鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)分析

1、項(xiàng)技術(shù)報(bào)告報(bào)告名稱(chēng)：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)評(píng)析姓 名：劉永平工作單位：安徽寶業(yè)住宅產(chǎn)業(yè)化有限公司（蓋章）日 期：2008年5月23日鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)評(píng)析一 判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu) 鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車(chē)起重量大、有較大振動(dòng)、高溫 車(chē)間、密封性要求高、要求能活動(dòng)或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說(shuō)：大廈、體育館、歌劇 院、大橋、電視塔、倉(cāng)棚、工廠、住宅和臨時(shí)建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相一致 的。二 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置此處僅簡(jiǎn)單介紹 . 詳請(qǐng)參考相關(guān)專(zhuān)業(yè)書(shū)籍 . 由于結(jié)構(gòu)選型涉及廣泛 ,做結(jié)構(gòu)選型及 布置應(yīng)該在經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師指導(dǎo)下進(jìn)行。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是 &qu

2、ot;概念設(shè)計(jì)", 它在結(jié)構(gòu)選型與布置階 段尤其重要 . 對(duì)一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問(wèn)題， 可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體 系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想， 從全局的角度來(lái)確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。 運(yùn)用概念設(shè)計(jì)可以在早期迅速、有 效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可 避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。同時(shí)，它也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)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(jié)構(gòu)概念和體系 一書(shū)中介紹了用整體概念來(lái)規(guī)劃結(jié)構(gòu)方案的方法， 以及結(jié)構(gòu)總體系和個(gè)分體系間的相互力學(xué)關(guān)系和簡(jiǎn)化近似設(shè)計(jì)方法

3、。 20鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面 （ 木行）架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。 其理論與技術(shù)大都成熟。 亦有部分難題沒(méi)有解決 , 或沒(méi)有簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)方法， 比如網(wǎng)殼 的穩(wěn)定等。結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)考慮它們不同的特點(diǎn)。在輕鋼工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷 載或移動(dòng)荷載，就可考慮放棄門(mén)式剛架而采用網(wǎng)架?；狙捍蟮牡貐^(qū)，屋面曲線應(yīng)有 利于積雪滑落（切線 50 度內(nèi)需考慮雪載 ），如亞?wèn)|水泥廠石灰石倉(cāng)棚采用三心圓網(wǎng)殼。 總雪載釋放近一半。降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時(shí)，在框架中布置支撐會(huì)比簡(jiǎn) 單的節(jié)點(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構(gòu)件受拉 為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)體系。

4、高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，在地震烈 度高或很不規(guī)則的高層中，不應(yīng)單純?yōu)榱私?jīng)濟(jì)去選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(jié)構(gòu)體系。我國(guó)半數(shù)以上的此類(lèi)高層為前者。 對(duì)抗震不利。結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征 ,荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮 . 一般的說(shuō)要?jiǎng)偠染鶆?力學(xué)模型清晰 . 盡可能限制大荷載或移動(dòng)荷載的影響范圍 ,使其以最直接的線路傳遞到基 礎(chǔ). 柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻 . 其形心要盡量靠近側(cè)向力 （風(fēng)震）的作用線 . 否則應(yīng) 考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn) . 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線 . 比如有支撐框架結(jié)構(gòu) , 柱子至少應(yīng)能單 獨(dú)承受 1/4 的總水平力 .框

5、架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置 , 有時(shí)可以調(diào)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(huì)使主梁截面加大， 減少了樓層凈高 , 頂層邊 柱也有時(shí)會(huì)吃不消，此時(shí)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(yù)估截面 結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對(duì)構(gòu)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(cè)向支撐的間距按 l/b 限值確定時(shí)， 可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)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

6、度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估柱截面按長(zhǎng)細(xì)比預(yù)估通常50入150,簡(jiǎn)單選擇值在100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.初學(xué)者需注意，對(duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，規(guī)范中對(duì)截面的構(gòu)造要求有很大的不同。如鋼結(jié)構(gòu)所特有的組成構(gòu)件的板件的局部穩(wěn)定問(wèn)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(gòu)件截面形式的選擇沒(méi)有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力 情況，合理的選擇安全經(jīng)濟(jì)美觀的截面。四 結(jié)構(gòu)分析目前鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析，條件允許時(shí)考慮P- ,p-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(jié)構(gòu)

7、提供了條件。 并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件 : 典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊(cè)之類(lèi) 的工具書(shū)直接獲得內(nèi)力和變形 . 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)通過(guò)手算進(jìn)行分析 . 復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行 程序并做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析 .五 工程判定要正確使用結(jié)構(gòu)軟件，還應(yīng)對(duì)其輸出結(jié)果的做 "工程判定 "。比如，評(píng)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(jì)算結(jié) 果.不同的軟件會(huì)有不同的適用條件 . 初學(xué)者應(yīng)充分明了 . 此外,工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算和精 確的力學(xué)計(jì)算本身常有一定距離 , 為了獲得實(shí)用的設(shè)計(jì)方法 , 有時(shí)會(huì)用誤差較大的假 定, 但對(duì)這種誤差 , 會(huì)通過(guò)

8、"適用條件、 概念及構(gòu)造 "的方式來(lái)保證結(jié)構(gòu)的安全 . 鋼結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)中 ," 適用條件、概念及構(gòu)造 " 是比定量計(jì)算更重要的內(nèi)容 .工程師們不應(yīng)該過(guò)分信任與依賴(lài)結(jié)構(gòu)軟件 . 美國(guó)一位學(xué)者曾警告說(shuō)： “誤用計(jì)算機(jī)造工程災(zāi)難的方法 .六 構(gòu)件設(shè)計(jì)構(gòu)件的設(shè)計(jì)首先是材料的選擇比較常用的是Q235類(lèi)似A3)和Q345類(lèi)似16Mn). 通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理 . 經(jīng)濟(jì)考慮, 也可以選擇不同強(qiáng)度鋼 材的組合截面 . 當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時(shí) ,可選擇 Q345; 穩(wěn)定控制時(shí) ,宜使用 Q235. 構(gòu)件 設(shè)計(jì)中,現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來(lái)驗(yàn)算截面 . 這和結(jié)

9、構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的彈可以將驗(yàn)算 時(shí)不通過(guò)的構(gòu)件，從給定的截面庫(kù)里選擇加大一級(jí) . 并自動(dòng)重新分析驗(yàn)算，直至通過(guò)，如 sap2000 等。這是常說(shuō)的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。 但 是，初學(xué)鋼至少應(yīng)注意兩點(diǎn)：1. 軟件在做構(gòu)件 ( 主要是柱)的截面驗(yàn)算時(shí) ,計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的取性方法并不匹配 .當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件 , 都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步 ,一些軟件定 有時(shí)會(huì)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(gè)問(wèn)題。所以 , 尤其對(duì)于節(jié) 點(diǎn)連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件 , 結(jié)構(gòu)師應(yīng)該逐個(gè)檢查 .2. 當(dāng)上面第 ( 三) 條中預(yù)估的截面不滿足時(shí)， 加大截面應(yīng)該分兩

10、種情況區(qū)別對(duì)待。(1) 強(qiáng)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(yīng)加大板件厚度，而應(yīng)考慮加大截面的高度，否則，會(huì)很不 經(jīng)濟(jì)。使用軟件的前述自動(dòng)加大截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，很難考慮上述強(qiáng)度與剛度的區(qū)分， 實(shí)際上，常常并不合適。七 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一 . 在結(jié)構(gòu)分析前 , 就應(yīng)該對(duì)節(jié)點(diǎn)的形 式有充分思考與確定 . 常常出現(xiàn)的一種情況是 , 最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的 形式不完全一致 ,這必須避免 . 按傳力特性不同 ,節(jié)點(diǎn)分剛接 ,鉸接和半剛接 . 初學(xué)者 宜選擇可以簡(jiǎn)單定量

11、分析的前兩者 .常用的參考書(shū) 2 有豐富的推薦的節(jié)點(diǎn)做法及計(jì)算公 式.連接的不同對(duì)結(jié)構(gòu)影響甚大 . 比如, 有的剛接節(jié)點(diǎn)雖然承受彎矩沒(méi)有問(wèn)題 ,但會(huì)產(chǎn)生較 大轉(zhuǎn)動(dòng) , 不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定 . 會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工程變形大于計(jì)算數(shù)據(jù)等的不利結(jié) 果.連接節(jié)點(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計(jì)和實(shí)際受力設(shè)計(jì)兩種常用的方法 , 初學(xué)者可偏安全選用前者 . 設(shè)計(jì)手冊(cè)2 中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)計(jì)者查用 ,比較方便. 也可以使用 結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來(lái)自動(dòng)完成 .具體設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容 :1. 焊接: 對(duì)焊接焊縫的尺寸及形式等 ,規(guī)范有強(qiáng)制規(guī)定 ,應(yīng)嚴(yán)格遵守 . 焊條的選用 應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng).E43對(duì)應(yīng)Q235,E

12、50對(duì)應(yīng)Q345. Q235與Q345連接時(shí),應(yīng)該選 擇低強(qiáng)度的E43,而不是E50.焊接設(shè)計(jì)中不得任意加大焊縫 . 焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近 . 其他詳 細(xì)內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定 .2. 栓接 : 鉚接形式 , 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(jié)構(gòu)部位使用 . 高強(qiáng)螺栓 , 使用日益廣泛 . 常用 8.8s 和 10.9s 兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí) . 根據(jù)受力 特點(diǎn)分承壓型和摩擦型 . 兩者計(jì)算方法不同 . 高強(qiáng)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 , 設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重使用。 自攻螺絲用于板材與薄壁型 鋼間的次要連

13、接 . 國(guó)外在低層墻板式住宅中 , 也常用于主結(jié)構(gòu)的連接 .3. 連接板 : 可簡(jiǎn)單取其厚度為梁腹板厚度加 4mm. 然后驗(yàn)算凈截面抗剪等.4. 梁腹板 : 應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪 . 承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局 部承壓.5. 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場(chǎng)焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運(yùn) 到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法安裝是初學(xué)者長(zhǎng)犯的錯(cuò)誤。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位 與臨時(shí)固定。6. 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平 . 比如鋼管連接節(jié)點(diǎn)的相貫線的切口需要 數(shù)控機(jī)床等設(shè)備才能完成 .八 圖紙編制 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出圖分設(shè)計(jì)圖和施工詳圖兩階段，設(shè)計(jì)圖為設(shè)計(jì)單位提供，施工詳圖通 常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)設(shè)計(jì)圖編制，有時(shí)也會(huì)由設(shè)計(jì)單位代為編制。由于近年鋼結(jié)構(gòu) 項(xiàng)目增多和設(shè)計(jì)院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾，有設(shè)計(jì)能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參與設(shè)計(jì)圖編制 的情況也很普遍。1. 設(shè)計(jì)圖: 是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù) . 深度及內(nèi)容應(yīng)完整但不冗 余. 在設(shè)計(jì)圖中 , 對(duì)于設(shè)計(jì)依據(jù)、荷載資料（包括地震作用）、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及 材質(zhì)要求、設(shè)計(jì)要求（包括制造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)的等級(jí)、涂裝及運(yùn)輸?shù)龋?、結(jié)構(gòu) 布置、構(gòu)件截面選用以及