钢结构设计的简单步骤和设计思路

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摘 要：随着我国经济的高速发展,我国钢产量逐年递增,世界钢铁协会统计数据显示：中国大陆2012年粗钢产量7.16亿吨,占全球粗钢产量的46.3%.随之而来的是已成为城市建设主建筑群的钢结构建筑的大量采用,本文简单介绍一下钢结构设计的简单步骤和设计思路.

关 键 词：钢结构；结构设计；步骤

一、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、要求能活动或经常装拆的结构,这是和钢结构自身的特点相一致的.

二、结构选型与结构布置

结构选型及布置是对结构的定性,由于其涉及广泛,应该在经验丰富的工程师指导下进行.此处仅简单介绍,详情请参考相关专业书籍.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分析计算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构造措施.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、传力途径清晰,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.

结构选型时,应考虑不同结构形式的特点.在工业厂房中,当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载,就可考虑放弃门式刚架而采用网架.基本雪压大的地区,屋面曲线应有利于积雪滑落（切线50度外不需考虑雪载）.降雨量大的地区应做相似考虑.建筑允许时,在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性.而屋面跨度较大的建筑中,可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系.高层钢结构设计中,常采用钢-混凝土组合结构,在地震烈度高或很不规则的高层中,不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式.宜选择周边巨型SRC柱,核心为支撑框架的结构体系.

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.一般来说要刚度均匀；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、地震）的作用线,否则应考虑结构的扭转；结构的抗侧需有多道防线,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,减小了楼层净高,顶层边柱也有时会吃不消,此时把次梁支承在较短的主梁上,可以通过加大次梁截面而不增加主梁和柱子的截面.

三、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.

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80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.

四、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-效应.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,这为更精确地分析结构提供了条件.并不是所有的结构都需要使用软件,只有复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析.

五、工程判定

要正确使用结构软件,还应对其输出结果进行“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”选择是修改模型重新分析还是修正计算结果.

六、构件设计

构件设计首先是材料的选择.比较常用的钢材是Q235和Q345.当强度起控制作用时,可选择Q345；稳定控制时,宜使用Q235.通常主结构使用单一钢种以便于工程管理.出于经济考虑,也可以选择不同强度钢材的焊接组合截面（翼缘Q345,腹板Q235）.另外,焊接结构宜选择Q235B或Q345B.

当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能.部分软件可以将不通过计算的构件,从给定的截面库里选择加大一级的截面自动重新验算,直至通过,如SAP2000等.这是常说的截面优化设计功能之一,它减少了很多工作量.但至少应注意两点：

（l）软件在进行构件（主要是柱）的截面验算时,计算长度系数的取法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,应该逐个检查.

（2）当预估的截面不满足时,加大截面应该分两种情况区别对待：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；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.

七、节点设计

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考虑.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.

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.钢结构设计手册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.具体设计包括以下内容：

（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.（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.高强螺栓最小规格为M12,常用M16～M30.超大规格的螺栓性能不稳定,应慎重使用.自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接,在低层墙板式住宅中也常用于主结构的连接,难以解决的是自攻过程中防腐层的破坏问题.

（3）连接板：需验算栓孔削弱处的净截面抗剪等.连接板厚度可简单取为梁腹板厚度加4mm,则除短梁或有较大集中荷载的梁外,常不需验算抗剪.

（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）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常犯的错误.此外,还应尽可能使工人能方便地进行现场定位与临时固定.

（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可能需要数控机床等设备才能完成.

八、图纸编制

钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图由设计单位提供,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.

（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.

（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.不完全相同的零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,

据规范规定进行编制.