2023年鋼結構 設計 自學優(yōu)質

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鋼結構設計自學篇一

鋼結構尋常用于高層、大跨度、體型繁雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、要求能活動或經常裝拆的結構。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,應當在經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當被強調的是"概念設計",它在結構選型與布置階段特別重要.對一些難以作出確切理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經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、力學行為明了、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力分析輸出數據可靠與否的主要依據。

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。

鋼結構尋常有框架、平面桁架、網架(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，譬如網殼的穩(wěn)定等。

結構選型時，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架?；狙捍蟮牡貐^(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)榱私洕ミx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構體系。我國半數以上的此類高層為前者，對抗震不利。結構的布置要根據體系特征,荷載分布狀況及性質等綜合考慮.一般的說要剛度均勻.力學模型明了.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.譬如有支撐框架結構,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,有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。尋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)預估截面

結構布置終止后，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。根據荷載與支座狀況，其截面高度尋常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據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)定的繁雜計算，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.尋常50λ150,簡單項選擇擇值在80附近。根據軸心受壓、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，結構工程師應當根據構件的受力狀況，合理的選擇安全經濟美觀的截面。

(四)結構分析

目前鋼結構實際設計中,結構分析尋常為線彈性分析,條件允許時考慮p-δ,p-δ.

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.這為更確切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力和變形.

簡單結構通過手算進行分析.

繁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"工程判定"。譬如，評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據"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.初學者應充明顯了.此外,工程設計中的計算和確切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容.

工程師們過分信任與依靠結構軟件有可能帶來結構災難，重視概念設計、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q345;穩(wěn)定控制時,宜使用q235.尋常主結構使用單一鋼種以便于工程管理.經濟考慮,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sap20xx等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一，它減少了好多工作量。但是，我們至少應注意兩點：

1.軟件在做構件(主要是柱)的截面驗算時,計算長度系數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,特別對于節(jié)點連接狀況繁雜或變截面的構件,我們應當逐個檢查.

2.當上面第(三)條中預估的截面不滿足時，加大截面應當分兩種狀況區(qū)別對待。

(1)強度不滿足,尋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，尋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，除常用于網架設計外，其他結構形式往往并不適合。

(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容之一.在結構分析前,就應當對節(jié)點的形式有充分思考與確定.有時出現的一種狀況是,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，假使你不能確信這種不一致帶來的偏差差在工程許可范圍內(5%)，就必需避免。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.譬如,有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒有問題,但會產生較大轉動,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據等的不利結果.

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]中尋常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者查用,比較便利.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容:

1.焊接:對焊接焊縫的尺寸及形式等,規(guī)范有強制規(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q345.q235與q345連接時,應選中擇低強度的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.其他詳細內容可查規(guī)范關于焊縫構造方面的規(guī)定.

2.栓接:

鉚接形式,在建筑工程中，現已很少采用.

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m16~m30.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。

3.連接板:需驗算栓孔減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。

4.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.

5.節(jié)點設計必需考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現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便利的進行現場定位與臨時固定。

6.節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平.譬如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口可能需要數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段，設計圖由設計單位提供，施工詳圖尋常由鋼結構制造公司根據設計圖編制，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狀況也很普遍。

1.設計圖:是提供制造廠編制施工詳圖的依據.深度及內容應完整但不冗余.在設計圖中,對于設計依據、荷載資料(包括地震作用)、技術數據、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、涂裝及運輸等)、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節(jié)點構造等均應表示明白，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確表達設計的意圖。主要材料應列表表示。

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.不完全一致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一致。初學者可參考他人的優(yōu)秀設計并參考相關的工具書，并依據規(guī)范規(guī)定編制。

概念設計的一個方面：

當你在設計中，能夠把結構看作構件，把構件看作結構，你就已經走近概念設計了。

把結構當作構件，譬如，一棟大廈的結構就是一根懸臂梁，一座桁架大鐵橋就是一根連續(xù)梁。

把構件看作結構，譬如，一個h型鋼構件是由3塊板組成的結構，一個鋼管相貫的節(jié)點就是一個空間結構。

對構件特性的把握：

譬如，鋼管適合做二力(壓)桿，不適合做抗彎構件。它做兩端鉸接柱或支撐很卓越，但是很少用作梁。當一個受彎構件被選成鋼管截面，且程序計算不通過時，你不應通過加大截面來滿足，而是應當改用有強弱軸的截面。

如此等等，是基本的概念。

概念設計能力，不單生成于豐富的經歷與經驗，更是來源于對基本的力學、材料等概念把握。同時要求結構師有開闊的視野。

鋼結構設計自學篇二

1.設計時鋼材、焊縫質量等級的正確選用

在鋼結構設計文件中，應當注明所用鋼材的質量等級(包括相適應的焊接材料型號)，并對焊縫質量提出質量等級要求。鋼結構房屋所使用的鋼材應當具有抗拉強度、屈服強度、伸長率、冷彎試驗和硫、磷含量的合格保證;對于焊接鋼結構，尚應具有含碳量的合格保證。在地震區(qū)，鋼結構所使用的鋼材，除了具有上述合格保證外，《建筑抗震設計規(guī)范》(gb5001l-20xx)還要求它們具有沖擊韌性的合格保證。為保證結構有必要的安全儲存和足夠的塑性變形能力，《建筑抗震設計規(guī)范》(gb5001l-20xx)還對鋼材的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值、伸長率的限值和良好的可焊性等物理力學指標做出了明確的規(guī)定，并要求寫入設計文件中。尋常，鋼結構的主要受力構件宜采用q235b及以上等級的碳素結構鋼和q345b及以上等級的低合金高強度結構鋼。不建議使用質量等級為a級的鋼材，原因是這種類型的鋼材不保證沖擊韌性和延性性能，q235a級鋼材還不保證焊接要求的含碳量限值。在鋼結構中，焊接連接已成為鋼結構連接的最基本方法，焊縫質量的好壞直接影響到結構安全，所以應當根據結構或構件的重要性和受力性能及焊縫的受力狀況，確定焊縫的質量等級。一般來說，板材的對接焊縫，承受動力荷載構件(如吊車梁)的較重要的焊縫，需作疲乏驗算的焊縫，以及須與鋼材等強的受拉、受彎對接焊縫(如框架梁、柱及其連接節(jié)點的對接焊縫，工字形截面與其端板的對接焊縫)，其焊縫應采用坡口全熔透對接焊縫，其焊縫質量等級不得低于二級。其他部位的焊縫，一般均可采用角焊縫。角焊縫由于應力集中現象嚴重，內部探傷亦很困難.其焊縫質量等級一般只能是三級，其中某些重要角焊縫可允許要求其外觀缺陷符合二級的要求。

2.門式鋼架房屋的溫度區(qū)段內應按規(guī)范設置獨立的空間穩(wěn)定支撐體系

(1)應將屋面橫向水平支撐和柱間支撐布置在同一跨間內，形成獨立的空間支撐體系，既利于抗震，又給施工安裝帶來便利。

(2)將屋面橫向水平支撐設在端部其次個開間的同時，應在端跨相應位置設置剛性縱向系桿，使山墻的風荷載等水平力能可靠傳遞。

(3)屋面支撐的布置應與山墻抗風柱的位置相協(xié)調，使抗風柱的柱頂反力能直接傳到屋面橫向支撐的節(jié)點上，使山墻處屋面系統(tǒng)受力簡單化，從而保證結構的安全。

(4)屋面橫向水平支撐的直腹桿(包括屋脊處和柱頂處)應按剛性系桿考慮。采用檁條兼做時，應對檁條的剛度和承載力進行驗算。否則，檁條很難起到剛性系桿作用，由于常用的z形或c形冷彎薄擘型鋼檁條側向剛度很差，直接影響到房屋的縱向受力和傳力性能。當檁條無法起到剛性直腹桿的作用時，尋常應在屋脊處、柱頂處以及屋面設置橫向水平支撐直腹桿，在剛架斜梁間設置鋼管、h型鋼或其它截面形式的剛性桿件，以保證房屋縱向結構安全可靠地工作。在剛架轉角處(邊柱柱頂和屋脊，以及多跨房屋相應位置的中間柱柱頂)的剛性系桿應沿房屋全長設置。

(5)屋面支撐和柱間支撐當采用柔性圓鋼拉條時，宜設張緊裝置(如花蘭螺栓)，當荷載較大時，柔性圓鋼拉條宜改為型鋼。

3.實腹式門式剛架應按規(guī)范設置隅撐

在檁條或墻梁與剛架的連接處，在斜梁下翼緣的受壓區(qū)或剛架柱內側翼緣的受壓區(qū)，至少每隔一根檁條或墻梁應設置按受壓構件設計的隅撐，將檁條或墻梁與翼緣受壓區(qū)直接連接起來。采用雙層屋面板時亦應設置隅撐。值得設計人員注意的是，隅撐雖小，但作用很大，它是用來保證斜梁下翼緣或剛架柱內側翼緣受壓