鋼結(jié)構(gòu)設計簡單步驟和設計思路精

鋼結(jié)構(gòu)設計

簡單步驟和設計思路

(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、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點相一致的(二)結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置在鋼結(jié)構(gòu)設計的整個過程中都應該被強調(diào)的是"概念設計",它在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構(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算。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面(桁)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(jié)構(gòu)選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業(yè)廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。基本雪壓大的地區(qū)，屋面曲線應有利于積雪滑落采用圓網(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，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(jīng)濟性。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。高層鋼結(jié)構(gòu)設計中，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，不應單純?yōu)榱私?jīng)濟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。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(cè)支撐的分布應均勻.其形心要盡量靠近側(cè)向力(風震)的作用線.否則應考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn).結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應有多道防線.比如有支撐框架結(jié)構(gòu),柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力.

框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置,有時可以調(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(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對構(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1/20~1/50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，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(gòu)造規(guī)定預估。柱截面按長細比預估.通常50<λ<150,簡單選擇值在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(四)結(jié)構(gòu)分析目前鋼結(jié)構(gòu)實際設計中,結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析,條件允許時考慮P-Δ,p-δ.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)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)可查力學手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形.簡單結(jié)構(gòu)通過手算進行分析.復雜結(jié)構(gòu)才需要建模運行程序并做詳細的結(jié)構(gòu)分析.(五)工程判定要正確使用結(jié)構(gòu)軟件，還應對其輸出結(jié)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(jié)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(gòu)造"的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全.鋼結(jié)構(gòu)設計中,"適用條件、概念及構(gòu)造"是比定量計算更重要的內(nèi)容.(六)構(gòu)件設計構(gòu)件的設計首先是材料的選擇.比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn).通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理.經(jīng)濟考慮,也可以選擇不同強度鋼材的組合截面.當強度起控制作用時,可選擇Q345;穩(wěn)定控制時,宜使用Q235.構(gòu)件設計中,現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面.這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配.當前的結(jié)構(gòu)軟件,都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進步,一些軟件可以將驗算時不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級.并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。但是，初學鋼至少應注意兩點：1.軟件在做構(gòu)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(gòu)件,結(jié)構(gòu)師應該逐個檢查.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(jīng)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，常常并不合適。(七)節(jié)點設計連接節(jié)點的設設計是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)設計中重要要的內(nèi)容之一一.在結(jié)構(gòu)分析前前,就應該對節(jié)點點的形式有充充分思考與確確定.常常出現(xiàn)的一一種情況是,最終設計的節(jié)節(jié)點與結(jié)構(gòu)分分析模型中使使用的形式不不完全一致,這必須避免.按傳力特性不不同,節(jié)點分剛接,鉸接和半剛接接.初學者宜選擇擇可以簡單定定量分析的前前兩者.常用的參考書書[2]有豐富的推薦薦的節(jié)點做法法及計算公式式.連接的不同對對結(jié)構(gòu)影響甚甚大.比如,有的剛接節(jié)點點雖然承受彎彎矩沒有問題題,但會產(chǎn)生較大大轉(zhuǎn)動,不符合結(jié)構(gòu)分分析中的假定定.會導致實際工工程變形大于于計算數(shù)據(jù)等等的不利結(jié)果果.連接節(jié)點有等等強設計和實實際受力設計計兩種常用的的方法,初學者可偏安安全選用前者者.設計手冊中通通常有焊縫及及螺栓連接的的表格等供設設計者查用,比較方便.也可以使用結(jié)結(jié)構(gòu)軟件的后后處理部分來來自動完成.具體設計主要要包括以下內(nèi)內(nèi)容:1.焊接:對焊接焊縫的的尺寸及形式式等,規(guī)范有強制規(guī)規(guī)定,應嚴格遵守.焊條的選用應應和被連接金金屬材質(zhì)適應應.E43對應應Q235,E50對應應Q345.Q235與Q345連接接時時,應該該選選擇擇低低強強度度的的E43,而不不是是E50.焊接接設設計計中中不不得得任任意意加加大大焊焊縫縫.焊縫縫的的重重心心應應盡盡量量與與被被連連接接構(gòu)構(gòu)件件重重心心接接近近.其他他詳詳細細內(nèi)內(nèi)容容可可查查規(guī)規(guī)范范關關于于焊焊縫縫構(gòu)構(gòu)造造方方面面的的規(guī)規(guī)定定.2.栓接接:鉚接接形形式式,在建建筑筑工工程程中中，，現(xiàn)現(xiàn)已已很很少少采采用用.普通通螺螺栓栓抗抗剪剪性性能能差差,可在在次次要要結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)部部位位使使用用.高強強螺螺栓栓,使用用日日益益廣廣泛泛.常用用8.8s和10.9s兩個個強強度度等等級級.根據(jù)據(jù)受受力力特特點點分分承承壓壓型型和和摩摩擦擦型型.兩者者計計算算方方法法不不同同.高強強螺螺栓栓最最小小規(guī)規(guī)格格M12.常用用M16~M30.超大規(guī)格格的螺栓栓性能不不穩(wěn)定,設計中應應慎重使使用。自攻螺絲絲用于板板材與薄薄壁型鋼鋼間的次次要連接接.國外在低層層墻板式住住宅中,也常用于主主結(jié)構(gòu)的連連接.3.連接板:可簡單取其其厚度為梁梁腹板厚度度加4mm.然后驗算凈凈截面抗剪剪等.