钢结构设计要点Word文件下载.docx
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[19]（把受力单元尽可能的向结构外围布置，是充分利用材料性能的关键，就像中空的竹子一样，所以外强内弱很重要。
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。
（三）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。
初学者需注意，对应不同的结构，规范中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。
在普钢规范和轻钢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－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。
（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，初学者至少应注意两点：
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。
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。
（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。
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。
（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。
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等。
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。
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。
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[3]，并依据规范规定编制。
我们在以往的工程检查中，所发现钢结构制作、安装存在一些常见多发性通病，其主要表现在以下几个方面：
一、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（特别是对强制性条文）以期与设计单位商讨修改。
如果不将发现的问题提出来，那么工程在施工过程和验收方面就带来困难，施工质量也难以得到保证，造成隐患。
我们检查工程质量中，发现设计图纸中经常出现以下一些问题：
第一、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。
对各类高强螺栓、普通螺栓、栓钉、拉铆钉及其垫圈的规格、型号、性能没有具体标明，而这些均已列入了钢结构施工质量验收规范，并作为强制性条文要求，如果设计图纸未加说明，施工和验收就缺乏依据，造成盲目施工和无法验收后果。
第二、设计总说明未写明工程的安全等级和使用年限。
工程的安全等级不同，对焊接等施工检查要求也不同。
安全等级为一级的，一、二级焊缝的焊接材料必须复试；
安全等级为二级的，一级焊缝的焊接材料必须复试，二级焊缝的焊接材料就不一定需要复试。
第三、钢材的材质等级，高强度螺栓的摩试要求不明确。
有的设计图纸只写Q235或Q345，不写等级A或B，有的不提摩擦面试验要求，也未明确不作摩试要求，施工单位无所适从。
有的施工单位在采购材料后，再让设计院认可，这是对工程质量采取随意性的处理，极为不妥。
第四、施工图未注明焊接的坡口形式，焊缝间隙、钝边坡口角度、UT等级、是否单面焊等。
有的施工图，对不同板厚的拼接焊未按规范要求开斜坡，局部应力线过分集中，违反国家技术规范，质量验收往往通不过，又造成无法弥补的缺陷。
第五、施工图未注明除锈等级要求。
对油漆（涂料）的品牌、材质、漆膜厚度也没有要求，这样，工程施工和验收就没有依据。
作为施工单位，取得施工图以后，一定要组织有经验的技术人员进行图纸会审，看看应用规范有没有问题；
节点图有没有表述清楚；
强制性条文所要求的内容在设计总说明中有没有显示，各种材料的规格、型号、性能、等级、施工的质量要求和工程的安全等级有没有明确；
节点设计是否合理；
施工中有没有不可逾越的难度等，都要向设计单位预先提出。
设计图纸的完善，是确保施工质量的前提条件。
二、钢结构制作质量未达到要求
第一、在切割、下料时，翼缘板尺寸宽窄不一，造成H型钢与牛腿的尺寸不一致，与牛腿联系的钢梁上下翼缘板错位约一个板厚；
切割边缘有较深的切痕，板边有明显的凹陷，或有较深的锯齿印，切割粗糙度超标，拼板边缘切割不垂直度，拼接错边等超标。
第二、在组装时，焊接H钢无组装胎架，造成H型钢高度尺寸有偏差，腹板偏中心；
翼腹板对接后，焊缝未矫平，有明显凹凸；
轻钢腹板不平整，组装前未矫正。
第三、在焊接方面，轻钢焊接H型钢翼板开料后再拼接，焊缝未安装引熄弧板，造成焊缝不饱满，边缘有凹坑未熔合等，与母材不齐平；
柱脚、牛腿的焊脚尺寸小于设计图纸的规定，角焊缝塌边现象严重，收弧处普遍低于母材，气孔较多；
使用CO2焊的焊缝成形差，宽窄不一致，高低不一致，忽大忽小；
手工焊焊缝不直，宽窄不一，咬边现象严重；
焊渣飞溅未清除干净。
第四、在钻孔方面，事前未很好会审图纸，在该开单排孔的地方，开了双排孔，结果未补孔就留存在构件上。
如柱与牛腿连接处的H型钢为双排孔，而大梁与次梁相同规格的H型钢为单排孔，但开孔时都开了双排孔，安装后影响了强度和外观质量。
第五、总装过程中，钢柱牛腿与H型钢梁连接处上下错位，左右错位，未控制好尺寸。
第六、除锈与油漆方面：
除锈马虎，未达到等级要求，油漆不久就出现返锈、剥落；
漆膜厚度不均匀，阳面厚度普遍超厚，可达250μm，但阴面往往在90μm左右（室内漆膜厚度规定为125μm）；
油漆前杂质未清除干净，污物多，高低不平，流挂现象较普遍。
第七、在构件运输和堆放过程中，无搁置件垫平堆放，而是随意卸车，杂乱堆放，甚至让构件埋入泥堆水沟中，造成构件变形、碰伤和污染。
第八、构件出厂时，钢柱、钢梁的中心线标记未标示，相当普遍，给安装施工矫正检测带来困难。
第九、翼腹板拼接长度不符合要求。
如翼板拼接长度不应小于翼板宽度的2倍，翼缘板与腹板拼接焊缝应错开200mm以上，腹板拼接长度不小于600mm。
但实际往往未达到上述要求。
针对以上问题，我们提出几点整改措施：
板制H型钢的尺寸要严格控制，最好相应从整根H型钢截取，防止牛腿高差错位。
严格工艺。
H型钢组装时，应有组装胎架。
如系组立机组装，也应随时检查调整。
钢板应整张大板拼接，采用埋弧焊焊接改善焊缝质量，既省时又省料。
切割应提高操作技能和参数正确，防止割缝、啃边、塌边、熄火、粗糙度过大等。
除锈质量尽可能采用抛丸或冲砂处理样板对比检查，使油漆后粘合良好，粗糙度合适利于摩擦系数的保证。
严控油漆厚度，不能忽厚忽薄，防止阴面构件小于标准的油漆厚度，油漆过厚超过125μm，会增加较大的费用，造成无谓浪费。
构件拼接时，排版要按规范要求，控制好拼接长度，防止过短拼接，尽量避免构件端面板的拼缝间隙。
拼制H型钢，应注意矫正质量，控制角变形值和平整度。
构件油漆后应标注构件中心线标记，构件超过20吨应标注起重点标记。
构件在运输与场地堆放时，应有搁置件垫平堆放，防止构件变形，碰伤和污染。
三、安装质量问题
第一、钢柱安装时违反操作规程，象蜡烛一样一根根单插起来，当天又无法形成稳固的框架单元，大风一来，造成倒塌。
这样的安全事故多次出现，应绝对避免。
第二、单位无安装工艺，安装构件无顺序。
如有一展厅，建筑面积6000平方米，共4层。
构件已全部安装到顶，但主钢柱仍没有进行焊接固定，而边上的辅助小钢柱已全部焊完了。
又如，钢柱安装完毕后，应尽快把钢柱底部的垫块垫平焊牢，然后用细石密实。
但有的工地彩钢板已开始安装，柱脚却没有封闭。
第三、锚固螺栓高低不一，柱脚平面事先未测，预埋时移位，形成柱偏位，应先测后埋。
第四、安装高强度螺栓，较多的出现以下一些问题：
露牙不足，甚至低于螺母；
螺栓未拧紧，扭剪型的未拧断梅花头，大六角的没有初拧终拧标记；
安装时摩擦面的防护纸未撕掉；
高强螺栓作临时固定用，安装后48小时内未漆封；
未做扭矩与轴力复试，紧固力矩未按规定计算；
摩擦系数试验不到位，有的不做，有的只做一组。
拉杆螺栓不拧紧，拉杆不直，腰园孔未用大垫圈，造成螺母与母材接触面太小，极易穿孔
第五、现场焊缝普遍不到位。
如刚性连接衬垫焊间隙太小，无法焊透，结果垫板手一拉就掉；
衬垫板规格不符合要求，甚至用钢筋代替；
焊缝的成形不好，高低不平，宽窄不一，飞溅、焊瘤未清除，咬肉、气孔较多；
弧头弧尾不加引熄弧板，出现凹陷等等。
第六、图纸会审不仔细，造成安装质量缺陷。
如设计图纸未注明在吊车梁翼板上钻孔，施工单位也未提出，结果在安装轨道时采用焊接，造成吊车梁下挠。
违反强制性条文中有关吊车梁不允许下挠的规定。
第七、围护彩钢板拼缝不密贴，收边不良，“鼻孔”未封堵，影响对雨水的防渗漏和美观。
为了消除安装工程中的常见病，我们提出几点整改措施：
安装构件时应严格按安装工艺顺序进行，当天应形成稳固的框架单元，当不能形成时，应加缆风绳固定，防止出现倒坍事故。
钢构件柱、梁安装完毕后，应尽快调整钢柱垂直度和高差垫片，然后封闭柱脚，并二次灌浆密实。
高强螺栓要把好扭矩系数和紧固轴力的复试，分别做好制作与安装摩擦面的抗滑移系数。
安装高强螺栓控制好施工扭矩，露牙长度2-3扣，不允许高强螺栓当作临时固定螺栓使用，高强螺栓终拧必须在48小时内完成。
加强安装现场焊接质量控制，尽可能选择具有较高水平的焊工焊接，提高焊接质量。
四、工程资料不全，问题较多 第一、资料漏缺、不全。
漏缺较多的是原材料汇总表，监理对原材料的审批表；
构件出厂合格证漏写材质等级、构件的规格、长度；
无质量鉴定情况，缺少设计图纸与相应的验收标准；
安装缺少轴线偏差记录。
第二、资料不规范，不符合要求。
如探伤报告方面，有的单位8mm以下钢板的对接缝不做UT探伤（GB11345-89规程对8mm以下板做UT无明确规定），建议采用JBJ/T3034.2-96标准探伤为好。
又如，有的探伤报告无构件示意图比照、构件编号，无法追溯构件的探伤部位。
有的无探伤检测判定结果，只有一张报告，探伤了几根构件，很不规范。
第三、焊接工艺评定报告（WPS）不规范。
不能清楚显示坡口形式、角度、间隙、钝边、板厚、有无垫板，采用什么设备、焊接方法；
有的只有一张报告，填写UT结果，及物理试验报告，而没有相应的UT检测试验报告和焊接记录（PQR）。
第四、焊工无证操作。
有的焊工只有安全操作证，无工程建设焊工合格证书，以安全操作证代合格证和超项操作。
若将好的实践方法置之不理，毫无疑问地会导致外观、功能以及新建金属建筑寿命方面的问题。
以下所描述的是一些不按规定办事带来的令人心痛的不幸。
1地坪和基础的问题
地脚螺栓的短缺或位置偏差
如果放置时不采用模板定位，地脚螺栓有可能最终错位并造成一些小危机，比如工程师及制造商可能会被一些大惊小怪的电话纠缠不休。
一些简易的整改措施，例如在柱底板上开新孔、钻入膨胀螺栓或化学螺栓，便可解决这些问题，否则可采用一块更大的柱底板或将柱底板接长。
在实在严重的情况下，也许要更换基础。
所有扩孔底板的地脚螺栓都要在螺母下配置厚垫圈，其厚度通常为5/16英寸至1／2英寸。
因此当计算地脚螺栓外露长度时，应计人该垫圈的厚度。
地脚螺栓外露部分不够，不能满足正确的螺母拧入，是个不容忽视的问题。
这些问题最好的处理方法是将螺栓通过焊接带螺纹的钢筋棒加长，伸长部分的端部应切成45°
以保证全熔透焊接。
另一种方法，可以在拼接处使用一个特殊的带螺纹的连接器，也许有必要清除掉一些柱底板金属和混凝土。
在任何情况下，都必须有几个垫圈将螺母抬高到连接材料之上。
通常情况下承建商所提出的在螺母的空缺处进行塞焊的建议应被拒绝，因为这种方法不能提供强连接，特别是那些用于承受拉力的螺栓。
地脚螺栓螺母塞焊损坏的一个典型例子，发生在路易斯安那州的一所学校，在遭遇飓风时焊缝及小部分螺纹被突然拉坏，据报告发生了类似弹簧的作用，柱子及梁被掀入空中。
地坪的开裂或翘曲
地坪开裂是业主常年所报怨的事之一。
大多数潜在的因素是由于糟糕的施工质量。
由于不正确的控制及施工缝设置，地坪在铺设数日内就会发生干缩裂缝。
例如，常用的节头构造要求施工缝处钢筋网的每根钢筋都被剪断，如果不切断钢筋，这个节头就不起作用。
然而这是通常被忽视的，如果地坪在施工缝处不非常弱，不足以诱发裂缝在那里发生，那么地坪将在其他地方开裂。
由沉降诱发的大多数地坪开裂的原因在于不正确的地基处理。
其他一些裂缝的根源可以追溯到地坪混凝土养护不足。
地坪边缘的翘曲通常源于不正确的构造处理及施工缝设置。
例如，众所周知的塞石缝要比插筋缝更容易翘曲。
地坪下使用止水带而无沙垫层也与地坪翘曲有关。
地坪开裂或翘曲后怎么办?
修补方法视情况而定：
从忽略较小的开裂翘曲到用树脂填充裂缝，乃至对于关键地坪进行全部翻新。
墙体插筋不当或缺少
从基础墙伸入地坪的插筋有很多作用。
最通常的作用是插筋可以帮助地坪跨过墙边夯实较差的土壤区，同时为墙体顶部提供一个侧向支撑。
这些插筋应该在现场弯成，因为插筋伸出墙面后无法将下层土夯实。
遗憾的是，无论设计图纸上画了什么，所提供的插筋都是预先弯好的，然后在现场又弯回去；
或者插筋完全被忽视而未留出，要求以后钻孔、浇入；
或者插筋太短根本不能用。
由于插筋数量的出入，不正确的插筋布置可能成为基础承包商与业主之间产生磨擦的最主要的根源。
2上部金属结构的问题
柱底板下的缝隙
在传统建筑中，柱底板通常支承在找平钢板上或安放在找平的螺母之上。
非常大的柱底板可安装在灌浆层上，与柱分开，然后再与柱焊接在一起。
任何一种情况下，其目的都是为了确保将柱底板完全文承在找平钢板上。
在预设计金属建筑中，通常不使用找平底板及二次灌浆。
MBMA手册的《常用工业实践》中特别将"
柱底板下的找平"
排除在安装队的工作范围之外。
而土建承包商也许早在找平需要之前已经离开。
那么谁来做这事?
毫不奇怪，预制金属建筑的钢柱必须调整垂直度至满足MBMA规定的允许偏差，它们大部分时间被直接支承于顶部不完全水平的混凝土桩或基础墙之顶部。
其结果是柱底板仅有一个边支承在混凝土上，而其余部分的下面存在小缝隙。
如果这条缝隙不用砂浆灌注或用垫板塞满，混凝土可能开裂，或者柱底板可能在荷载作用下稍稍变形和沉降，造成柱底板与地脚螺母之间的缝隙。
支承吊车的柱底板，由于稳定性及安装精确的要求，必须用砂浆找平。
如果有必要，甚至应由业主人员完成。
交叉斜撑松弛
经常看到安装在金属建筑屋面和墙面的圆钢或钢绞线斜撑松弛、弯曲甚至缺少。
这样的斜撑无法满足房屋的稳定性要求，无法确保房屋在外部荷载作用下不产生过大变形。
在斜撑被张紧到足以发挥作用之前，结构变形的积累可能导致采光板、窗、门立樘开裂，以及由结构支承的设备不能操作--尤其是层间侧移过大。
过分的变形也造成脆性墙面粉饰损坏，并导致明显的开裂及振动。
幸运的是，这种常见的安装缺陷是容易发现并改正的。
隅撑的缺少或安装不当
柱和斜梁内翼缘的隅撑（位置由设计决定）同样十分重要。
还有，这
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