鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟和設(shè)計思路

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單步驟和設(shè)計思路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單步驟和設(shè)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(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"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

2、 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(xué)關(guān)系和簡化近 似設(shè)計方法。 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

3、。 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(dāng)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。基本雪壓大 的地區(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，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(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

4、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 的說要剛度均勻 . 力學(xué)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(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

5、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15

6、0,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P- ,p - 8 .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)

7、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(xué)者應(yīng)充分明了 . 此外, 工程設(shè) 計中的計算和精確的力學(xué)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 "適用條件、概念及 構(gòu)造&

8、quot;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(xué)者曾警告說： “誤用計算機造成結(jié)構(gòu)破壞而引起災(zāi)難只是一個時間的問題。”注重概念設(shè)計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(dāng)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 ,

9、 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(dāng)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(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(xué)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(dāng)上面第

10、 （ 三） 條中預(yù)估的截面不滿足時， 加大截面應(yīng)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(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 .

11、按傳力特性 不同 , 節(jié)點分剛接 , 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(xué)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

12、 , 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,E50 對應(yīng) Q345. Q23 5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

13、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(xué)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