鋼結(jié)構(gòu)設計簡單步驟和設計思路

1、鋼結(jié)構(gòu)設計簡單步驟和設計思路該帖被瀏覽了397次 | 回復了0次鋼結(jié)構(gòu)設計簡單步驟和設計思路(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、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(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、住宅和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點相一致的。 (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)選型及布置應該在經(jīng)驗豐富的工程師指導下進行。 在鋼結(jié)構(gòu)設計的整個過程中都應該被強調(diào)的是概念設計,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關(guān)系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部措施。 運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構(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算。同時，它也是判斷計算機內(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)總體系和個分體系間的相互力學關(guān)系和簡化近似設計方法。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,或沒有簡單實用的設計方法，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。 結(jié)構(gòu)選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業(yè)廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，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，在框架中布置支撐會比簡單的節(jié)點剛接的框架有更好的經(jīng)濟性。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)設計中，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，不應單純?yōu)榱私?jīng)濟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.一般的說要剛度均勻.力學模型清晰.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(cè)支撐的分布應均勻.其形心要盡量靠近側(cè)向力(風震)的作用線. 否則應考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn). 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應有多道防線. 比如有支撐框架結(jié)構(gòu),柱子至少應能單獨承受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,頂層邊柱也有時會吃不消，

5、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. (三) 預估截面 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，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復雜計算，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)定預估。 柱截面按長細比預估. 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. 初學者需

6、注意，對應不同的結(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)工程師應該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟美觀的截面。 (四) 結(jié)構(gòu)分析 目前鋼結(jié)構(gòu)實際設計中,結(jié)構(gòu)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)通過手算進行分析. 復雜結(jié)構(gòu)才需要建模運行程序并做詳細的結(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,還是修正計算結(jié)果. 不同的軟件會有不同的適用條件.初學者應充分明了.此外,工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離, 為了獲得實用的設計方法,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(gòu)造的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全. 鋼結(jié)構(gòu)設計中,適用條件、概念及構(gòu)造是比定量計算更重要的內(nèi)容. 工程師們不應該過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件.美國一位學者曾警告說：“誤用計算機造成結(jié)構(gòu)破壞而引起災難只是一個時間的問題?！?注重概念設計和工程判定是

8、避免這種工程災難的方法. (六) 構(gòu)件設計 構(gòu)件的設計首先是材料的選擇. 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)濟考慮,也可以選擇不同強度鋼材的組合截面. 當強度起控制作用時,可選擇q345; 穩(wěn)定控制時,宜使用q235. 構(gòu)件設計中,現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面.這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配. 當前的結(jié)構(gòu)軟件,都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進步,一些軟件可以將驗算時不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級.并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一。它減少了結(jié)

9、構(gòu)師的很多工作量。 但是，初學鋼至少應注意兩點： 1.軟件在做構(gòu)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.目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以,尤其對于節(jié)點連接情況復雜或變截面的構(gòu)件,結(jié)構(gòu)師應該逐個檢查. 2.當上面第(三)條中預估的截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區(qū)別對待。 (1) 強度不滿足,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)分，實際上，常常并不合適。

10、(七) 節(jié)點設計 連接節(jié)點的設計是鋼結(jié)構(gòu)設計中重要的內(nèi)容之一.在結(jié)構(gòu)分析前,就應該對節(jié)點的形式有充分思考與確定.常常出現(xiàn)的一種情況是,最終設計的節(jié)點與結(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)點分剛接,鉸接和半剛接. 初學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)點做法及計算公式. 連接的不同對結(jié)構(gòu)影響甚大.比如,有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒有問題,但會產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動, 不符合結(jié)構(gòu)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(jié)果. 連接節(jié)點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法, 初學者可偏安全選用前者.設計手冊2中通常有焊縫及螺栓連接的表

11、格等供設計者查用,比較方便. 也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來自動完成. 具體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)范有強制規(guī)定,應嚴格遵守. 焊條的選用應和被連接金屬材質(zhì)適應.e43對應q235,e50對應q345. q235與q345連接時,應該選擇低強度的e43,而不是e50. 焊接設計中不得任意加大焊縫. 焊縫的重心應盡量與被連接構(gòu)件重心接近.其他詳細內(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. 高強螺栓,使用日益廣泛.常用8.8s和10.9s兩個強度等級.根據(jù)受力特點分

12、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,設計中應慎重使用。 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. 然后驗算凈截面抗剪等. 4.梁腹板: 應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪.承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓. 5.節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、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方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。 6.節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平. 比如鋼管連接節(jié)點

13、的相貫線的切口需要數(shù)控機床等設備才能完成. (八) 圖紙編制 鋼結(jié)構(gòu)設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖為設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結(jié)構(gòu)項目增多和設計院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾，有設計能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參與設計圖編制的情況也很普遍。 1.設計圖: 是提供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(shù)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)點構(gòu)造等均應表示清楚，以利于施工詳圖的

14、順利編制，并能正確體現(xiàn)設計的意圖。主要材料應列表表示。 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)件單元須單獨繪制表達，并應附有詳盡的材料表.有關(guān)振型的幾個概念振型參與系數(shù)：每個質(zhì)點質(zhì)量與其在某一振型中相應坐標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質(zhì)點相對位移(模態(tài)向量)的圖形示意.在形狀上如實反映實際結(jié)構(gòu)在該周期下的振動形態(tài).振型

15、零點是指在該振型下結(jié)構(gòu)的位移反應為0。 振型越高，周期越短，地震力越大，但由于我們地震反應是各振型的迭代，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)量為各個質(zhì)點質(zhì)量與該質(zhì)點在該一振型中相應方向?qū)鴺顺朔e之和的平方。一個振型有三個方向的有效質(zhì)量，而且所有振型平動方向的有效質(zhì)量之和等于各個質(zhì)點的的質(zhì)量之和，轉(zhuǎn)動方向的有效質(zhì)量之和等于各個質(zhì)點的轉(zhuǎn)動慣量之和。有效質(zhì)量系數(shù)：如果計算時只取了幾個振型，那么這幾個振型的有效質(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)只實用于剛性樓板假設，現(xiàn)在不少結(jié)構(gòu)因其復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，也應該能夠適用于彈性樓板。出于這個目的，我們從結(jié)構(gòu)變形能的角度對此問題進行了研究，提出了一個通用方法來計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）。這個概念不僅對糖葫蘆串模型有效。一個結(jié)構(gòu)所有振型的振型參與質(zhì)量之和等于各個質(zhì)點的質(zhì)量之和。如果計算時只取了幾個振型，那么這幾個振型的振型參與質(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，振型總個數(shù)等于獨立質(zhì)量的總個數(shù)?？梢酝ㄟ^判斷結(jié)構(gòu)的獨立質(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獨立質(zhì)量mx,my,jz； 每個彈性節(jié)點有兩個獨立質(zhì)量mx,my；根據(jù)這兩條，可以算出結(jié)構(gòu)的獨立質(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，選參與振型數(shù)大于n