鋼結構設計相關知識

1、鋼結構設計簡單步驟和設計思路（一）判斷結構是否適合用鋼結構鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、 有較大振動、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結構。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。這是和鋼結構自身的特點相一致的。（二）結構選型與結構布置結構選型及布置是對結構的定性，由于其涉及廣泛，應該在經(jīng)驗 豐富的工程師指導下進行。此處僅簡單介紹.詳請參考相關專業(yè)書籍.在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調(diào)的是概念設計”，它在 結構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)從整體結構體系與分體系之間的力

2、學關系、 破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想，從全局的 角度來確定控制結構的布置及細部構造措施。在早期迅速、有效地 進行構思、比較與選擇，所得結構方案往往易于手算、力學行為清晰、 定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是 判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。林同炎教授在結構概念和體系一書中介紹了用整體概念來規(guī) 劃結構方案的方法，以及結構總體系和個分體系間的相互力學關系和 簡化近似設計方法。鋼結構通常有框架、平面桁架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅 等結構形式。其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實 用的設計方法，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。結

3、構選型時，應考慮不同結構形式的特點。在工業(yè)廠房中，當有 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)點剛接的框架有更好的經(jīng)濟性。而屋 面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體 系。高層鋼結構設計中，常采用鋼混凝土組合結構，在地震烈度高或 很不規(guī)則的高層中，不應單純?yōu)榱私?jīng)濟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

4、結構體系。我 國半數(shù)以上的此類高層為前者，對抗震不利。結構的布置要根據(jù)體系特征，荷載分布情況及性質等綜合考慮.一 般的說要剛度均勻.力學模型清晰.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.柱間抗側支撐的分布應 均勻.其形心要盡量靠近側向力（風、震）的作用線.否則應考慮結構 的扭轉.結構的抗側應有多道防線.比如有支撐框架結構，柱子至少 應能單獨承受1/4的總水平力.框架結構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

5、以犧牲次梁保住主梁和柱子.（三）預估截面結構布置結束后，需對構件截面作初步估算。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)定的構造規(guī)定預估。柱截面按長細比預估.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.對應不同的結構，規(guī)范對截面的構造要求有很大的不同，如鋼結

6、構所特有的組成構件的板件的局部穩(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，構件截面形式的選擇沒有固定的要求，結構工程師應 該根據(jù)構件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟美觀的截面。（四）結構分析目前鋼結構實際設計中，結構分析通常為線彈性分析,條件允許 時考慮P-A,p-6.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構提供了條件。并不是所有的結構都需要 使用軟件：典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形.簡單結構通過手算進行分析.復雜結構才需要建模運行程序并做詳細的結構分析.（五）工程判定要正確使用結構軟件，還應對其輸出結果的做工程判

7、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,還是修正計算結果.不同的軟件會有不同的適用條件.初學者應充分明了 .此外，工程 設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離，為了獲得實用 的設計方法,有時會用誤差較大的假定，但對這種誤差，會通過”適 用條件、概念及構造的方式來保證結構的安全.鋼結構設計中，適 用條件、概念及構造”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構軟件有可能帶來結構災難，注重概 念設計、工程判定和構造措施有助于避免這種災難.（六）構件設計構件設計首先是材料的選擇.比較常用的是Q235和Q345.當強 度起控制作用時,可選擇Q34

8、5;穩(wěn)定控制時，宜使用Q235.通常主結 構使用單一鋼種以便于工程管理.經(jīng)濟考慮，也可以選擇不同強度鋼 材的焊接組合截面（翼緣Q345，腹板Q235）.另外，焊接結構宜選擇Q235B 或 Q345B。當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。部分軟件可以 將不通過的構件，從給定的截面庫里選擇加大一級自動重新驗算，直 至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一，它減少 了很多工作量。但是，我們至少應注意兩點：軟件在做構件（主要是柱）的截面驗算時，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)點連接情況復雜或變截面的構件,我們

9、應該逐個 檢查.當上面第（三）條中預估的截面不滿足時，加大截面應該分兩種 情況區(qū)別對待。（1）強度不滿足,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，通常不應加大板件厚度而應考慮加大截面的高 度，否則會很不經(jīng)濟。使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設計功能，很難考慮上述強 度與剛度的區(qū)分，實際上，除常用于網(wǎng)架設計外，其他結構形式常常 并不合適。（七）節(jié)點設計連接節(jié)點的設計是鋼結構設計中重要的內(nèi)容之一.在結構分析前, 就應該對節(jié)點的形式有充分思考與確定.有時出現(xiàn)的一種情況是，最 終設計的節(jié)點與結構分析模型中使用的形式不完全一致，如果你不能 確信

10、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)點分剛接，鉸接和半剛接.初學者宜選擇可以簡 單定量分析的前兩者.常用的參考書有豐富的推薦的節(jié)點做法及 計算公式.連接的不同對結構影響甚大.比如,有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩 沒有問題，但會產(chǎn)生較大轉動，不符合結構分析中的假定.會導致實 際工程變形大于計算數(shù)據(jù)等的不利結果.連接節(jié)點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法，初學者 可偏安全選用前者.設計手冊2中通常有焊縫及螺栓連接的表格等 供設計者查用，比較方便.也可以使用結構軟件的后處理部分來自動 完成.具體設計主要包括以下內(nèi)容：焊接：對焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)范有強

11、制規(guī)定，應嚴格遵 守.焊條的選用應和被連接金屬材質適應.E43對應Q235,E50對應Q 345. Q235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43,而不是E50.焊接設計中不得任意加大焊縫.焊縫的重心應盡量與被連接構 件重心接近.其他詳細內(nèi)容可查規(guī)范關于焊縫構造方面的規(guī)定.栓接：鉚接形式,在建筑工程中，現(xiàn)已很少采用.普通螺栓抗剪性能差，可在次要結構部位使用.高強螺栓,使用日益廣泛.常用8.8s和10.9s兩個強度等級.根據(jù) 受力特點分承壓型和摩擦型.兩者計算方法不同.高強螺栓最小規(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

12、墻板式住 宅中也常用于主結構的連接.難以解決的是自攻過程中防腐層的破 壞問題。連接板：需驗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 需驗算抗剪。梁腹板：應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪.承壓型高強螺栓連 接還需驗算孔壁局部承壓.節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構件吊 裝順序等。構件運到現(xiàn)場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應 盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平.比如鋼管連接節(jié)點的相 貫線的切口可能需要數(shù)控機床等設備才能完成.（八）圖紙編制鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階

13、段，設計圖由設計單位 提供，施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據(jù)設計圖編制，有時也會由 設計單位代為編制。由于近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師 缺乏的矛盾，有設計能力的鋼結構公司參與設計圖編制的情況也很普 遍。設計圖：是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù).深度及內(nèi)容應完整但不冗余.在設計圖中，對于設計依據(jù)、荷載資料（包括地震作 用)、技術數(shù)據(jù)、材料選用及材質要求、設計要求(包括制造和安裝、 焊縫質量檢驗的等級、涂裝及運輸?shù)?、結構布置、構件截面選用以 及結構的主要節(jié)點構造等均應表示清楚，以利于施工詳圖的順利編 制，并能正確體現(xiàn)設計的意圖。主要材料應列表表示。施工詳圖：又稱加工圖或放樣圖等.深度須能

14、滿足車間直接制 造加工.不完全相同的另構件單元須單獨繪制表達，并應附有詳盡的 材料表.設計圖及施工詳圖的內(nèi)容表達方法及出圖深度的控制，目前比較 混亂，各個設計單位之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。初學者 可參考他人的優(yōu)秀設計并參考相關的工具書，并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。1)鋼材力學指標：結構用鋼的力學指標包括屈服點、抗拉強度、延 伸率、低溫沖擊韌性。這些指標應符合鋼結構設計規(guī)范的要求， 但其中低溫沖擊韌性僅在結構可能處于低溫環(huán)境下工作時才要檢驗。 鋼材力學指標的測定須符合鋼材力學及工藝性能試驗取樣規(guī)定 (GB2975-82 )(2 )鋼材化學成分：與鋼材的可加工性、韌性、耐久性等有關。其 中主要是碳

15、的含量，合金元素的含量及硫、磷等雜質元素的限制含量應符合規(guī)范（GB222-84 ）要求。（3）工藝性能：工藝性能主要包括可焊性和加工性能?？珊感耘c含 碳量或碳當量（低合金鋼）有關，可用可焊性試驗鑒定。加工性能則 通過冷彎試驗來確定。按（GB232-88）為標準。（4）幾何尺寸偏差：鋼材（鋼板、型鋼、圓鋼、鋼管）的外形尺寸 與理論尺寸的偏差必須在允許范圍內(nèi)。允許偏差值可參考國家標準 GB709-88、 GB706-88、 GB787-88、 GB978-88， GB707-88、 GB816-87 等。（5）鋼材外形缺陷：鋼材表面不得有氣泡、結疤、拉裂、裂紋、褶 皺、夾雜和壓入的氧化鐵皮。這些缺

16、陷必須清除，清除后該處的凹陷 深度不得大于鋼材厚度負偏差值。另外，當鋼材表面有銹蝕、麻點或 劃痕等缺陷時，其深度不得大于該鋼材厚度負偏差值的1/2。（6）機械切割：使用機械力（剪切、鋸割、磨削）切割，相應的機 械有剪板機、鋸床、砂輪機等，較適合于厚度在12 16mm以下鋼板 或型材的直線性切割。（7）氣割：使用氧-乙炔、丙烷、液化石油氣等火焰加熱融化金屬， 并用壓縮空氣吹去融蝕的金屬液，從而使金屬割離，適合于曲線切割和多頭切割。)等離子切割：利用等離子弧線流實現(xiàn)切割，適用于不銹鋼等高 熔點材料的切割。熱成形加工：是指將鋼材加熱到一定溫度后再進行加工。這種 方法適于成形、彎曲和矯正在常溫下不能做

17、的工件。熱加工終止溫度 不得低于700C。加熱溫度在200300C時鋼材產(chǎn)生藍脆，嚴禁錘打 和彎曲。含碳量超出低碳鋼范圍的鋼材一般不能進行熱加工。(10 )冷成形加工：是在常溫下進行的。由于外力超出材料的屈服強 度而使材料產(chǎn)生要求的永久變形，或由于外力超出了材料的極限強度 而使材料的某些部分按要求與材料脫離。冷加工都有使材料變硬變脆 的趨勢，因而可通過熱處理使鋼材恢復正常狀態(tài)或刨削掉硬化較嚴重 的邊緣部分。環(huán)境溫度低于-16 C時不得冷加工碳素鋼。低于-12 C時， 不得加工低合金鋼。(11 )彎曲加工：根據(jù)設計要求，利用加工設備和一定的工裝模具把 板材或型鋼彎制成一定形狀的工藝方法。冷彎適合

18、于薄板、小型鋼； 熱彎適合于較厚的板及較復雜的構件、型鋼，熱彎溫度在9501100C。（12 ）卷板加工：在外力作用下使平鋼板的外層纖維伸長，內(nèi)層纖維 縮短而產(chǎn)生彎曲變形的方法。卷板由卷板機完成。根據(jù)材料溫度的不 同，又分為冷卷和熱卷。卷板主要用于焊接圓管柱、管道、氣包等。（13）折邊：把鋼結構構件的邊緣壓彎成一定角度或一定形狀的工藝 過程稱為折邊。折邊一般用于薄板構件。折邊常用折邊機，配合適當 的模具進行。（14）模壓：模壓是在壓力設備上利用模具使鋼材成型的一種方法。 具體作法有落料成形、沖切成形、壓彎、卷圓、拉伸、壓延等。（15）鏟邊：鏟邊是通過對鏟頭的錘擊作用而鏟除金屬的邊緣多余 部分而

19、形成坡口。鏟邊有手工和風動之分，風動用風鏟。鏟邊的精度 較低，一般用于要求不高、少量坡口的加工。（16）刨邊：刨邊時工件被壓緊，刨刀沿所加工邊緣作往復運動， 刨出坡口。刨邊可刨直邊或斜邊。（17）銑邊：銑邊與刨邊類似，只是刨邊機走刀箱的刀架和刨刀用 盤形銑刀代替，即銑刀在沿邊緣作直線運動的同時還作旋轉運動，加 工工效較高。碳弧氣刨：將碳棒作電極，與被刨削的金屬間產(chǎn)生電弧將金 屬加熱到融化狀態(tài)，然后用壓縮空氣把融化的金屬吹掉。工效較高。地樣法：在裝配平臺上按1： 1放構件實樣，然后根據(jù)零件在 實樣上的位置，分別組裝起來成為構件。仿型復制法：先用地樣法組裝成單面結構，并加定位焊，然 后翻身作為復制胎