对于钢结构设计过程中的难点分析

摘 要：对于钢结构由于结构性能好、空间跨度大、可循环利用、造价低、便于预制安装、施工周期短等优点，在建筑业中得到了广泛的应用，本文重点从钢结构的设计过程进行探讨。

关键词：钢结构设计 过程 设计思路

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

一、钢结构分类

目前一般将钢结构分为轻钢、重钢和设备钢结构三种结构。1）重钢：厂房行车起吊重量：≥25吨；每平米用钢量：≥50KG/M2。如：石化厂房设施、轧钢炼钢车间、电厂厂房、大跨度的体育场馆、展览中心，高层或超高层钢结构。2）轻钢：主要承重结构为实腹门式刚架，具有轻型屋面和外墙，无吊车或吊车起重量不大于20吨，工作级别为中轻级的钢结构建筑。3）设备钢结构是指大型设备中的钢结构部分，以下结构应可划入设备钢结构范畴：架桥机的塔架钢结构、起重机的起重大梁、起重机车身、大型设备支架等，属于对精密性、材质、连接等要求较高的精密钢结构之一。对于成套设备来说，是最主要的受力部分，在功能上起到结构性作用。

二、钢结构设计过程

1）判别是否适合钢结构

在做设计时要结合钢结构的特点以及工程造价，看项目工程是否适合钢结构。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。

2)结构选型与结构布置

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，针对不同建筑的特点，选择合理经济的结构方式。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。

3）截面的选择

结构布置完成后，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设预定。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之间取舍。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按1/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，简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等。

4）结构分析

结构分析可以采用多种方法：简单结构通过手算进行分析；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；复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。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效应。新近的一些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。但是要想得到正确得计算结果，必须依据科学的假定，建立正确的计算模型，然后，选择合适的计算工具计算。

5）构件设计

材料是构件设计的基础，材料的选择对于构件设计非常重要。比较常用的是Q235和Q345，通常主结构使用单一钢种以便于工程管理，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，刚度控制时，宜使用Q235。相同牌号的钢材又分不同的质量等级：A、B、C、D等，其应根据焊接要求、受力特点、使用环境等因素进行合理的选择。

6)节点设计

节点设计师钢结构设计的重点，在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定，按传力的特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。具体设计主要包括以下内容：

（1)焊接。对焊接焊缝的尺寸及形式等应按照规定执行。焊条的选用应和被连接金属材质适应。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，主受力构件现已很少采用，普通螺栓的抗剪性能差，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，根据具体情况选择螺栓。

(3)连接板。构件端板厚度应根据支承条件按照规范要求计算；连接节点处的板件应按照规范验算其在拉、压、剪作用下的强度和稳定性；对单壁式桁架节点板厚度可按照《钢结构设计规范》GB50017-2003中的选用表进行选取。

(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。构件运到现场无法安装是初学者常犯的错误。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。

(6)节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。

(7）防锈蚀与防火

钢结构因其自身的特点对锈蚀和高温(火焰)具有敏感性，因此对于周围环境存在这两种情况的时候，必须做好钢结构的防锈蚀与防火。具体要求详见相应国家规范，特殊行业，如石化，还需满足行业规范要求。值得注意的一点是两种防护材料的调和性，即两种材料不能接触后发生反应而丧失原性能，亦不能相互抵触而使某层材料脱落。

7）图纸编制

（1）图纸的编制是工程施工的重要依据，在设计图中，对于设计依据、荷载资料、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求等均应表示清楚，以利于施工详图的顺利编制，并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。

(2)施工详图。深度须能满足车间直接制造加工，不完全相同的另构件单元须单独绘制表达，并应附有详的材料表。

三、钢材选用的标准

1.用于承重的冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢和钢板,应采用先行国家标准《碳素结构钢》GB/T700规定的Q235钢和《低合金高强度结构钢》GB/T1591规定的Q345钢。2.门式刚架、吊车梁、和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用Q235B或Q345A及以上等级的钢。非焊接的檩条和墙梁等构件可采用Q235A钢。当有根据时,门式刚架、檩条和墙梁可采用其他牌号的钢制作。

《钢结构设计规范》GB 50017-2003中3.3.1规定,承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢,其质量应分别符合现行国家标准碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时,尚应符合相应有关标准的规定和要求。

这些都是钢结构的一些用钢,当然还有其他的。以钢材制作为主的结构,是主要的建筑结构类型之一。钢材的特点是强度高、自重轻、刚度大,故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好,属理想弹性体,最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好,可有较大变形,能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高,可进行机械化程度高的专业化生产；加工精度高、效率高、密闭性好,故可用于建造气罐、油罐和变压器等。其缺点是耐火性和耐腐性较差。主要用于重型车间的承重骨架、受动力荷载作用的厂房结构、板壳结构、高耸电视塔和桅杆结构、桥梁和库等大跨结构、高层和超高层建筑等。钢结构今后应研究高强度钢材,大大提高其屈服点强度；此外要轧制新品种的型钢,例如H型钢(又称宽翼缘型钢)和T形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。由于钢结构的这些特点,它将会在建筑方面占有很重要的地位。

四、结语

随着我国经济以及建设的发展，钢结构将得到越来越广泛的应用，会出现更加新颖和有特点的结构形式，这就需要我们广大结构设计人员在钢结构的设计过程上不断完善与加强，从而推进我国钢结构应用的发展与进步。