多层钢结构设计的一些思考

摘要：结合多年的钢结构设计经验，对钢结构设计进行了思考，简单介绍一下钢结构设计的思路、设计的步骤以及在设计过程中应注意的问题，供同行借鉴。

关键词：钢结构设计 步骤 思路 通病

1 钢结构设计思路和步骤

1.1 首先要判断结构是否适合用钢结构

钢结构并不适用于所有的结构，一般情况下，高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、密封性要求高、高温车间、要求能活动或经常装拆的结构中常用到钢结构。目前，钢结构以其自重轻和施工快的特性，被广泛应用在住宅、临时建筑、工厂、体育馆、大厦、歌剧院、大桥等建筑结构中。

1.2 钢结构设计时结构的选型与结构布置

因为结构选型广泛，实践经验较少的年轻工程师应该多向经验丰富的工程师共同研究后再慎重进行结构选型和布置。“概念设计”在钢结构的整体设计中占有相当重要的地位，所以设计时应注重这一点。对没有做出要求或无法得出精确的分析结论的部分，可按从整体结构体系与分体系之间的力学关系、震害、破坏机理、试验现象、工程经验所获得的设计思想，从整体上来确定控制结构的布置及细部措施。早期通过概念设计实现快速比选。所得结构方案便于手算，从而准确定性，进一步明确概念，同时也能省去结构分析环节的一系列复杂的运算。

进行结构选型的过程中，必须对各类结构的特点进行周密的分析。基本雪压大的区域，最好设计使积雪自动滑落的屋面曲线，而且要认真分析降雨量较大的区域。如果建筑条件允许，可在框架中布置支撑会比加大梁、柱截面对位移进行有效的控制，这样不仅会取得预期的效果，而且经济合理。有些建筑的屋面覆盖跨度稍大，单向受力可采用张悬梁、桁架等结构体系，双向受力可选用网架等结构体系。而钢-混凝土组合结构通常应用在高层钢结构中。

建设单位应该参照荷载的特性及其分布状况、体系特征等来进行结构的布置。正常情况下，应确保力学模型清晰，且刚度均匀，注意防止移动荷载或大荷载引起较大影响，尽量让其通过固定的线路直接传递到基础。柱间抗侧支撑要均匀分布，支撑的形心应最大限度的挨近侧向力的作用线，否则还要分析结构的扭转。框架结构的楼层平面次梁的布置，某些情况下，为满足各种不同的需求，必须对荷载的传递方向作出调整。为了减小截面，次梁可沿短向布设，但该措施可能会增大主梁截面，楼层净高也会随之缩小，顶层边柱可能因此而承载较大力。

1.3 对截面进行预估

完成结构布设以后，要初步估算构件截面，估算内容大致是假定梁柱、支撑等断面的尺寸和形状。可采用轧制或焊接H型钢截面的钢梁设计。参照支座与荷载的情况，截面高度一般为跨度的1/20～1/50之间。翼缘宽度按照梁间侧向支撑的间距以L/b限值为准时，钢梁的整体稳定的一系列计算可以不作考虑。翼缘宽度、截面高度明确以后，根据规范中局部稳定的构造规定来估算板件的厚度。根据长细比来对柱截面进行估算，一般可确定为50

除此之外，规范中并未特别要求构件必须选用何种截面形式，结构工程师可按照构件的受力状况，尽量选用安全性能高、美观经济的截面形式。

1.4 对钢结构进行分析

对于钢结构的设计而言，一般采用线弹性分析的方法来研究钢结构，新近的部分有限元软件可适当采用几何非线性及钢材的弹塑性能，以便于对结构作出更为具体的分析。需要注意的是，某些结构无需使用软件，典型结构可查相关资料或工具书来对变形、内力等进行直接的判断，也可通过手算来分析简单的结构，复杂结构则需要建模运行程序同时对结构进行周密的分析和判断。

1.5 钢结构构件的设计

设计构件时，首先确定合适的材料，Q235、Q345都是构建设计中用的比较多的材料。如果强调结构的稳定性能，最好选择Q235；如果注重结构强度，Q345则是最好的选择。

现在的结构软件通常都具有截面验算的后处理功能。因为当前的程序技术有了很大的改进，一部分软件可将未通过验算的构件，从给定的截面库中选用加大一级的，同时自动重新分析和验算，直到其合格为止。这就是截面优化设计功能其中的一项，这项功能为结构师省去了大量不必要的工作。

如果是初学者则要注意下列两个方面：

①软件在进行构件截面验算的过程中，某些情况下，计算长度系数的取定会与相关要求不符，特别是变截面的构件或在节点连接复杂的情况下，必须逐个排查。

②如果估算的截面达不到设计要求，就应该加大截面，而且要分清以下两种情况。

a若强度不符合设计要求，则组成截面板件的厚度可适当加大：若抗弯不符合规范，则翼缘厚度可适当加大；若抗剪不符合规范，则大腹板厚度可适当加大。

b遇到变形超限的情况，不要盲目增加板件厚度，而是要适当增加截面高度，以满足经济、合理的要求。

1.6 节点的设计

在钢结构设计中，连接节点的设计属于其中的一项关键性的内容。分析结构的过程中，首先要认真分析并明确节点的形式。实际进行钢结构设计时，一般会发生结构分析模型所用的形式与最终设计的节点及结构形式不一致的情况，设计中要尽量避免这类问题的出现。根据各类传力性质，节点主要分为半刚接、铰接、刚接。刚刚接触这类结构的人员最好采用便于简单定量分析的前两者，也可采用相关资料和工具书中推荐的节点做法和计算公式。不同的连接方式也会在一定程度上影响到结构的性能，如一部分刚接节点虽然可承受一定的弯矩，但会发生大幅度的转动，与结构分析中假定的情况存在差别，实际工程变形也会因此超过估算的范围。

通常采用等强设计、实际受力设计的方式来实现节点的连接，初学者若考虑到安全因素，可采用等强设计。设计手册可为设计者提供焊缝和螺栓连接的表格以供查用，也可以采用结构软件的后处理部分来自动完成。

1.7 钢结构图纸的编制

钢结构设计出图主要包括设计图及施工详图两部

分。

①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多余。

②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。不完全相同的零构件单元须单独绘制表达，并应附有详尽的材料表。

2 常见多发性通病

在实际工程检查中，所发现钢结构制作、安装存在一些常见多发性通病，其主要表现为：对设计图纸的会审不到位，施工单位的职责是按图施工，但施工单位也有责任在施工前应对施工图进行工艺性会审，对出现在设计图纸中不完善、不明确或不适合施工、不符合规范的方面提出来，并与设计单位商讨修改。

一般设计图纸中经常出现以下一些问题：①设计图纸应用规范不齐全、不正确。如有的设计说明使用了过时的、已经废止的标准；有的材料牌号、等级不全、高强螺栓、普通螺栓和焊接连接点的标记不明确或未显示。②设计总说明未写明工程的安全等级和使用年限。③钢材的材质等级，高强度螺栓的摩试要求不明确。④施工图未注明焊接的坡口形式，焊缝间隙、钝边坡口角度、是否单面焊等。⑤施工图未注明除锈等级要求。

3 结语

以上就钢结构设计的步骤和思路简单的介绍了一下，供初学设计的朋友参考，通过对钢结构中多发性的通病介绍，希望可以引起相关专业人士的注意，只有杜绝此类问题的发生才能保证钢结构设计和施工的质量要求。

参考文献：

[1]《结构设计手册》（第三版）.

[2]《钢结构设计规范理解与应用》中国建筑工业出版社.

[3]《钢结构设计规范》中国计划出版社.