鋼結構設計簡單步驟和設計思路

1、鋼結構設計簡單步驟和設計思路本人所學專業(yè)是鋼筋混凝土結構，但為了適應市場需求，平時也做一些簡單的鋼結構，萬事開頭難，記得剛開始做鋼結構設計時，經常覺得無從下手，曾今看過一篇文章一一鋼結構設計簡單步驟和設計思路，覺得受益匪淺，現(xiàn)發(fā)上來跟大家共享。鋼結構設計簡單步驟和設計思路（一）判斷結構是否適合用鋼結構鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、要求能活動或經常裝拆的結構。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、雕塑、倉棚、工廠、住宅、山地建筑和臨時建筑等。這是和鋼結構自身的特點相一致的。（二）結構選型與結構布置結構選型及布置是對結構的定性，由于其涉及廣泛，應該在

2、經驗豐富的工程師指導下進行。此處僅簡單介紹.詳請參考相關專業(yè)書籍.在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是"概念設計"，它在結構選型與布置階段尤其重要.對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部構造措施。在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇，所得結構方案往往易于手算、力學行為清晰、定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。林同炎教授在結構概念和體系一書中介紹了用整體概念來規(guī)

3、劃結構方案的方法，以及結構總體系和個分體系間的相互力學關系和簡化近似設計方法。鋼結構通常有框架、平面桁架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構形式。其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決，或沒有簡單實用的設計方法，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。結構選型時，應考慮不同結構形式的特點。在工業(yè)廠房中，當有較大懸掛荷載或大范圍移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架?；狙捍蟮牡貐^(qū)，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線50度外不需考慮雪載），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼，總雪載和坡屋面相比釋放近一半。降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節(jié)點剛接的框架有更好的經濟性。而屋面覆蓋跨度較

4、大的建筑中，可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體系。高層鋼結構設計中，常采用鋼混凝土組合結構，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應單純?yōu)榱私洕ミx擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結構體系。我國半數(shù)以上的此類高層為前者，對抗震不利。結構的布置要根據(jù)體系特征，荷載分布情況及性質等綜合考慮.一般的說要剛度均勻.力學模型清晰.盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎.柱間抗側支撐的分布應均勻.其形心要盡量靠近側向力（風、震）的作用線.否則應考慮結構的扭轉.結構的抗側應有多道防線.比如有支撐框架結構，柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力.

5、框架結構的樓層平面次梁的布置，有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也有時會吃不消，此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子（三）預估截面結構布置結束后，需對構件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/201/50之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構造規(guī)定預估。

6、柱截面按長細比預估.通常50入150,簡單選擇值在80附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等.對應不同的結構，規(guī)范對截面的構造要求有很大的不同，如鋼結構所特有的組成構件的板件的局部穩(wěn)定問題，在普鋼規(guī)范和輕鋼規(guī)范中的限值有很大的區(qū)別。除此之外，構件截面形式的選擇沒有固定的要求，結構工程師應該根據(jù)構件的受力情況，合理的選擇安全經濟美觀的截面。（四）結構分析目前鋼結構實際設計中，結構分析通常為線彈性分析，條件允許時考慮P-A,p-S.新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能.這為更精確的分析結構提供了條件。并不是所有的結構都需要使用軟件：典型結構可查

7、力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形簡單結構通過手算進行分析.復雜結構才需要建模運行程序并做詳細的結構分析（五）工程判定要正確使用結構軟件，還應對其輸出結果的做"工程判定"。比如，評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據(jù)"工程判定"選擇修改模型重新分析，還是修正計算結果.不同的軟件會有不同的適用條件.初學者應充分明了.此外，工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離，為了獲得實用的設計方法，有時會用誤差較大的假定，但對這種誤差，會通過"適用條件、概念及構造”的方式來保證結構的安全.鋼結構設計中,"適用條件、概念及構造"

8、是比定量計算更重要的內容.工程師們過分信任與依賴結構軟件有可能帶來結構災難，注重概念設計、工程判定和構造措施有助于避免這種災難.（六）構件設計構件設計首先是材料的選擇.比較常用的是Q235和Q345.當強度起控制作用時，可選才iQ345;穩(wěn)定控制時，宜使用Q235.通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理.經濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的焊接組合截面（翼緣Q345,腹板Q235）.另外，焊接結構宜選擇Q235B或Q345B。當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。部分軟件可以將不通過的構件，從給定的截面庫里選擇加大一級自動重新驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一

9、，它減少了很多工作量。但是，我們至少應注意兩點：1 .軟件在彳構件（主要是柱）的截面驗算時，計算長度系數(shù)的取定有時會不符合規(guī)范的規(guī)定.目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以，尤其對于節(jié)點連接情況復雜或變截面的構件，我們應該逐個檢查.2 .當上面第（三）條中預估的截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區(qū)別對待。（1）強度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度。（2）變形超限，通常不應加大板件厚度而應考慮加大截面的高度，否則會很不經濟。使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設計功能，很難考慮上述強度與剛度的區(qū)分，實際上，除常用于網(wǎng)架設計外，其他結構形式

10、常常并不合適。（七）節(jié)點設計連接節(jié)點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一.在結構分析前，就應該對節(jié)點的形式有充分思考與確定.有時出現(xiàn)的一種情況是，最終設計的節(jié)點與結構分析模型中使用的形式不完全一致，如果你不能確信這種不一致帶來的偏差差在工程許可范圍內（5%）,就必須避免。按傳力特性不同，節(jié)點分剛接，較接和半剛接.初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者.常用的參考書2有豐富的推薦的節(jié)點做法及計算公式.連接的不同對結構影響甚大.比如，有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒有問題，但會產生較大轉動，不符合結構分析中的假定.會導致實際工程變形大于計算數(shù)據(jù)等的不利結果連接節(jié)點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法，初學

11、者可偏安全選用前者.設計手冊2中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者查用，比較方便.也可以使用結構軟件的后處理部分來自動完成.具體設計主要包括以下內容：1 .焊接：對焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)范有強制規(guī)定，應嚴格遵守.焊條的選用應和被連接金屬材質適應.E43對應Q235,E50對應Q345.Q235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43,而不是E50.焊接設計中不得任意加大焊縫.焊縫的重心應盡量與被連接構件重心接近.其他詳細內容可查規(guī)范關于焊縫構造方面的規(guī)定.2 .栓接：挪接形式，在建筑工程中，現(xiàn)已很少采用.普通螺栓抗剪性能差，可在次要結構部位使用.高強螺栓，使用日益廣泛.常用8.8s和10

12、.9s兩個強度等級.根據(jù)受力特點分承壓型和摩擦型.兩者計算方法不同.高強螺栓最小規(guī)格M12.常用M16M30.超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，應慎重使用。自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接.在低層墻板式住宅中也常用于主結構的連接.難以解決的是自攻過程中防腐層的破壞問題。3 .連接板：需驗算栓孔削弱處的凈截面抗剪等.連接板厚度可簡單取為梁腹板厚度加4mm,則除短梁或有較大集中荷載的梁外，常不需驗算抗剪。4 .梁腹板：應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪.承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓.5 .節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現(xiàn)場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外

13、，還應盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。6 .節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平.比如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口可能需要數(shù)控機床等設備才能完成.（八）圖紙編制鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖由設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據(jù)設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的矛盾，有設計能力的鋼結構公司參與設計圖編制的情況也很普遍。1 .設計圖：是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù).深度及內容應完整但不冗余.在設計圖中，對于設計依據(jù)、荷載資料（包括地震作用）、技術數(shù)據(jù)、材料選用及材質要求、設計要求（包括制造和安裝、焊縫質量檢驗的

14、等級、涂裝及運輸?shù)龋?、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節(jié)點構造等均應表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現(xiàn)設計的意圖。主要材料應列表表示。2 .施工詳圖：又稱加工圖或放樣圖等.深度須能滿足車間直接制造加工.不完全相同的另構件單元須單獨繪制表達，并應附有詳盡的材料表設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設計單位初學者可參考他人的優(yōu)秀設計并參考相關的工具書之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。3,并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。概念設計的一個方面：當你在設計中，能夠把結構看作構件，把構件看作結構，你就已經走近概念設計了。把結構當作構件，比如，一棟大廈的結構就是一根懸臂梁，

15、一座桁架大鐵橋就是一根連續(xù)梁。把構件看作結構，比如，一個H型鋼構件是由3塊板組成的結構，一個鋼管相貫的節(jié)點就是一一個空間結構。對構件特性的把握：比如，鋼管適合做二力(壓)桿，不適合做抗彎構件。它做兩端錢接柱或支撐很出色，但是很少用作梁。當一個受彎構件被選成鋼管截面，且程序計算不通過時，你不應通過加大截面來滿足，而是應該改用有強弱軸的截面。如此等等，是基本的概念。概念設計能力，不單生成于豐富的經歷與經驗，更是來源于對基本的力學、材料等概念掌握。同時要求結構師有開闊的視野。鋼結構設計常用規(guī)范(一)一般規(guī)范鋼結構設計規(guī)范(GBJ17-88)冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范(GBJ18-87)建筑鋼結構焊接規(guī)程(JGJ81-91)高強度螺栓設計、施工及驗收規(guī)程鋼結構加固技術規(guī)范(CECS77:96)中國工程建設標準化協(xié)會(二)專門規(guī)范高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程(JGJ99-98)高聳結構設計規(guī)范(GBJ135-90)門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程(CECS102:9