钢结构设计思路和步骤浅析

摘要：本篇文章将结合本人的钢结构设计经验, 在提炼钢结构设计简单步骤的同时,穿插钢结构的常用设计思路。

关键字：钢结构; 设计思路; 设计步骤

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

一、 判断结构是否适合采用钢结构

钢结构由于其自身特点: 自重轻、承载力高, 抗震性能好以及现场湿作业少, 通常用于高层( 超高层) 、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观地说, 常用于摩天大厦、纺织工业厂房、体育馆、大桥、电视塔和临时活动建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。

二、结构选型与结构布置

由于结构选型涉及内容广泛并且对整个设计起控制作用, 做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指导下进行。在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是”概念设计”, 它在结构选型与布置阶段尤为重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题, 可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想, 从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确, 从而避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时, 它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。林同炎教授在《结构概念和体系》一书中介绍了用“整体概念”来规划结构方案的方法, 以及结构总体系和各分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。钢结构通常有框架、平面( 桁) 架、网架( 壳) 、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。结构选型时, 应考虑各建筑物各自不同的特点。高层钢结构设计中, 常采用钢、混凝土组合结构, 在地震烈度高或很不规则的高层中, 不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱, 核心为支撑框架的结构体系。结构布置要根据体系特征、荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀、力学模型清晰、尽可能限制较大荷载或移动荷载的影响范围,使其以最直接的线路传递到基础。柱间抗侧支撑的分布应均匀, 其形心要尽量靠近侧向力( 风震) 的作用线, 否则应考虑结构的扭转。结构的抗侧应有多道防线。比如对于有支撑框架结构, 柱子至少应能单独承受1/ 4的总水平力。框架结构的楼层平面次梁的布置, 有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面, 沿短向布置次梁, 但是这会使主梁截面加大, 减少了楼层净高, 顶层边柱也有时会吃不消,考虑到这点, 我们可以把次梁支撑在较短的主梁上, 以牺牲次梁来保住主梁和柱。

三、预估截面

结构布置结束后, 需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。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l/ b限值确定时, 可回避钢梁的整体稳定的复杂验算, 这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后, 其板件厚度可按规范中有关局部稳定的构造规定进行预估。柱的截面按长细比进行预估。通常取50

四、 结构分析

目前钢结构实际设计中, 结构分析通常为线性弹性分析, 条件允许时考虑P- $, p-D。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能。这为更精确地分析结构提供了条件。但并不是所有的结构都需要使用软件，对于典型结构, 可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。对于简单结构, 可通过手算进行分析。而对于复杂结构, 才需要建模运行程序并做详细的结构分析。

五、工程判定

要正确使用结构软件, 还应对其输出的结果做“工程判定”。不同的软件会有不同的适用条件。此外, 工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离。对这种误差, 会通过“适用条件、概念及构造”的方式来保证结构的安全。钢结构设计中, “适用条件、概念及构造”是比定量计算更重要的内容。工程师们不应该过分信任与依赖结构软件。美国一位学者曾警告说：“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。”注重概念设计和工程判定是避免这种工程灾难的行之有效的方法。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。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l/ b限值确定时, 可回避钢梁的整体稳定的复杂验算, 这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后, 其板件厚度可按规范中有关局部稳定的构造规定进行预估。柱的截面按长细比进行预估。通常取50

六、 构件设计

构件的设计首先是涉及到材料的选择。比较常用的是Q235( 类似A3) 和Q345( 类似16Mn) 。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。为经济考虑, 也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时, 可选择Q345; 以稳定控制时, 宜采用Q235。构件设计中, 现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面, 这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件, 都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步, 一些软件可以将验算时不通过的构件, 从给定的截面库里选择加大一级。并自动重新分析验算直至通过, 如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一，它减少了工程师的很多工作量。但是应注意如下两点:

6. 1 做构件( 主要是柱) 的截面验算时, 计算长度系数的取定, 有时会不符合规范的规定。目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以, 尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件, 工程师应该逐个对其检查。

6. 2 预估的截面不满足时, 加大截面应该分两种情况区别对待。

6. 2. 1 强度不满足, 通常加大组成截面的板件厚度, 其中,抗弯不满足加大翼缘厚度,抗剪不满足加大腹板厚度。

6. 2. 2 变形超限, 通常不应加大板件厚度, 而应考虑加大截面的高度, 否则, 既不经济也很不美观。使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能, 很难考虑上述强度与刚度的区分。实际上常常并不合适。

七、节点设计

连接节点的设计是钢结构设计中的重要内容之一。在结构分析前, 就应该对节点的形式有充分思考与确定。设计中常常出现的情况是, 最终设计出的节点形式与结构分析模型中使用的形式不完全一致, 这种情况必须避免。按传力特性不同, 节点分刚接、铰接和半刚接。连接的不同对结构受力的影响很大。连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法。具体设计主要包括以下内容:部采用L75@10) , 100@100@4的钢板, 钢筋斜撑采用现场作废的536、532短钢筋, 所有角钢的纵横向间距均为1. 6m。为了增加抵抗侧向作用的能力, 溜槽架采用两跨的普通钢管脚手架, 在溜槽架子底部的角钢采用短钢筋进行连接形成空间网架 , 同时用纵、横向连杆将角钢顶部连接成一体 。经过实践证明, 临时支撑体系与传统的支撑体系相比存在如下优点:

1. 较适用于厚度大于1. 5m的厚筏基础;

2. 设计合理、计算简便;

3. 安全、可靠;

4. 施工方便、节省人工;

5. 节省钢材量达2/ 3。

参考文献

[ 1] 建筑施工手册第三版编写组. 建筑施工手册( 第三版) . 北京: 中国建筑工业出版社, 1997

[ 2] 钢结构设计规范(GBJ17- 88) . 北京: 中国计划出版社, 1988

[ 3] 建筑地基基础设计规范( GB50007- 2002) . 北京: 中国建筑工业出版社, 2002

[ 4] 欧阳可庆主编. 钢结构. 北京: 中国建筑工业出版社, 1991