钢结构设计要点.docx

钢结构设计要点.docx

《钢结构设计要点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢结构设计要点.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

钢结构设计要点

钢结构设计要点

钢结构设计简单步骤和设计思路

（一）判断结构是否适合用钢结构

　　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。

直观的说：

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。

（二）结构选型与结构布置

　　此处仅简单介绍。

详请参考相关专业书籍。

由于结构选型涉及广泛,做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指导下进行。

　　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。

　　林同炎教授在《结构概念和体系》一书中介绍了用整体概念来规划结构方案的方法，以及结构总体系和个分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。

钢结构通常有框架、平面（木行）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。

[19]

　　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，初学钢至少应注意两点：

　　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，