建筑钢结构设计技术

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【摘 要】钢结构设计简单步骤和设计思路

【关 键 词】钢结构；设计；步骤

钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构.

1结构选型与结构布置

在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是\"概念设计\",它在结构选型与布置阶段尤其重要.对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题,可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想,从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施.运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择.所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确,并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算.同时,它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据.

2预估截面

结构布置结束后,需对构件截面作初步估算.主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定.

钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等.根据荷载与支座情况,其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择.翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时,可回避钢梁的整体稳定的复杂计算,这种方法很受欢迎.确定了截面高度和翼缘宽度后,其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估.

柱截面按长细比预估.通常50<λ<150,简单选择值在100附近.根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等.

初学者需注意,对应不同的结构,规范中对截面的构造要求有很大的不同.如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题.在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别.

除此之外,构件截面形式的选择没有固定的要求,结构工程师应该根据构件的受力情况,合理的选择安全经济美观的截面.

3钢结构分析

目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-Δ,p-δ.

新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构提供了条件.并不是所有的结构都需要使用软件:

典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形.

简单结构通过手算进行分析.

复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析.

4构件设计

构件的设计首先是材料的选择.比较常用的是Q235(类似A3)和Q345(类似16Mn).通常主结构使用单一钢种以便于工程管理.经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面.当强度起控制作用时,可选择Q345,稳定控制时,宜使用Q235.

构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面.这和结构内力计算的弹性方法并不匹配.

当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能.由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件,从给定的截面库里选择加大一级.并自动重新分析验算,直至通过,如sap2000等.这是常说的截面优化设计功能之一.它减少了结构师的很多工作量.但是,初学钢至少应注意两点：

4.1软件在做构件(主要是柱)的截面验算时,计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定.目前所有的程序都不能完全解决这个问题.所以,尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件,结构师应该逐个检查.

4.2当上面第(三)条中预估的截面不满足时,加大截面应该分两种情况区别对待.

4.2.1强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度,其中,抗弯不满足加大翼缘厚度,抗剪不满足加大腹板厚度.

4.2.2变形超限,通常不应加大板件厚度,而应考虑加大截面的高度,否则,会很不经济.

使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能,很难考虑上述强度与刚度的区分,实际上,常常并不合适.

5节点设计

连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一.在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定.常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免.按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接.初学者宜选择可以简单定量分析的前两者.常用的参考书[2]有丰富的推荐的节点做法及计算公式.

连接的不同对结构影响甚大.比如,有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题,但会产生较大转动,不符合结构分析中的假定.会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果.

连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法,初学者可偏安全选用前者.设计手册[2}中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用,比较方便.也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成.

具体设计主要包括以下内容:

5.1焊接:对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守.焊条的选用应和被连接金属材质适应.E43对应Q235,E50对应Q345.Q235与Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50.

焊接设计中不得任意加大焊缝.焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近.其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定.

5.2栓接:

铆接形式,在建筑工程中,现已很少采用.

普通螺栓抗剪性能差,可在次要结构部位使用.

高强螺栓,使用日益广泛.常用8.8s和10.9s两个强度等级.根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同.高强螺栓最小规格M12.常用M16~M30.超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用.

自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接.国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接.

5.3连接板:可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm.然后验算净截面抗剪等.

5.4梁腹板:应验算栓孔处腹板的净截面抗剪.承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压.

5.5节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等.构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误.此外,还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定.

5.6节点设计还应考虑制造厂的工艺水平.比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成.

6图纸编制

钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图为设计单位提供,施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制,有时也会由设计单位代为编制.由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾,有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍.

6.1设计图:是提供制造厂编制施工详图的依据.深度及内容应完整但不冗余.在设计图中,对于设计依据、荷载资料（包括地震作用）、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求（包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等）、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚,以利于施工详图的顺利编制,并能正确体现设计的意图.主要材料应列表表示.

6.2施工详图:又称加工图或放样图等.深度须能满足车间直接制造加工.不完全相同的另构件单元须单独绘制表达,并应附有详尽的材料表.

设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制,目前比较混乱,各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同.初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书[3],并依据规范规定编制.