鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程及步驟探討

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程及步驟探討【摘要】鋼結(jié)構(gòu)是由鋼板、熱軋型鋼和冷加工的薄壁型鋼制造而成，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、韌性和塑性好、材質(zhì)均勻、密封性好等特點(diǎn)，近年來(lái)在我國(guó)建筑行業(yè)中得到了廣泛使用。在鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用的今天，熟練掌握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程及步驟的相關(guān)知識(shí)，對(duì)整個(gè)建筑行業(yè)的發(fā)展和壯大都將起到重要的推動(dòng)作用。【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)流程；步驟；探討鋼結(jié)構(gòu)在受力形式上突破了傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)造型單一、自重大和跨度小等方面缺點(diǎn)，正逐漸取代了傳統(tǒng)的混凝土框架結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)建筑，被稱(chēng)為建筑行業(yè)中的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中，為保證優(yōu)秀高效的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)理清設(shè)計(jì)工作的流程思路，把握住設(shè)計(jì)步驟中的重難點(diǎn)。本文結(jié)合工作實(shí)際，介紹了鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和方法，并著重就設(shè)計(jì)流程及步驟進(jìn)行了探討和研究。一、鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和方法在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的一般性原則為“技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量”。其中，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法則主要可分為容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法這兩種。1、容許應(yīng)力法容許應(yīng)力法(allowablestressmethod)也被稱(chēng)為安全系數(shù)法或定值法。即采用影響鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各種因素作為定值，然后采用一個(gè)憑經(jīng)驗(yàn)選定的安全系數(shù)來(lái)考慮設(shè)計(jì)的各種因素變異的影響，以此對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全度進(jìn)行衡量。其表達(dá)方程式為：其中，為標(biāo)準(zhǔn)荷載與構(gòu)件截面尺寸所計(jì)算的應(yīng)力，則是容許應(yīng)力。容許應(yīng)力法作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一種傳統(tǒng)方法，具有計(jì)算簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，目前在許多國(guó)家的不同的規(guī)范中仍在采用。但該設(shè)計(jì)方法不能定量度量鋼結(jié)構(gòu)的可靠度，目前在我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)中，只有結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接的疲勞強(qiáng)度計(jì)算米用此方法。2、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(limit-statedesignmethod)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代。該方法將變異性的設(shè)計(jì)參數(shù)采用概率分析引入了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并根據(jù)應(yīng)用概率分析的程度分為三種水準(zhǔn)。即半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和全概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。目前，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要采用的是近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，也被稱(chēng)為概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。二、鋼結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)流程及步驟結(jié)構(gòu)的選型和結(jié)構(gòu)布置是設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程中的重要步驟環(huán)節(jié)。鋼結(jié)構(gòu)形式的選擇應(yīng)充分考慮生產(chǎn)工藝、吊車(chē)噸位、建筑尺寸以及結(jié)構(gòu)受力情況等各個(gè)方面選擇最有效率、最符合制造水平、安全性好和造價(jià)低的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)布置則主要可分為平面布置、豎向布置、支撐布置和維護(hù)結(jié)構(gòu)布置等等。（1）結(jié)構(gòu)選型鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式主要有輕鋼、框架、網(wǎng)架（殼）、平面桁架、索膜等，在選型時(shí)應(yīng)按照生產(chǎn)工藝和其各自不同的特點(diǎn)選擇。例如輕鋼工業(yè)廠房的鋼結(jié)構(gòu)，需要較大的移動(dòng)荷載或者懸掛荷載時(shí)，可以選用網(wǎng)架型式；在雪壓大的區(qū)域，屋面可使用網(wǎng)殼型式，能有利于積雪的滑落，降低屋面的總雪載；考慮選型經(jīng)濟(jì)性方面，如建筑結(jié)構(gòu)允許使用框架型式具有更好的經(jīng)濟(jì)性等等。（2）結(jié)構(gòu)布置結(jié)構(gòu)布置應(yīng)綜合考慮荷載分布情況、結(jié)構(gòu)體系特征以及性質(zhì)等因素。一般性布置原則是能盡量限制移動(dòng)荷載或者大荷載的影響范圍，并且要求力度模型清晰、剛度均勻。例如檁條和墻梁的布置中，檁條應(yīng)等距布置，在確定檁條的間距時(shí)，應(yīng)綜合考慮屋面材料、檁條價(jià)格等因素計(jì)算確定；剛性系桿的布置應(yīng)在每個(gè)溫度區(qū)段或者分期建設(shè)的區(qū)段中，分別設(shè)置能獨(dú)立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系，端部的支撐宜設(shè)置在溫度區(qū)段端部的第一或第二個(gè)開(kāi)間；柱間支撐布置時(shí)，其間距應(yīng)根據(jù)房屋縱向受力情況和安裝條件確定，通常取45?60米，當(dāng)房屋高度較大時(shí)，柱間支撐還應(yīng)分層設(shè)置。2、截面的預(yù)估當(dāng)結(jié)構(gòu)布置完成以后，需對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面進(jìn)行預(yù)計(jì)和估算，其中主要是對(duì)梁、柱等主要支撐構(gòu)件截面尺寸與形狀的假定。對(duì)于不同的鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)截面的構(gòu)造要求也有較大的不同。鋼梁通常選擇軋制或焊接H型鋼、槽鋼等的截面，并依據(jù)支座和荷載的實(shí)際情況，截面高度可在跨度的1/20?1/50之間進(jìn)行選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按照l(shuí)/b限值確定。在對(duì)截面高度和翼緣寬度確定以后，板件的厚度可按照規(guī)范中要求的局部穩(wěn)定構(gòu)造進(jìn)行預(yù)估。柱通常按照雙向受彎、單向受彎或軸心受壓這幾種受力的區(qū)別，選擇H型鋼或者鋼管截面。柱的截面則可通過(guò)長(zhǎng)度和細(xì)度的比值預(yù)估，其值通常簡(jiǎn)單選擇在80附近。通常普通的結(jié)構(gòu)通過(guò)手算即可分析，復(fù)雜結(jié)構(gòu)則需利用建模運(yùn)行程序進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)分析即為線(xiàn)彈性分析，當(dāng)前各種有限元軟件都具有分析鋼材彈塑性和幾何非線(xiàn)性的功能，這也為結(jié)構(gòu)的更精確分析提供了條件。4、工程判定結(jié)構(gòu)軟件的準(zhǔn)確使用，還需對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行工程判定。例如總剪力、各向周期、變形特征等參數(shù)，利用工程判定能修正計(jì)算結(jié)果，并對(duì)模型分析重新修改。利用工程判定能有效保證結(jié)構(gòu)的安全，確保最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確。5、構(gòu)件的設(shè)計(jì)構(gòu)件的設(shè)計(jì)首先需根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)等因素對(duì)材料進(jìn)行選擇。其次在對(duì)截面的驗(yàn)算中，可利用適宜的設(shè)計(jì)軟件減少一定的工作量，并對(duì)截面優(yōu)化設(shè)計(jì)。在截面驗(yàn)算中，應(yīng)著重注意以下幾點(diǎn)：（1）在對(duì)構(gòu)件尤其是柱構(gòu)件進(jìn)行截面驗(yàn)算的過(guò)程中，容易出現(xiàn)長(zhǎng)度系數(shù)的取定不符合規(guī)范的問(wèn)題，針對(duì)這種情況應(yīng)對(duì)變截面或者節(jié)點(diǎn)連接情況復(fù)雜的構(gòu)件進(jìn)行逐一檢查。（2）當(dāng)預(yù)估截面強(qiáng)度不滿(mǎn)足時(shí)，可適當(dāng)加大截面的板件厚度；當(dāng)抗彎不滿(mǎn)足時(shí)，可加大翼緣的厚度；當(dāng)抗剪不滿(mǎn)足時(shí)，可加大腹板的厚度。6、節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足承載力的要求，還應(yīng)具有必要的延展性，避免過(guò)大的約束應(yīng)力和應(yīng)力集中。同時(shí)，為了方便安裝和加工，還需滿(mǎn)足加工工藝性要求，注重合理構(gòu)造。鋼結(jié)構(gòu)最基本的連接型式有鉸接連接、支撐連接和剛性連接等。（1）鉸接連接：梁-梁，梁-柱的連接是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要連接，其中多數(shù)為鉸接式連接，如下圖1所示。該連接主要使用單板、雙板、端板、雙角鋼連接。（2）支撐連接：支撐連接按照連接形式可以鋼結(jié)構(gòu)樓層面的水平支撐和柱間垂直支撐連接。連接主梁和次梁沿水平方向布置的水平支撐主要提供結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性，并抵抗梁的側(cè)向變形；連接主梁和柱間的垂直支撐則主要起到穩(wěn)定空間的作用，將結(jié)構(gòu)承受的水平力傳給柱或地面。（3）剛性連接：當(dāng)被連接梁處于懸臂狀態(tài)或梁-梁、梁-柱連接按剛性連接設(shè)計(jì)時(shí)，其連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用剛性連接。在剛性連接中，腹板承受剪力，翼緣承受彎矩。由于剛性連接受力較為復(fù)雜，在多少情況需對(duì)上下翼緣進(jìn)行連接，因此剛性連接是費(fèi)用較高和非常復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)連接形式。7、編制圖紙鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)出圖主要可分為設(shè)計(jì)圖和施工詳圖這兩個(gè)階段。（1）設(shè)計(jì)圖由設(shè)計(jì)單位所提供，是下一階段施工詳圖編制的依據(jù)。在設(shè)計(jì)圖中，對(duì)于技術(shù)數(shù)據(jù)、材料要求、結(jié)構(gòu)布置、截面選用和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等均應(yīng)描述清楚，以體現(xiàn)設(shè)計(jì)的意圖，并方便施工詳圖的順利編制。（2）施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司編制，有時(shí)也會(huì)由設(shè)計(jì)單位代為編制。施工詳圖應(yīng)能滿(mǎn)足工廠的直接加工制造，并且附有詳細(xì)的材料表。三、總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)建筑是我國(guó)十五期間的重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，隨著我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工程必然會(huì)得到更大的普及和發(fā)展，其中優(yōu)秀、準(zhǔn)確的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量與進(jìn)度的關(guān)鍵。我們應(yīng)積極探索和研究鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體流程及步驟，把握住設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)，以真正做好鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，為我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展盡自己的一份綿薄之力。參考文獻(xiàn)：