鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計專項技術(shù)分析

1、項技術(shù)報告報告名稱：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點評析姓 名：劉永平工作單位：安徽寶業(yè)住宅產(chǎn)業(yè)化有限公司（蓋章）日 期：2008年5月23日鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點評析一 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、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(yīng)該在經(jīng)驗豐富的工程師指導(dǎo)下進行。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該被強調(diào)的是 &qu

2、ot;概念設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計方法

3、。 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 , 或沒有簡單實用的設(shè)計方法， 比如網(wǎng)殼 的穩(wěn)定等。結(jié)構(gòu)選型時，應(yīng)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(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，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。

4、高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)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。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(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 獨承受 1/4 的總水平力 .框

5、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，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(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， 可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)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

6、度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估柱截面按長細比預(yù)估通常50入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)濟美觀的截面。四 結(jié)構(gòu)分析目前鋼結(jié)構(gòu)實際設(shè)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)

7、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(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運行 程序并做詳細的結(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 ,還是修正計算結(jié) 果.不同的軟件會有不同的適用條件 . 初學者應(yīng)充分明了 . 此外,工程設(shè)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(shè)計方法 , 有時會用誤差較大的假 定, 但對這種誤差 , 會通過

8、"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(yīng)該過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件 . 美國一位學者曾警告說： “誤用計算機造工程災(zāi)難的方法 .六 構(gòu)件設(shè)計構(gòu)件的設(shè)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(shè)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)

9、構(gòu)內(nèi)力計算的彈可以將驗算 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(shè)計功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。 但 是，初學鋼至少應(yīng)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(fù)雜或變截面的構(gòu)件 , 結(jié)構(gòu)師應(yīng)該逐個檢查 .2. 當上面第 ( 三) 條中預(yù)估的截面不滿足時， 加大截面應(yīng)該分兩

10、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(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。使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設(shè)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。七 節(jié)點設(shè)計連接節(jié)點的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的內(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

11、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(dǎo)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(shè)計和實際受力設(shè)計兩種常用的方法 , 初學者可偏安全選用前者 . 設(shè)計手冊2 中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)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(shè)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(yīng)嚴格遵守 . 焊條的選用 應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng).E43對應(yīng)Q235,E

12、50對應(yīng)Q345. Q235與Q345連接時,應(yīng)該選 擇低強度的E43,而不是E50.焊接設(shè)計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(shè)計中應(yīng)慎重使用。 自攻螺絲用于板材與薄壁型 鋼間的次要連

13、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(yīng)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(shè)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(yīng)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(shè)計還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平 . 比如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口需要 數(shù)控機床等設(shè)備才能完成 .八 圖紙編制 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計出圖分設(shè)計圖和施工詳圖兩階段，設(shè)計圖為設(shè)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(shè)計圖編制，有時也會由設(shè)計單位代為編制。由于近年鋼結(jié)構(gòu) 項目增多和設(shè)計院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾，有設(shè)計能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參與設(shè)計圖編制 的情況也很普遍。1. 設(shè)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(yīng)完整但不冗 余. 在設(shè)計圖中 , 對于設(shè)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(shè)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