鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)八大要點(diǎn)探析

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)八大要點(diǎn)探析 (一) 推斷結(jié)構(gòu)是否適宜用鋼結(jié)構(gòu) 鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起分量大、有較大振動、要求能活動或常常裝拆的結(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、住所、山地建造和暫時建造等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相全都的。 (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，因?yàn)槠渖婕皬V泛,應(yīng)當(dāng)在閱歷豐盛的工程師指導(dǎo)下舉行。此處僅容易推薦. 詳請參考相關(guān)專業(yè)書籍. 在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的囫圇過程中都應(yīng)當(dāng)被強(qiáng)調(diào)的是“概念設(shè)計(jì)”,它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要. 對一些難以作出準(zhǔn)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

2、力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和工程閱歷所獲得的設(shè)計(jì)思想，從全局的角度來決定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部構(gòu)造措施。 在早期快速、有效地舉行構(gòu)思、比較與抉擇，所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、力學(xué)行為清楚、定性正確，并可避開結(jié)構(gòu)分析階段不須要的繁瑣運(yùn)算。同時，它也是推斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)牢靠與否的主要依據(jù)。 林同炎教授在結(jié)構(gòu)概念和體系一書中推薦了用整體概念來計(jì)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互相力學(xué)關(guān)系和簡化近似設(shè)計(jì)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,或沒有容易有用的設(shè)計(jì)方法，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。 結(jié)構(gòu)選型時

3、，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)相像考慮。建造允許時，在框架中布置支撐會比容易的節(jié)點(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。而屋面掩蓋跨度較大的建造中，可抉擇構(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(jì)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)章的高層中，不應(yīng)單純?yōu)榱私?jīng)濟(jì)去抉擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜抉擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結(jié)構(gòu)體系。我國半數(shù)以上的

4、此類高層為前者，對抗震不利。 結(jié)構(gòu)的布置要按照體系特征,荷載分布狀況及性質(zhì)等綜合考慮.一般的說要剛度勻稱.力學(xué)模型清楚.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)勻稱.其形心要盡量逼近側(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. 框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置,有時可以調(diào)節(jié)其荷載傳遞方向以滿意不同的要求。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，削減了樓層凈高,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. (

5、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樣子與尺寸的假定。 鋼梁可抉擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。按照荷載與支座狀況，其截面高度通常在跨度的1/201/50之間抉擇。翼緣寬度按照梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值決定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算，這種方法很受歡迎。 決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(xì)比預(yù)估. 通常50150, 容易抉擇值在80附近。按照軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同,可抉擇鋼管或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

6、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)分。 除此之外，構(gòu)件截面形式的抉擇沒有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)按照構(gòu)件的受力狀況，合理的抉擇平安經(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(jì)中,結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析,條件允許時考慮P-,p-. 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.這為更準(zhǔn)確的分析結(jié)構(gòu)供應(yīng)了條件。并不是全部的結(jié)構(gòu)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. 容易結(jié)構(gòu)通過手算舉行分析. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行程序并做具體的結(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

7、周期、總剪力、變形特征等。按照“工程判定”抉擇修改模型重新分析,還是修正計(jì)算結(jié)果. 不同的軟件會有不同的適用條件.初學(xué)者應(yīng)充分明白.此外,工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算和準(zhǔn)確的力學(xué)計(jì)算本身常有一定距離, 為了獲得有用的設(shè)計(jì)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)的平安. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,“適用條件、概念及構(gòu)造”是比定量計(jì)算更重要的內(nèi)容. 工程師們過分相信與依靠結(jié)構(gòu)軟件有可能帶來結(jié)構(gòu)災(zāi)害，注重概念設(shè)計(jì)、工程判定和構(gòu)造措施有助于避開這種災(zāi)害. (六) 構(gòu)件設(shè)計(jì) 構(gòu)件設(shè)計(jì)首先是材料的抉擇. 比較常用的是Q235和Q345. 當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時,可抉擇Q345;

8、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,也可以抉擇不同強(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)宜抉擇Q235B或Q345B。 當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件,都供應(yīng)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，從給定的截面庫里抉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(jì)功能之一，它削減了許多工作量。 但是，我們至少應(yīng)留意兩點(diǎn)： 1.軟件在做構(gòu)件(主要是柱)的截面驗(yàn)算時,計(jì)算長度系數(shù)的取定有時會不符合規(guī)范的規(guī)定.目前全部的程序都不能徹低解決這個問題。所以,尤其對于節(jié)點(diǎn)銜接狀況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件,我們應(yīng)當(dāng)逐個

9、檢查. 2.當(dāng)上面第(三)條中預(yù)估的截面不滿意時，加大截面應(yīng)當(dāng)分兩種狀況區(qū)分對待。 (1) 強(qiáng)度不滿意,通常加大組成截面的板件厚度，其中,抗彎不滿意加大翼緣厚度，抗剪不滿意加大腹板厚度。 (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(jì)功能，很難考慮上述強(qiáng)度與剛度的區(qū)別，實(shí)際上，除常用于網(wǎng)架設(shè)計(jì)外，其他結(jié)構(gòu)形式經(jīng)常并不合適。 (七) 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 銜接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一.在結(jié)構(gòu)分析前,就應(yīng)當(dāng)對節(jié)點(diǎn)的形式有充分思索與決定.有時消失的一種狀況是,終于設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不徹低全都，倘若你不能確信這種

10、不全都帶來的偏差差在工程許可范圍內(nèi)（5%），就務(wù)必避開。 按傳力特性不同,節(jié)點(diǎn)分剛接,鉸接和半剛接. 初學(xué)者宜抉擇可以容易定量分析的前兩者.常用的參考書2有豐盛的介紹的節(jié)點(diǎn)做法及計(jì)算公式. 銜接的不同對結(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(jì)算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果. 銜接節(jié)點(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計(jì)和實(shí)際受力設(shè)計(jì)兩種常用的方法, 初學(xué)者可偏平安選用前者.設(shè)計(jì)手冊2中通常有焊縫及螺栓銜接的表格等供設(shè)計(jì)者查用,比較便利. 也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來自動完成. 詳細(xì)設(shè)計(jì)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)

11、范有強(qiáng)制規(guī)定,應(yīng)嚴(yán)格遵守. 焊條的選用應(yīng)和被銜接金屬材質(zhì)適應(yīng).E43對應(yīng)Q235,E50對應(yīng)Q345. Q235與Q345銜接時,應(yīng)當(dāng)抉擇低強(qiáng)度的E43,而不是E50. 焊接設(shè)計(jì)中不得隨意加大焊縫. 焊縫的重心應(yīng)盡量與被銜接構(gòu)件重心臨近.其他具體內(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,在建造工程中，現(xiàn)已很少采用. 平凡螺栓抗剪性能差, 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10.9s兩個強(qiáng)度等級.按照受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型.兩者計(jì)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

12、壁型鋼間的次要銜接. 在低層墻板式住所中也常用于主結(jié)構(gòu)的銜接. 難以解決的是自攻過程中防腐層的破壞問題。 3.銜接板: 需驗(yàn)算栓孔減弱處的凈截面抗剪等. 銜接板厚度可容易取為梁腹板厚度加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)螺栓銜接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓. 5.節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)務(wù)必考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝挨次等。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，還應(yīng)盡可能使工人能便利的舉行現(xiàn)場定位與暫時固定。 6.節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平. 比如鋼管銜接節(jié)點(diǎn)的相貫線的切口可能需要數(shù)控機(jī)床等設(shè)備才干完成. (

13、八) 圖紙編制 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出圖分設(shè)計(jì)圖和施工詳圖兩階段，設(shè)計(jì)圖由設(shè)計(jì)單位供應(yīng)，施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司按照設(shè)計(jì)圖編制，有時也會由設(shè)計(jì)單位代為編制。因?yàn)榻赇摻Y(jié)構(gòu)項(xiàng)目增多和設(shè)計(jì)院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的沖突，有設(shè)計(jì)能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參加設(shè)計(jì)圖編制的狀況也很普遍。 1.設(shè)計(jì)圖: 是供應(yīng)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(jì)圖中,對于設(shè)計(jì)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(jì)要求（包括制造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)的等級、涂裝及運(yùn)送等）、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)表示清晰，以利于施工詳圖的順當(dāng)編制，并能正確體現(xiàn)設(shè)計(jì)的意圖。主要材料應(yīng)列表表示。 2.施工詳圖:又稱