鋼結構入門知識及實用技巧

鋼結構設計實用技巧門式鋼架一般多采用變截面構件，當有吊車時，柱子多釆用等截面構件。常用的柱子截面高度一般為300-700mm.截面定義考慮的原則：1翼緣必須滿足寬厚比要求，腹板必須滿足高厚比要求。對于腹板當不滿足要求時，程序會考慮屈曲強度計算。所以說，截面翼緣滿足寬厚比，顯得很重要。2選擇截面還要考慮節(jié)點螺栓的布置的實際情況，滿足規(guī)范對于螺栓換的容許距3對于腹板截面的考慮往往是制作問題，以及和翼緣截面厚度的協(xié)調問題。腹板的厚度一般比翼緣板的消協(xié)為宜，其高厚比用到150左右比較合適，這樣，制作中的變化也比較小，構件厚度不宜低于6mm厚，否則易焊穿。4常用的門市剛接翼緣板截面一般為180*8,180*10,200*8,200*10,220*10,220*12,240*10,240*12,250*10,250*12,260*12,260*14,270*12,280*12,300*12,320*12等。5常用到的腹板截面一般為6mm和8mm厚。對于6mm的其高度范圍一般為300-750mm,最大可到900;對于8mm片的腹板i島度范用一般為300-900mm,最大可到1200mmo梁柱尺寸與跨度有關，主梁H=1/12?1/16跨度 ,B=l/2?1/3H;次梁H=1/12跨度，B=l/2?1/3H;柱B=l/15跨度，H=1?1.5B;柱按照受圧計算。梁受彎構件計算。標條按照簡支梁驗算。系桿受長細比控制。鋼結構主要可以從門式鋼架學起。比較典型也容易懂。鋼結構入門：鋼結構入門教程鋼結構設計簡單步驟和設計思路(-)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、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結構。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。這是和鋼結構自身的特點相一致的。結構選型與結構布置此處僅簡單介紹.詳請參考相關專業(yè)書籍?山于結構選型涉及廣泛,做結構選型及布置應該在經(jīng)驗豐富的工程師指導下進行。在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是”概念設計蔦它在結構選型與布置階段尤其重要.對一些難以作岀精確理性分析或規(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(jīng)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措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、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)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。[20]鋼結構通常有框架、平面（木行）架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。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，應考慮它們不同的特點。在輕鋼丄業(yè)廠房中，半有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而釆用網(wǎng)架。基本雪壓大的地區(qū)，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線50度內需考慮雪載），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼?？傃┹d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。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，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?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構體系。我國半數(shù)以上的此類高層為前者。對抗震不利。[19]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?其形心要盡量幕近側向力（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.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1/20-1/50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)定的復雜訃算，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。柱截面按長細比預估.通常50<A<150,簡單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受丿「雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等.初學者需注意，對應不同的結構，規(guī)范中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(jīng)濟美觀的截面。（四） 結構分析口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-6.新近的一些有限元軟件可以部分考慮兒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，評佔各向周期、總剪力、變形特征等。根據(jù)“匸程判定“選擇修改模型重新分析胚是修正計算結果.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，為了獲得實用的設訃方法，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.鋼結構設讓中「適用條件、概念及構造”是比定量計算更重要的內容.工程師們不應該過分信任與依賴結構軟件?美國一位學者曾警告說：“誤用計算機造成結構破壞而引起災難只是一個時間的問題注重概念設計和工程判定是避免這種工程災難的方法.（六） 構件設計構件的設計首先是材料的選擇?比較常用的是Q235（類似A3）和0345（類似16Mn）.通常主結構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?半強度起控制作用時,可選擇0345;穩(wěn)定控制時，宜使用Q235.構件設汁中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面?這和結構內力計算的彈性方法并不匹配?申前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。山于程序技術的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構件，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。它減少了結構師的很多工作量。但是，初學鋼至少應注意兩點：?軟件在做構件（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?LI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，結構師應該逐個檢查.2為上面第（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?常常出現(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,這必須避免.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棋大?比如，有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒有問題，但會產(chǎn)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訃算數(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：?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0235,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.?栓接：釧接形式，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10.9s兩個強度等級?根據(jù)受力特點分承汗型和摩擦型?兩者計算方法不同.高強螺栓最小規(guī)格M12?常用M16-M30.超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，設計中應慎重使用。自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接.國外在低層墻板式住宅中，也常用于主結構的連接.3?連接板：可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm.然后驗算凈截面抗剪等.4?梁腹板：應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪?承爪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)場焊接等的施匚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，還應盡可能使丄人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。?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)點的相貫線的切口需要數(shù)控機床等設備才能完成.（八） 圖紙編制鋼結構設計岀圖分設計圖和施匸詳圖兩階段，設計圖為設計單位提供，施Li詳圖通常山鋼結構制造公司根據(jù)設計圖編制，有時也會山設計單位代為編制。山于近年鋼結構項U增多和設計院鋼結構丄程師缺乏的矛盾，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、焊縫質量檢驗的等級、涂裝及運輸?shù)?、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:乂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?設計圖及施丄詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制，U前比較混亂，各個設計單位之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。初學者可參考他人的優(yōu)秀設計并參考相關的工具書[3],并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。鋼結構設計常用規(guī)范(-)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》(CECS102:98)《網(wǎng)架結構設計與施工規(guī)定》(JGJ7-91)《壓型鋼板拱殼結構技術規(guī)程》組合結構規(guī)范《鋼?混凝土組合結構設計規(guī)程》(DL/T5085」999)國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會《鋼骨混凝土結構設計規(guī)程》(YB9082-97)冶金工業(yè)部《鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程》(CECS28：90)中國工程建設標準化協(xié)會其他規(guī)范《上海地方標準輕型鋼結構設計規(guī)程》(DBJ08-68-97)《上海地方標準高層鋼結構設計暫行規(guī)定》(DBJ08-3Z92)《上海地方標準建筑鋼結構防火技術規(guī)程》(DG/TJ08-008-2000)鋼結構設計常用專業(yè)圖集、書籍及雜志圖集輕型扁結構廠房門式剛架(2000浙G26)已獲批準使用。主編單位:機械工業(yè)部笫二設計研究院協(xié)編單位:杭州大地網(wǎng)架制造有限公新型屋面梯形鋼屋架(01SG515)試用圖北京交通大學勘察設計研究院已獲批準使用。3?門式剛架鋼結構體系(一)[01SG518(-)]該圖集為門式剛架鋼結構體系的第一分冊…單跨無吊車門式剛架，適用于單層廠房、展覽廳、倉庫、體育建筑等。其包括的門式剛架的跨度為：12m.15m、18m.21m、24m、27m、30m、33m、33m.36m,共十種；根據(jù)不同的跨度選用了不同的柱距、肩高和坡度，其中柱距為：6m、7.5m編制單位:中國建筑標準設訃研究所編制日期：2000(編制中)4.高層民用建筑鋼結構構造體系(01SG519)編制單位:中國建筑標準設計研究所編制日期:2000(編制中)工具書1?羅邦富，魏明鐘,沈祖炎，陳明輝?鋼結構設計手冊（第二版）沖國建筑工業(yè)出版社,1989有傳統(tǒng)鋼結構方面的豐富資料.另有同名上下冊較新版本.李和華?鋼結構連接節(jié)點設計手冊?中國建筑工業(yè)出版社,1992有平面屋蓋、網(wǎng)架和多高層等的鋼結構節(jié)點的詳細設訃內容。非常實用的一本工具書.?喻立安，陶龍孫等?建筑結構設計施工圖集…鋼結構?中國建筑工業(yè)岀版社,1995該書主要面向初學者，包含多個實例圖.有建筑鋼結構設計圖和施工詳圖編制方法。是對國家制圖規(guī)范的補充。?建筑構造資料集（下冊）?中國建筑工業(yè)岀版社,1990雖然是一本出版比較早的書，但其中的很多資料仍很寶貴。5?汪一駿?輕型鋼結構設計指南（實例與圖集）?中國建筑