钢结构设计简单步骤和设计思路.doc

钢结构设计简单步骤和设计思路摘要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关键词钢结构设计步骤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之间选择翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按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简单选择值在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类似和类似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稳定控制时宜使用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对应对应与连接时应该选择低强度的而不是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和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常用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连接板可简单取其厚度为梁腹板厚度加然后验算净截面抗剪等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