鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單步驟和設(shè)計思路

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單步驟和設(shè)計思路本人所學(xué)專業(yè)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但為了適應(yīng)市場需求，平時也做一些簡單的鋼結(jié)構(gòu)，萬事開頭難，記得剛開始做鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，經(jīng)常覺得無從下手，曾今看過一篇文章一一鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單步驟和設(shè)計思路，覺得受益匪淺，現(xiàn)發(fā)上來跟大家共享。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、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、雕塑、倉棚、工廠、住宅、山地建筑和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相一致的。（二）結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置結(jié)構(gòu)選型及布置是對結(jié)構(gòu)的定性，由于其涉及廣泛，應(yīng)該在

2、經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師指導(dǎo)下進(jìn)行。此處僅簡單介紹.詳請參考相關(guān)專業(yè)書籍.在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該被強(qiáng)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(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)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(xì)部構(gòu)造措施。在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、力學(xué)行為清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。同時，它也是判斷計算機(jī)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)

3、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。鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面桁架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)形式。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(shí)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)考慮不同結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)。在工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或大范圍移動荷載，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度外不需考慮雪載），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼，總雪載和坡屋面相比釋放近一半。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(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。而屋面覆蓋跨度較

4、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(jì)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(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(dú)承受1/4的總水平力.

5、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。

6、柱截面按長細(xì)比預(yù)估.通常50入150,簡單選擇值在80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.對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，規(guī)范對截面的構(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(jì)美觀的截面。（四）結(jié)構(gòu)分析目前鋼結(jié)構(gòu)實(shí)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-A,p-S.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)都需要使用軟件：典型結(jié)構(gòu)可查

7、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(jìn)行分析.復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行程序并做詳細(xì)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(shí)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”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"

8、是比定量計算更重要的內(nèi)容.工程師們過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件有可能帶來結(jié)構(gòu)災(zāi)難，注重概念設(shè)計、工程判定和構(gòu)造措施有助于避免這種災(zāi)難.（六）構(gòu)件設(shè)計構(gòu)件設(shè)計首先是材料的選擇.比較常用的是Q235和Q345.當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時，可選才iQ345;穩(wěn)定控制時，宜使用Q235.通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理.經(jīng)濟(jì)考慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的焊接組合截面（翼緣Q345,腹板Q235）.另外，焊接結(jié)構(gòu)宜選擇Q235B或Q345B。當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。部分軟件可以將不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級自動重新驗(yàn)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

9、，它減少了很多工作量。但是，我們至少應(yīng)注意兩點(diǎn)：1 .軟件在彳構(gòu)件（主要是柱）的截面驗(yàn)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(diǎn)連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件，我們應(yīng)該逐個檢查.2 .當(dāng)上面第（三）條中預(yù)估的截面不滿足時，加大截面應(yīng)該分兩種情況區(qū)別對待。（1）強(qiáng)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(jì)。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(qiáng)度與剛度的區(qū)分，實(shí)際上，除常用于網(wǎng)架設(shè)計外，其他結(jié)構(gòu)形式

10、常常并不合適。（七）節(jié)點(diǎn)設(shè)計連接節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的形式有充分思考與確定.有時出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，如果你不能確信這種不一致帶來的偏差差在工程許可范圍內(nèi)（5%）,就必須避免。按傳力特性不同，節(jié)點(diǎn)分剛接，較接和半剛接.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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計和實(shí)際受力設(shè)計兩種常用的方法，初學(xué)

11、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(qiáng)制規(guī)定，應(yīng)嚴(yán)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.Q235與Q345連接時，應(yīng)該選擇低強(qiáng)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(xì)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：挪接形式，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(qiáng)螺栓，使用日益廣泛.常用8.8s和10

12、.9s兩個強(qiáng)度等級.根據(jù)受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型.兩者計算方法不同.高強(qiáng)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，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.在低層墻板式住宅中也常用于主結(jié)構(gòu)的連接.難以解決的是自攻過程中防腐層的破壞問題。3 .連接板：需驗(yàn)算栓孔削弱處的凈截面抗剪等.連接板厚度可簡單取為梁腹板厚度加4mm,則除短梁或有較大集中荷載的梁外，常不需驗(yàn)算抗剪。4 .梁腹板：應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪.承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓.5 .節(jié)點(diǎn)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(yùn)到現(xiàn)場無法安裝是初學(xué)者長犯的錯誤。此外

13、，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場定位與臨時固定。6 .節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的相貫線的切口可能需要數(shù)控機(jī)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)計圖由設(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(xiàng)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(yàn)的

14、等級、涂裝及運(yùn)輸?shù)龋?、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面選用以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等均應(yīng)表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現(xiàn)設(shè)計的意圖。主要材料應(yīng)列表表示。2 .施工詳圖：又稱加工圖或放樣圖等.深度須能滿足車間直接制造加工.不完全相同的另構(gòu)件單元須單獨(dú)繪制表達(dá)，并應(yīng)附有詳盡的材料表設(shè)計圖及施工詳圖的內(nèi)容表達(dá)方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設(shè)計單位初學(xué)者可參考他人的優(yōu)秀設(shè)計并參考相關(guān)的工具書之間及其與鋼結(jié)構(gòu)公司之間不盡相同。3,并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。概念設(shè)計的一個方面：當(dāng)你在設(shè)計中，能夠把結(jié)構(gòu)看作構(gòu)件，把構(gòu)件看作結(jié)構(gòu)，你就已經(jīng)走近概念設(shè)計了。把結(jié)構(gòu)當(dāng)作構(gòu)件，比如，一棟大廈的結(jié)構(gòu)就是一根懸臂梁，

15、一座桁架大鐵橋就是一根連續(xù)梁。把構(gòu)件看作結(jié)構(gòu)，比如，一個H型鋼構(gòu)件是由3塊板組成的結(jié)構(gòu)，一個鋼管相貫的節(jié)點(diǎn)就是一一個空間結(jié)構(gòu)。對構(gòu)件特性的把握：比如，鋼管適合做二力(壓)桿，不適合做抗彎構(gòu)件。它做兩端錢接柱或支撐很出色，但是很少用作梁。當(dāng)一個受彎構(gòu)件被選成鋼管截面，且程序計算不通過時，你不應(yīng)通過加大截面來滿足，而是應(yīng)該改用有強(qiáng)弱軸的截面。如此等等，是基本的概念。概念設(shè)計能力，不單生成于豐富的經(jīng)歷與經(jīng)驗(yàn)，更是來源于對基本的力學(xué)、材料等概念掌握。同時要求結(jié)構(gòu)師有開闊的視野。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計常用規(guī)范(一)一般規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GBJ17-88)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范(GBJ18-87)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程(JGJ81-91)高強(qiáng)度螺栓設(shè)計、施工及驗(yàn)收規(guī)程鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范(CECS77:96)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(二)專門規(guī)范高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ99-98)高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GBJ135-90)門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(CECS102:9