钢结构设计简单步骤和设计思路

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　　 【摘 要】本文从结构是否适合应用钢结构入手，对钢结构的选型和结构布置作以介绍，说明了钢结构设计简单步骤和设计思路。
　　 【关键词】钢结构；结构设计；步骤
　　
　　 前言
　　 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。直观地说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。
　　 1 结构选型与结构布置
　　 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。对一些难以做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。
　　 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。一般地说要刚度均匀、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。
　　 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。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，合理地选择安全经济美观的截面。
　　 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。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”[1]。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。从经济方面考虑，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，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。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[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两种常用的方法, 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。也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成。
　　 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.不完全相同的零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。
　　 参考文献:
　　 [1]赵熙元.重级工作制吊车横向水平力计算的建议.钢结构1992.2
　　 [2]赵熙元、吴志超.关于钢吊车梁设计中几个问题的探讨.工业建筑，1991.8
　　

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