用于網(wǎng)架設計外，其他結構形式經(jīng)常并不合適。 (七) 節(jié)點設計 銜接節(jié)點的設計是鋼結構設計中重要的內(nèi)容之一.在結構分析前,就應當對節(jié)點的形式有充分思索與決定.有時消失的一種狀況是,終于設計的節(jié)點與結構分析模型中使用的形式不徹低全都，倘若你不能確信這種

10、不全都帶來的偏差差在工程許可范圍內(nèi)（5%），就務必避開。 按傳力特性不同,節(jié)點分剛接,鉸接和半剛接. 初學者宜抉擇可以容易定量分析的前兩者.常用的參考書2有豐盛的介紹的節(jié)點做法及計算公式. 銜接的不同對結構影響甚大.比如,有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒有問題,但會產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動, 不符合結構分析中的假定. 會導致實際工程變形大于計算數(shù)據(jù)等的不利結果. 銜接節(jié)點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法, 初學者可偏平安選用前者.設計手冊2中通常有焊縫及螺栓銜接的表格等供設計者查用,比較便利. 也可以使用結構軟件的后處理部分來自動完成. 詳細設計主要包括以下內(nèi)容: 1.焊接: 對焊接焊縫的尺寸及形式等,規(guī)

11、范有強制規(guī)定,應嚴格遵守. 焊條的選用應和被銜接金屬材質(zhì)適應.E43對應Q235,E50對應Q345. Q235與Q345銜接時,應當抉擇低強度的E43,而不是E50. 焊接設計中不得隨意加大焊縫. 焊縫的重心應盡量與被銜接構件重心臨近.其他具體內(nèi)容可查規(guī)范關于焊縫構造方面的規(guī)定. 2.栓接: 鉚接形式,在建造工程中，現(xiàn)已很少采用. 平凡螺栓抗剪性能差, 可在次要結構部位使用. 高強螺栓,使用日益廣泛.常用8.8s和10.9s兩個強度等級.按照受力特點分承壓型和摩擦型.兩者計算方法不同. 高強螺栓最小規(guī)格M12. 常用M16M30. 超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定,應慎重使用。 自攻螺絲用于板材與薄

12、壁型鋼間的次要銜接. 在低層墻板式住所中也常用于主結構的銜接. 難以解決的是自攻過程中防腐層的破壞問題。 3.銜接板: 需驗算栓孔減弱處的凈截面抗剪等. 銜接板厚度可容易取為梁腹板厚度加4mm，則除短梁或有較大集中荷載的梁外，常不需驗算抗剪。 4.梁腹板: 應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪.承壓型高強螺栓銜接還需驗算孔壁局部承壓. 5.節(jié)點設計務必考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構件吊裝挨次等。構件運到現(xiàn)場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應盡可能使工人能便利的舉行現(xiàn)場定位與暫時固定。 6.節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平. 比如鋼管銜接節(jié)點的相貫線的切口可能需要數(shù)控機床等設備才干完成. (

13、八) 圖紙編制 鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖由設計單位供應，施工詳圖通常由鋼結構制造公司按照設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。因為近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的沖突，有設計能力的鋼結構公司參加設計圖編制的狀況也很普遍。 1.設計圖: 是供應制造廠編制施工詳圖的依據(jù). 深度及內(nèi)容應完整但不冗余. 在設計圖中,對于設計依據(jù)、荷載資料（包括地震作用）、技術數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設計要求（包括制造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗的等級、涂裝及運送等）、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節(jié)點構造等均應表示清晰，以利于施工詳圖的順當編制，并能正確體現(xiàn)設計的意圖。主要材料應列表表示。 2.施工詳圖:又稱