论述钢结构设计中的问题及建议

摘要: 本文是作者近几年的工作经验总结的，主要的论述了钢结构设计中结构形式的选择，截面设计，支撑设计，节点设计等问题，并且提出了一些参考和建议。

关键词: 钢结构设计；问题；建议

Abstract: this article is the author of the work experience in recent years, mainly discusses the design of the steel structure in the choice of the form of structure, section design, the support design, node design problems, and put forward some reference and Suggestions.

Keywords: steel structure design; Problem; suggest

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

近几年随着建筑物越来越向着大跨度、大空间方向发展，传统的钢筋混凝土结构已不能完全满足建筑结构的多样化，钢结构弥补了混凝土结构的种种不足之处，且受到广泛的重视。与混凝土结构相比，钢结构一般具有如下的特点:

1) 结构构件自重轻。钢结构与钢筋混凝土结构相比要30% ～ 50% ，结构构件自重轻，因此相应的基础、地基处理费用也较低。此外，在相同地震烈度下结构的地震反应较小。2) 结构布置灵活。钢材结构组织均匀，而且强度、弹性模量高，可采用大开间布置，使建筑平面能够合理分隔，灵活方便。如单层工业厂房，传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为 6 m，而钢结构的围护体系可采用金属压型板，所以柱网不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和经济合理的原则考虑。3) 施工周期短。钢结构的主要构件和配件多为工厂制作，易于保证质量，除基础施工外，基本没有湿作业; 构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速，施工周期短。4) 经济效益高。钢结构构件采用先进自动化设备制造，运输方便，因此工程周期短，资金回报快，投资效益相对较高。5) 由于钢材本身的材质问题，钢结构耐候性、耐火性、耐腐蚀性，还存在着一些缺陷。6) 构件及结构的稳定性是钢结构的突出问题。钢结构的构件截面相对较小，造成了结构容易失稳。因此我们在钢结构设计和施工时，应采取相应的提高稳定的措施。

1 结构布置

钢结构的结构体系包括框架结构、框架—支撑结构、筒体结构、平面桁架结构、网架( 壳) 结构、索膜结构、轻钢结构、塔桅结构等。选择结构体系时，应考虑它们不同的特点，如在轻型钢结构工业厂房中，当有较大悬挂荷载时，可考虑放弃门式刚架结构而采用网架结构; 建筑设计允许的情况下，可在框架中布置支撑来提高结构刚度，一般能取得比简单的刚性连接节点框架更好的经济性; 对屋面覆盖跨度较大的建筑，可选择悬索或索膜结构体系，其构件以受拉为主; 高层钢结构设计中，常采用钢—混凝土组合结构，来弥补钢结构本身的缺陷，提高结构性能。

结构的布置应根据结构体系的特征、建筑物荷载分布的情况及性质等因素综合考虑。一般说来，结构布置应刚度均匀，力学模型清晰，使荷载以最直接的路径传递到基础。此外，结构布置应根据具体情况灵活多变。如框架结构中次梁的布置，一般为减小截面而沿短向布置次梁，但会使主梁截面加大，因此减小了楼层净高。为避免这一问题，可根据需要调整其荷载传递方向，以满足不同的设计要求。应特别注意的是结构的抗侧应有多道防线，如有框架—支撑结构体系，框架柱至少应能单独承受 1/4 的总侧向荷载。

2 截面设计

构件截面设计是否合理直接关系到结构的安全性，工程的造价及施工是否方便。结构形式确定后，可根据经验对构件截面作初步估算。主要包括梁、柱和支撑等构件截面形状与尺寸的假设，一般钢梁可选择槽钢、轧制或焊接 H 型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的 1/20 ～1/50 之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按我国现行钢结构规范限值确定，尽量回避钢梁整体稳定的计算。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造来初步确定。柱截面根据长细比来估计，通常 50≤λ≤80，然后考虑不同的受力情况，选择钢管或 H 型钢等截面形式。

在进行钢结构设计时，应在确保结构安全，满足使用要求的前提下，使结构用钢量最省、造价最低。因此，如何选择合理截面的杆件，使其在满足强度、刚度、稳定性等要求的前提下，用钢量最小就是优化设计的最终目标。

在进行截面优化时，必须综合考虑以下几点: 1) 构件强度、稳定验算。截面尺寸的优化必须满足强度、稳定性的要求，从而满足结构设计的安全性要求。2) 刚度要求。截面尺寸在优化时，结构的整体刚度必须满足有关规范规定的变形控制要求，即横梁的最大挠度、柱顶的最大水平位移、吊车轨顶处柱的最大水平位移必须满足有关规范规定的变形限值。3) 构造要求。优化截面尺寸必须满足有关规范的构造要求及使用要求。如柱翼缘的宽厚比、腹板的高厚比等截面尺寸都必须满足有关规定。4) 制作、安装控制条件。优化构件截面尺寸必须满足常规的制作、安装要求。

3 支撑设计

在钢结构中通常利用支撑提高结构或构件的稳定性。合理布置支撑体系可有效优化主要承重构件内力分布情况，可有效改善整体刚度分布，加强结构薄弱环节，使结构整体共同抵御水平荷载，尤其是地震作用。支撑体系的设计一般遵从以下原则:

1) 明确、合理地传递纵向荷载。2) 保证结构体系平面外的稳定，对结构和构件的整体稳定提供侧向支点。3) 结构安装方便。4) 满足必要的强度、刚度要求，具有可靠的连接。

柱间支撑通常采用十字交叉式。在柱间有运输、通行域、放置设备等要求时，可采用门架式柱间支撑和单斜式柱间支撑。此外，还有人字形、K 形、L 形等支撑形式，对于常用的支撑体系，在相同用钢量下，十字支撑体系和人字支撑体系对提高结构侧向刚度的作用相对显著。

4 节点设计

连接节点的设计是整个设计过程中极其重要的环节，节点设计得当与否，对保证结构的整体性、可靠度以及建设周期和成本有着直接影响。在进行结构设计时，在结构分析过程中就应该想好用哪种节点形式，根据结构构件的选用，传力特性不同判断是选用刚节点、铰节点还是半刚节点。

对于焊接节点，焊缝的尺寸及形式应符合我国现行规范的有关规定。如焊条的选用应和被连接金属材质强度相适应，E43 对应 Q235，E50 对应 Q345。此外，焊接设计中应考虑焊缝的重心尽量与被连接构件重心接近。对于栓接节点，普通螺栓由于其抗剪性能差，只能在结构次要部位使用。高强螺栓的使用相对广泛，常用 S8． 8 和 S10． 9 两个强度等级，高强螺栓连接根据受力特点分承压型和摩擦型两种连接，在设计时应注意两者计算方法的差别。连接板可简单取其厚度为梁腹板厚度加 4 mm，然后按我国现行规范进行相应验算。

此外，节点设计应考虑制造厂的工艺水平、施工空间及构件吊装顺序等，尽可能让工人方便进行现场定位与临时固定。

5 结语

除以上几点外，钢结构设计过程中，还有很多问题有待进一步研究，如钢结构的弹塑性和塑性设计方法、损伤问题、疲劳问题以及防火防腐等问题，都需要我们在实际工程中不断总结，不断改进和提高。