谈谈钢结构设计

摘要：钢结构体系通常有框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。其理论与技术都较为成熟，仍有部分难题在设计中没有得到解决,或者说没有简单实用的设计方法。笔者主要是从设计角度讨论一些思路和相关知识，值得专业技术人员借鉴和参考。关键词：钢结构；设计步骤；设计方法

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

钢结构特点、选型与结构布置

钢结构通常用于高层、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。 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其重要。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，并可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。

结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落（切线50度内需考虑雪载 ），建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。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。我国半数以上的此类高层为前者。对抗震不利。

结构的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，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。

二 、预估构件截面

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规定预估。柱截面按长细比预估。 通常50

三、结构分析方面与工程判定

目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-Δ和p-δ。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。这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件，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。简单结构通过手算进行分析，复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。

要正确使用结构软件，还应对其输出结果的做"工程判定"。比如，评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据"工程判定"选择修改模型重新分析,还是修正计算结果。不同的软件会有不同的适用条件。设计要学会通过"适用条件、概念及构造"的方式来保证结构的安全 。因为其是比定量计算更重要的内容。

四、 构件设计

构件的设计首先是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。从经济考虑,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; 稳定控制时,宜使用Q235。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。

五、节点设计

连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一，在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定。连接的不同对结构影响甚大。比如,有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题,但会产生较大转动, 不符合结构分析中的假定会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。具体设计主要包括以下内容:

1、焊接: 焊接设计中不得任意加大焊缝， 焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近，其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。

2、栓接:铆接形式在建筑工程中现已很少采用。普通螺栓抗剪性能差, 可在次要结构部位使用。高强螺栓根据受力特点分承压型和摩擦型。两者计算方法不同，高强螺栓最小规格M12，常用的是M16-M30。但超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用。

3、连接板: 可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪等。

4、梁腹板: 应验算栓孔处腹板的净截面抗剪，承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。

5、节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。

六、图纸编制

钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。

参考文献：

[1]高轩能，张惠华，《钢结构设计及实用计算》[M].中国电力出版社.2008

[2]《钢结构设计规范》（GB50017-2003）[M].中国计划出版社.2003