浅析钢结构中的概念设计

摘要：随着我国工业的发展，很多大跨度场馆、高层建筑、构筑物、中小型建筑都采用了钢结构。本文仅对钢结构设计步骤和思路做了简单介绍，为了出色的完成一项钢结构设计，需要设计人员熟悉钢结构相关规范、钢结构设计原理及熟练运用设计软件，另外，对于工业钢结构建筑还应充分考虑工艺专业特殊要求。

关键词：钢结构设计步骤；概念设计；节点设计

Abstract: along with the development of our industry, a lot of big span venues, high-rise buildings, structures, and small and medium-sized building all use steel structure. In this paper, only steel structure design steps and ideas to a simple introduction, in order to excellent finish a steel structure design, need to design personnel familiar with steel structure related standard, steel structure design principle and proficient in use of design software, in addition, for the industrial steel structure building still should fully consider technology professional special requirements.

Keywords: steel structure design steps; The conceptual design; Node design

中图分类号：TU391 文献标识码：A文章编号：

引言

随着我国工业的发展，很多大跨度场馆、高层建筑、构筑物、中小型建筑都采用了钢结构。无可置疑，钢结构有很多优越条件，如钢材的组织均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好，适于承受冲击和地震荷载，钢材的密度与强度之比较小，而且钢结构便于机械化生产，是工程结构中工业化程度最高的一种。但是，也不能否认，钢结构还存在着缺陷和隐患。对于钢材本身的材质问题以及耐候性、耐火性、耐腐蚀性，还存在着大量的研究课题。同时，大量的事故表明，钢结构构件由于强度高，所用截面相对小，也就容易失去稳定，这就需要我们在设计时对结构的适用性、合理性、可靠性等方面进行多加论证，下面就对钢结构设计中的问题做以探讨。

一判断结构是否适合采用钢结构

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。从当前的发展情况看，大致可分为普通钢结构和轻型钢结构。其中普通钢结构包括采用大截面和厚板的结构，如高层钢结构、重型厂房和某些公共建筑等；轻型钢结构主要指采用轻型屋而和墙而的门式钢架房屋、某些多层建筑、压型钢板薄壁拱壳屋盖等。此外，还有网架、网壳等空间结构。钢结构在桥梁、工业构架等方而也有广泛应用。

二结构选型与结构布置

在钢结构设计的整个过程中都应该强调“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、破坏机理去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。钢结构通常有框架、平面(木行)桁架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。其计算理论与应用技术大都成熟，但亦有部分难题没有解决。

结构选型时，应考虑具体工程的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载时，就不宜采用门式刚架。一当建筑及工艺流程允许时，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。当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。

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。结构的抗侧力结构应有多道防线，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。

框架结构楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向。通常为了减小次梁截面，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，此时如果沿长向布置次梁，虽然次梁截面加大，但结构整体效果可能会更好。

三截面的选择

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当按1／b限值确定时，可满足钢梁整体稳定的要求。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(λ)预估。通常取值范围在50

对应不同类型的钢结构，设计规范对截面的构造要求有很大的不同，如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题，在普通钢结构规范和轻型钢结构规范中的限值有很大的区别。

除此之外,构件截面形式的选择没有固定的要求,结构工程师应该根据构件的受力情况,合理的选择安全经济美观的截面。

四结构分析

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一，P一8。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结构分析软件：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。我们现在用的结构分析软件大多为sap2000、PKPM系列软件等，对简单的计算模型也可以用到一些更加简便的小软件进行分析，如探索者CAD、世纪旗云结构设计工具箱等等，利用它们可以让设计人员做到事半功倍。

五工程判定

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。初学者应充分明了。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,为了获得实用的设计方法，有时会用误差较大的假定，但对这种误差，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方法。

六构件设计

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)。通常主结构应当使用单一钢种，以便于工程管理。从经济角度考虑，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；当稳定起控制作用时，宜选择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。

当前的结构分析软件，都提供截面验算的后处理功能。一些软件可以将验算时不满足的构件，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，这就是常说的截面优化设计功能之一。例如sap2000、PKPM系列软件等就可以提供这种功能，它虽然可以提高结构工程师的工作效率，但是设计人员至少应注意2点：

(1)软件在做构件(主要是柱)的截面验算时，计算长度系数的取值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，结构工程师应该逐个检查。

(2)当预估截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待：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；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，会很不经济。这在初学者中时常会出现问题。例如在一个轻型门式刚架结构设计中，设计人员没有考虑到这一点，为满足柱顶位移要求，而调整钢柱板材厚度，以至于最终柱断面调整为20mm厚的钢板，已经不能称之为轻型门式刚架结构了。这样使得材料没有充分发挥出本身的承载作用，而且造成了浪费。

我们设计中大多使用的软件是PKPMCAD计算软件，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。所以必须通过人为的修改才能更加合理。

七节点设计

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。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。初学者宜选择可以简单定量分析的前两者。常用的参考书[2]有丰富的推荐的节点做法及计算公式。

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。

连接节点有等强设计和实际受力设计2种常用的方法，初学者可偏安全选用前者。设计手册[2]中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用，比较方便。也可以使用结构分析软件的后处理部分来自动完成。

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，规范有强制规定，应严格遵守。焊条的选用应和被连接金属材质适应。E43对应Q235，E50对应Q345．Q235与Q345连接时，应该选择低强度的E43，而不是E50。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，使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级。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M16～M30．超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接。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、抗拉等。④粱腹板，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。同时兼顾施工时的安装就位的净空尺寸等等因素。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长犯的错误。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 比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。

八图纸编制

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。

（一）设计图

设计图是提供制造厂编制施工详图的依据 深度及内容应完整但不冗余。在设计图中，对于设计依据、荷载资料(包括地震作用)、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求(包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等)、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚．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。

(二)施工详图

施工详图又称加工图或放样图等。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，并应附有详尽的材料表。

设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制,目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。

九结束语

作为一名专业设计人员，设计出结构合理、安全可靠、经济适用的设计产品是我们的职责，文本通过钢结构设计过程的探讨，指出了在钢结构设计过程中应该注意的问题，可为专业设计人员提供借鉴。