鋼結(jié)構(gòu)入門知識及實(shí)用技巧

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)用技巧門式鋼架一般多采用變截面構(gòu)件，當(dāng)有吊車時(shí)，柱子多釆用等截面構(gòu)件。常用的柱子截面高度一般為300-700mm.截面定義考慮的原則：1翼緣必須滿足寬厚比要求，腹板必須滿足高厚比要求。對于腹板當(dāng)不滿足要求時(shí)，程序會考慮屈曲強(qiáng)度計(jì)算。所以說，截面翼緣滿足寬厚比，顯得很重要。2選擇截面還要考慮節(jié)點(diǎn)螺栓的布置的實(shí)際情況，滿足規(guī)范對于螺栓換的容許距3對于腹板截面的考慮往往是制作問題，以及和翼緣截面厚度的協(xié)調(diào)問題。腹板的厚度一般比翼緣板的消協(xié)為宜，其高厚比用到150左右比較合適，這樣，制作中的變化也比較小，構(gòu)件厚度不宜低于6mm厚，否則易焊穿。4常用的門市剛接翼緣板截面一般為180*8,180*10,200*8,200*10,220*10,220*12,240*10,240*12,250*10,250*12,260*12,260*14,270*12,280*12,300*12,320*12等。5常用到的腹板截面一般為6mm和8mm厚。對于6mm的其高度范圍一般為300-750mm,最大可到900;對于8mm片的腹板i島度范用一般為300-900mm,最大可到1200mmo梁柱尺寸與跨度有關(guān)，主梁H=1/12?1/16跨度 ,B=l/2?1/3H;次梁H=1/12跨度，B=l/2?1/3H;柱B=l/15跨度，H=1?1.5B;柱按照受圧計(jì)算。梁受彎構(gòu)件計(jì)算。標(biāo)條按照簡支梁驗(yàn)算。系桿受長細(xì)比控制。鋼結(jié)構(gòu)主要可以從門式鋼架學(xué)起。比較典型也容易懂。鋼結(jié)構(gòu)入門：鋼結(jié)構(gòu)入門教程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單步驟和設(shè)計(jì)思路(-)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。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?山于結(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)蔦它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要.對一些難以作岀精確理性分析或規(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)。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。[20]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。結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)考慮它們不同的特點(diǎn)。在輕鋼丄業(yè)廠房中，半有較大懸掛荷載或移動(dòng)荷載，就可考慮放棄門式剛架而釆用網(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。[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?其形心要盡量幕近側(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，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也有時(shí)會吃不消，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。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)雜訃算，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<A<150,簡單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受丿「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)分析口前鋼結(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-A,p-6.新近的一些有限元軟件可以部分考慮兒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，評佔(zhàn)各向周期、總剪力、變形特征等。根據(jù)“匸程判定“選擇修改模型重新分析胚是修正計(jì)算結(jié)果.不同的軟件會有不同的適用條件?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)訃方法，有時(shí)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(gòu)造”的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)讓中「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0345（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?半強(qiáng)度起控制作用時(shí),可選擇0345;穩(wěn)定控制時(shí)，宜使用Q235.構(gòu)件設(shè)汁中，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?申前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。山于程序技術(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)鋼至少應(yīng)注意兩點(diǎn)：?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)會不符合規(guī)范的規(guī)定?LI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為上面第（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，較接和半剛接?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)影響棋大?比如，有的剛接節(jié)點(diǎn)雖然承受彎矩沒有問題，但會產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)，不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定.會導(dǎo)致實(shí)際工程變形大于訃算數(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：?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)0235,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.?栓接：釧接形式，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)分承汗型和摩擦型?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.4?梁腹板：應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪?承爪型高強(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)場焊接等的施匚空間及構(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)盡可能使丄人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場定位與臨時(shí)固定。?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)岀圖分設(shè)計(jì)圖和施匸詳圖兩階段，設(shè)計(jì)圖為設(shè)計(jì)單位提供，施Li詳圖通常山鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)設(shè)計(jì)圖編制，有時(shí)也會山設(shè)計(jì)單位代為編制。山于近年鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)U增多和設(shè)計(jì)院鋼結(jié)構(gòu)丄程師缺乏的矛盾，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)?、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:乂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)圖及施丄詳圖的內(nèi)容表達(dá)方法及出圖深度的控制，U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[3],并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用規(guī)范(-)一般規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ17-88)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GBJ18-87)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》(JGJ81-91)《高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì).施工及驗(yàn)收規(guī)程》《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》(CECS77：96)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會專門規(guī)范《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99-98)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ135-90)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:98)《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)定》(JGJ7-91)《壓型鋼板拱殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》組合結(jié)構(gòu)規(guī)范《鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL/T5085」999)國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(YB9082-97)冶金工業(yè)部《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(CECS28：90)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會其他規(guī)范《上海地方標(biāo)準(zhǔn)輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(DBJ08-68-97)《上海地方標(biāo)準(zhǔn)高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(DBJ08-3Z92)《上海地方標(biāo)準(zhǔn)建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-008-2000)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用專業(yè)圖集、書籍及雜志圖集輕型扁結(jié)構(gòu)廠房門式剛架(2000浙G26)已獲批準(zhǔn)使用。主編單位:機(jī)械工業(yè)部笫二設(shè)計(jì)研究院協(xié)編單位:杭州大地網(wǎng)架制造有限公新型屋面梯形鋼屋架(01SG515)試用圖北京交通大學(xué)勘察設(shè)計(jì)研究院已獲批準(zhǔn)使用。3?門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系(一)[01SG518(-)]該圖集為門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系的第一分冊…單跨無吊車門式剛架，適用于單層廠房、展覽廳、倉庫、體育建筑等。其包括的門式剛架的跨度為：12m.15m、18m.21m、24m、27m、30m、33m、33m.36m,共十種；根據(jù)不同的跨度選用了不同的柱距、肩高和坡度，其中柱距為：6m、7.5m編制單位:中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)訃研究所編制日期：2000(編制中)4.高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系(01SG519)編制單位:中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所編制日期:2000(編制中)工具書1?羅邦富，魏明鐘,沈祖炎，陳明輝?鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊（第二版）沖國建筑工業(yè)出版社,1989有傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)方面的豐富資料.另有同名上下冊較新版本.李和華?鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊?中國建筑工業(yè)出版社,1992有平面屋蓋、網(wǎng)架和多高層等的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)設(shè)訃內(nèi)容。非常實(shí)用的一本工具書.?喻立安，陶龍孫等?建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工圖集…鋼結(jié)構(gòu)?中國建筑工業(yè)岀版社,1995該書主要面向初學(xué)者，包含多個(gè)實(shí)例圖.有建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和施工詳圖編制方法。是對國家制圖規(guī)范的補(bǔ)充。?建筑構(gòu)造資料集（下冊）?中國建筑工業(yè)岀版社,1990雖然是一本出版比較早的書，但其中的很多資料仍很寶貴。5?汪一駿?輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南（實(shí)例與圖集）?中國建筑