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1、钢结构设计步骤和设计思绪 摘要：钢结构设计简单步骤和设计思绪关键词：钢结构结 构设计步骤 （一）判别结构能否合适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 起分量大、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、住宅和暂时建筑等。这是和钢 结构本身的特点相分歧的。（二）结构选型与结构布置此处仅简单引见.详请参考相关专业书籍.由于结构选型 触及广泛,做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指点 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
2、理性分析或规范未规定的成绩，可根据从全体结构体系与 分体系之间的力学关系、毁坏机理、震害、实验景象和工程 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、概念明晰、1 .设计图：是提供制造厂编制施工详图的根据.深度及 内容应残缺但不冗余.在设计图中，对于设计根据、荷载材料 （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次要节点构造等 均应表示清楚，以利于施工详图的顺利编制，并能正确表现 设计的
3、意图。次要材料应列表表示。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.不完全相反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 尽相反。初学者可参考别人的优秀设计并参考相关的工具书 3,并根据规范规定编制。定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时, 它也是判别计算机内力分析输入数据可靠与否的次要根据。林同炎教授在结构概念和体系一书中引见了用全体 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 的互相力学关系和简化近似设计方法。20钢结构通常有框
4、架、立体（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。亦有部分难题没有处理,或没有 简单适用的设计方法，比如网壳的波动等。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。降雨量大的地区类似 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
5、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方式。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,荷载分布状况及性质等综 合考虑.普通的说要刚度均匀.力学模型明晰.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.否则应考虑结构的改变.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 的总程度力.框架结构的楼层立体次梁的布置,有时可以调整其荷载 传递方向以满足不同
6、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。次要是梁 柱和支撑等的断面外形与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载 与支座状况，其截面高度通常在跨度的1/201/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按1/b限值确定时，可回 避钢梁的全体波动的复杂计算，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波动的 构造规定预估。柱截面按长细比预估.通常50人150,简单选择值
7、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.初学者需留意，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 部波动成绩。在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。除此之外，构件截面方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状况，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践设计中,结构分析通常为线弹性分析,条 件允许时考虑P-A,p-8.早先的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材 的弹塑功能.这为更精确的分析结构提供了条件。并不是一切 的结构都需求运用软件：典型结构可查力学手册之类
8、的工具书直接获得内力和变形.简单结构经过手算进行分析.复杂结构才需求建模运转程序并做详细的结构分析.（五）工程断定要正确运用结构软件，还应对其输入结果的做工程断 定。比如，评价各向周期、总剪力、变形特征等。根据 工程断定选择修正模型重新分析,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.止匕 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， 为了获得适用的设计方法，有时会用误差较大的假定，但对这 种误差，会经过适用条件、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
9、曾警告说：“误用计算机形成结构毁坏而惹起灾难只是一个 工夫的成绩。”注重概念设计和工程断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）.通常主结构运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 强度起控制造用时,可选择Q345;波动控制时,宜运用Q235.构件设计中,现行规范运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婚配.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经过的构件，从给定 的截面库里选择加大一级.并自动重
10、新分析验算，直至经过， 如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少 了却构师的很多工作量。但是，初学钢至少应留意两点：1 .软件在做构件（次要是柱）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.目前一切的程序都不能 完全处理这个成绩。所以,尤其对于节点连接状况复杂或变截 面的构件,结构师应该逐一检查.2 .当下面第（三）条中预估的截面不满足时，加大截面应该分两种状况区别对待。(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。运用软件的前
11、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，实践上，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,就应该对节点的方式有充分考虑与确定.常常出现 的一种状况是,最终设计的节点与结构分析模型中运用的方 式不完全分歧,这必须避免.按传力特性不同,节点分刚接,较 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有丰富的引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 受弯矩没有成绩,但会产生较大转动，不符合结构分析中的假 定.会导致实践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践受力
12、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.也可以运用结构软件 的后处理部分来自动完成.具体设计次要包括以下内容：1 .焊接：对焊接焊缝的尺寸及方式等，规范有强迫规定， 应严厉恪守.焊条的选用应和被连接金属材质顺应.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.焊接设计中不得恣意加大焊缝.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：佛接方式，在建筑工程中，现已很少采用.普通螺栓抗剪功能差，可在次要结构部位运用.
13、高强螺栓,运用日益广泛.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M16M30.超大规格的螺栓功能不 波动,设计中应慎重运用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接.国内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4nmi.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。止匕外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与暂 时固定。6 .节点设计还应考虑制造厂的工艺程度.比如钢管连接 节点的相贯线的切口需求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，有设计才能的钢结 构公司参与设计图编制的状况也很普遍。