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【摘 要】目前钢结构已是发达国家的主导建筑结构,钢结构广泛应用于高层、超高层建筑,大跨度和大空间建筑,中小型工业、商业、社区、文教卫生、高层超高层的民用住宅.钢结构住宅以其巨大的优势引起了广泛的关注.但是,对于刚刚从事建筑设计的年轻工程师们来说,钢结构设计是一个比较头疼的项目,现将一些工作中钢结构设计的一些经验总结一下,给大家提供一下设计步骤和设计思路.
【关键字】钢结构；设计；步骤；思路
改革开放以来,我国钢结构建筑发展很快.传统的以砖混、钢筋混凝土结构为主的结构体系,结构自重大,进深和开间相对较小,梁、柱粗大,空间利用率较低.而钢结构体系具有自重轻、材料强度高、抗震性能好、安装容易、施工周期短等综合优势.
1判断结构是否适合用钢结构
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.直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等.这是和钢结构自身的特点相一致的.
2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.
结构的布置要根据体系特征,荷载分布情况及性质等综合考虑.一般的说要刚度均匀.力学模型清晰.尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围,使其以最直接的线路传递到基础.柱间抗侧支撑的分布应均匀.其形心要尽量靠近侧向力（风震）的作用线.否则应考虑结构的扭转.结构的抗侧应有多道防线.比如有支撑框架结构,柱子至少应能单独承受1/4的总水平力.
框架结构的楼层平面次梁的布置,有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求.通常为了减小截面沿短向布置次梁,但是这会使主梁截面加大,减少了楼层净高,顶层边柱也有时会吃不消,此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子.
3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.
4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.
5工程判定
要正确使用结构软件,还应对其输出结果的做"工程判定".比如,评估各向周期、总剪力、变形特征等.根据"工程判定"选择修改模型重新分析,还是修正计算结果.
不同的软件会有不同的适用条件.初学者应充分明了.此外,工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离,为了获得实用的设计方法,有时会用误差较大的假定,但对这种误差,会通过"适用条件、概念及构造"的方式来保证结构的安全.钢结构设计中,"适用条件、概念及构造"是比定量计算更重要的内容.
工程师们不应该过分信任与依赖结构软件.美国一位学者曾警告说：“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题.”注重概念设计和工程判定是避免这种工程灾难的方法.
6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.
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：
6.1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.
6.2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.
6.2.1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.
6.2.2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.
7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.
8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.
8.1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.
8.2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,并依据规范规定编制.
9结束语
钢结构设计是有规律可循的,只要大家注意总结规律,积累经验,学习借鉴他山之石,就一定能做出完美的钢结构设计,使它成为一件完美的艺术品.