钢结构设计简单步骤和设计思路

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　　【摘 要】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。
　　【关键词】钢结构；设计；思路
　　
　　1 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。其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决，或没有简单实用的设计方法，比如网壳的稳定等。
　　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），如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳。总雪载释放近一半。降雨量大的地区相似考虑。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。
　　2 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计算，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局部稳定的构造规定预估。
　　柱截面按长细比预估. 通常50<λ<150, 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。
　　3 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,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。
　　4 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。
　　5 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。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。
　　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。它减少了结构师的很多工作量。
　　但是初学钢至少应注意两点：
　　5.1 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,结构师应该逐个检查.
　　5.2 当上面第(三)条中预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。
　　5.2.1 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。
　　5.2.2 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，会很不经济。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。
　　6 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两种常用的方法，初学者可偏安全选用前者。设计手册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：
　　6.1 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。
　　6.2 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。
　　6.3 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。
　　6.4 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。
　　6.5 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。
　　6.6 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。
　　7 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。
　　7.1 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。
　　7.2 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。 初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。

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