钢结构设计简单步骤和设计思路

钢结构设计简单单步骤和设设计思路本人所学专业是是是钢筋混混凝土土结构，但但为为了适应应市场场需求，平平时时也做一一些简简单的钢钢结构构，万事事开头头难，记记得刚刚开始做做钢结结构设计计时，经经常觉得得无从从下手，曾曾今今看过一一篇文文章——《钢结构构设设计简单单步骤骤和设计计思路路》，觉觉得受受益匪浅浅，现现发上来来跟大大家共享享。钢结构设计简单单单步骤和和设计计思路(一)))判断结构构是是否适合合用钢钢结构钢钢钢结构通通常用用于高层层、大大跨度、体体型型复杂、荷荷载载或吊车车起重重量大、有有较较大振动动、要要求能活活动或或经常装装拆的的结构。直直观观的说：：大厦厦、体育育馆、歌歌剧院、大大桥桥、电视视塔、雕雕塑、仓仓棚、工工厂、住住宅、山山地建筑筑和临临时建筑筑等。这这是和钢钢结构构自身的的特点点相一致致的。(二)))结构选型型与与结构布布置结结结构选型型及布布置是对对结构构的定性性，由由于其涉涉及广广泛,应该在经经验验丰富的的工程程师指导导下进进行。此此处仅仅简单介介绍.详请参考考相相关专业业书籍籍.在在在钢结构构设计计的整个个过程程中都应应该被被强调的的是"概念设计",它在结构构选选型与布布置阶阶段尤其其重要要.对一些难难以以作出精精确理理性分析析或规规范未规规定的的问题，可可依依据从整整体结结构体系系与分分体系之之间的的力学关关系、破破坏机理理、震震害、试试验现现象和工工程经经验所获获得的的设计思思想，从从全局的的角度度来确定定控制制结构的的布置置及细部部构造造措施。在早期迅迅速速、有效效地进进行构思思、比比较与选选择，所所得结构构方案案往往易易于手手算、力力学行行为清晰晰、定定性正确确，并并可避免免结构构分析阶阶段不不必要的的繁琐琐运算。同同时时，它也也是判判断计算算机内内力分析析输出出数据可可靠与与否的主主要依依据。林林林同炎教教授在在《结构构概念念和体系系》一一书中介介绍了了用整体体概念念来规划划结构构方案的的方法法，以及及结构构总体系系和个个分体系系间的的相互力力学关关系和简简化近近似设计计方法法。钢钢钢结构通通常有有框架、平平面面桁架、网网架架（壳）、索索膜、轻钢、塔塔桅等结构形形式。其其其理论与与技术术大都成成熟。亦亦有部分分难题题没有解解决,或没有简简单单实用的的设计计方法，比比如如网壳的的稳定定等。结结结构选型型时，应应考虑不不同结结构形式式的特特点。在在工业业厂房中中，当当有较大大悬挂挂荷载或或大范范围移动动荷载载，就可可考虑虑放弃门门式刚刚架而采采用网网架。基基本雪雪压大的的地区区，屋面面曲线线应有利利于积积雪滑落落（切切线50度外不需需考考虑雪载），如亚亚东东水泥厂厂石灰灰石仓棚棚采用用三心圆圆网壳壳，总雪雪载和和坡屋面面相比比释放近近一半半。降雨雨量大大的地区区相似似考虑。建建筑筑允许时时，在在框架中中布置置支撑会会比简简单的节节点刚刚接的框框架有有更好的的经济济性。而而屋面面覆盖跨跨度较较大的建建筑中中，可选选择构构件受拉拉为主主的悬索索或索索膜结构构体系系。高层层钢结结构设计计中，常常采用钢钢混凝凝土组合合结构构，在地地震烈烈度高或或很不不规则的的高层层中，不不应单单纯为了了经济济去选择择不利利抗震的的核心心筒加外外框的的形式。宜宜选选择周边边巨型型SRC柱，核心心为为支撑框框架的的结构体体系。我我国半数数以上上的此类类高层层为前者者，对对抗震不不利。结构构构的布置置要根根据体系系特征征,荷载分布布情情况及性性质等等综合考考虑.一般的说说要要刚度均均匀.力学模型型清清晰.尽可能限限制制大荷载载或移移动荷载载的影影响范围,使其以最最直直接的线线路传传递到基基础.柱间抗侧侧支支撑的分分布应应均匀.其形心要要尽尽量靠近近侧向向力(风、震)的作用线.否则应考考虑虑结构的的扭转转.结构的抗抗侧侧应有多多道防防线.比如有支支撑撑框架结结构,柱子至少少应应能单独独承受受1/4的总水平平力.框架架架结构的的楼层层平面次次梁的的布置,有时可以以调调整其荷荷载传传递方向向以满满足不同同的要要求。通通常为为了减小小截面面沿短向向布置置次梁，但但是是这会使使主梁梁截面加加大，减减少了楼楼层净净高,顶层边柱柱也也有时会会吃不不消，此此时把把次梁支支撑在在较短的的主梁梁上可以以牺牲牲次梁保保住主主梁和柱柱子.(三)))预估截面结构构构布置结结束后后，需对对构件件截面作作初步步估算。主主要要是梁柱柱和支支撑等的的断面面形状与与尺寸寸的假定定。钢钢钢梁可选选择槽槽钢、轧轧制或或焊接H型钢截面面等等。根据据荷载载与支座座情况况，其截截面高高度通常常在跨跨度的1/200~~1/550之间选择择。翼翼缘宽度度根据据梁间侧侧向支支撑的间间距按按l/b限值确定定时时，可回回避钢钢梁的整整体稳稳定的复复杂计计算，这这种方方法很受受欢迎迎。确定了截截面面高度和和翼缘缘宽度后后，其其板件厚厚度可可按规范范中局局部稳定定的构构造规定定预估估。柱柱柱截面按按长细细比预估.通常50<λ<1500,,简单选择择值值在80附近。根根据据轴心受受压、双双向受弯弯或单单向受弯弯的不不同,可选择钢钢管管或H型钢截面面等.对对对应不同同的结结构，规规范对对截面的的构造造要求有有很大大的不同同，如如钢结构构所特特有的组组成构构件的板板件的的局部稳稳定问问题，在在普钢钢规范和和轻钢钢规范中中的限限值有很很大的的区别。除除除此之外外，构构件截面面形式式的选择择没有有固定的的要求求，结构构工程程师应该该根据据构件的的受力力情况，合合理理的选择择安全全经济美美观的的截面。(四)))结构分析目目目前钢结结构实实际设计计中,结构分析析通通常为线线弹性性分析,条件允许许时时考虑P-Δ,p-δ.新近的一一些些有限元元软件件可以部部分考考虑几何何非线线性及钢钢材的的弹塑性性能.这为更精精确确的分析析结构构提供了了条件件。并不不是所所有的结结构都都需要使使用软软件:典型结构构可可查力学学手册册之类的的工具具书直接接获得得内力和和变形形.简单结构构通通过手算算进行行分析.复杂结构构才才需要建建模运运行程序序并做做详细的的结构构分析.(五)))工程判定要要要正确使使用结结构软件件，还还应对其其输出出结果的的做"工程判定"。比如，评评评估各向向周期期、总剪剪力、变变形特征征等。根根据"工程判定"选择修改改模模型重新新分析析,还是修正正计计算结果.不不不同的软软件会会有不同同的适适用条件.初学者应应充充分明了.此外,工程设计计中中的计算算和精精确的力力学计计算本身身常有有一定距距离,为了获得得实实用的设设计方方法,有时会用用误误差较大大的假假定,但对这种种误误差,会通过"适用条件件、概概念及构构造"的方式来来保保证结构构的安安全.钢结构设设计计中,"适用条件件、概概念及构构造"是比定量量计计算更重重要的的内容.工工工程师们们过分分信任与与依赖赖结构软软件有有可能带带来结结构灾难难，注注重概念念设计计、工程程判定定和构造造措施施有助于于避免免这种灾灾难.(六)))构件设计构构构件设计计首先先是材料料的选选择.比较常用用的的是Q235和Q3455..当强度起起控控制作用用时,可选择Q3455;;稳定控制制时,宜使用Q2355.通常主结结构构使用单单一钢钢种以便便于工工程管理.经济考虑,也可以选选择择不同强强度钢钢材的焊焊接组组合截面面（翼翼缘Q345，腹板Q235）.另外，焊焊接接结构宜宜选择择Q2355B或Q3455B。当当当前的结结构软软件,都提供截截面面验算的的后处处理功能能。部部分软件件可以以将不通通过的的构件，从从给给定的截截面库库里选择择加大大一级自自动重重新验算算，直直至通过过，如如sap220000等。这是是常常说的截截面优优化设计计功能能之一，它它减减少了很很多工工作量。但是，我我们们至少应应注意意两点：1...软件在做做构构件(主要是柱)的截面验验算算时,计算长度度系系数的取取定有有时会不不符合合规范的的规定定.目前所有有的的程序都都不能能完全解解决这这个问题题。所所以,尤其对于于节节点连接接情况况复杂或或变截截面的构构件,我们应该该逐逐个检查.2...当上面第(三)条中预估估的的截面不不满足足时，加加大截截面应该该分两两种情况况区别别对待。(1))强度不满满足,通常加大大组组成截面面的板板件厚度度，其其中,抗弯不满满足足加大翼翼缘厚厚度，抗抗剪不不满足加加大腹腹板厚度度。(2))变形超限限，通通常不应应加大大板件厚厚度而而应考虑虑加大大截面的的高度度，否则则会很很不经济济。使用用用软件的的前述述自动加加大截截面的优优化设设计功能能，很很难考虑虑上述述强度与与刚度度的区分分，实实际上，除除常常用于网网架设设计外，其其他他结构形形式常常常并不不合适适。(七)))节点设计连连连接节点点的设设计是钢钢结构构设计中中重要要的内容容之一一.在结构分分析析前,就应该对对节节点的形形式有有充分思思考与与确定.有时出现现的的一种情情况是是,最终设计计的的节点与与结构构分析模模型中中使用的的形式式不完全全一致致，如果果你不不能确信信这种种不一致致带来来的偏差差差在在工程许许可范范围内（5%），就必必须须避免。按传力特特性性不同,节点分刚刚接,铰接和半半刚刚接.初学者宜宜选选择可以以简单单定量分分析的的前两者.常用的参参考考书[2]有丰富的的推推荐的节节点做做法及计计算公公式.连连连接的不不同对对结构影影响甚甚大.比如,有的刚接接节节点虽然然承受受弯矩没没有问问题,但会产生生较较大转动,不符合结结构构分析中中的假假定.会导致实实际际工程变变形大大于计算算数据据等的不不利结结果.连连连接节点点有等等强设计计和实实际受力力设计计两种常常用的的方法,初学者可可偏偏安全选选用前前者.设计手册[2]中通常有有焊焊缝及螺螺栓连连接的表表格等等供设计计者查查用,比较方便.也可以使使用用结构软软件的的后处理理部分分来自动动完成成.具具具体设计计主要要包括以以下内内容:1...焊接:对焊接焊焊缝缝的尺寸寸及形形式等,规范有强强制制规定,应严格遵遵守.焊条的选选用用应和被被连接接金属材材质适适应.E43对应Q2355,,E50对应Q3455..Q22355与Q345连接时,应该选择择低低强度的E43,而不是E50..焊接设计计中中不得任任意加加大焊缝.焊缝的重重心心应尽量量与被被连接构构件重重心接近.其他详细细内内容可查查规范范关于焊焊缝构构造方面面的规规定.2...栓接:铆接形式,在建筑工工程程中，现现已很很少采用.普通螺栓栓抗抗剪性能能差,可在次要要结结构部位位使用用.高强螺栓,使用日益益广广泛.常用8.8s和10.99s两个强度度等等级.根据受力力特特点分承承压型型和摩擦擦型.两者计算算方方法不同.高强螺栓栓最最小规格M12..常用M16~~MM30..超大规格格的的螺栓性性能不不稳定,应慎重使使用用。自攻螺丝丝用用于板材材与薄薄壁型钢钢间的的次要连连接.在低层墙墙板板式住宅宅中也也常用于于主结结构的连连接.难以解决决的的是自攻攻过程程中防腐腐层的的破坏问问题。3...连接板:需验算栓栓孔孔削弱处处的净净截面抗抗剪等等.连接板厚厚度度可简单单取为为梁腹板板厚度度加4mm，则除短短梁梁或有较较大集集中荷载载的梁梁外，常常不需需验算抗抗剪。4...梁腹板:应验算栓栓孔孔处腹板板的净净截面抗抗剪.承压型高高强强螺栓连连接还还需验算算孔壁壁局部承承压.5...节点设计计必必须考虑虑安装装螺栓、现现场场焊接等等的施施工空间间及构构件吊装装顺序序等。构构件运运到现场场无法法安装是是初学学者长犯犯的错错误。此此外，还还应尽可可能使使工人能能方便便的进行行现场场定位与与临时时固定。6...节点设计计还还应考虑虑制造造厂的工工艺水水平.比如钢管管连连接节点点的相相贯线的的切口口可能需需要数数控机床床等设设备才能能完成成.(八)))图纸编制钢钢钢结构设设计出出图分设设计图图和施工工详图图两阶段段，设设计图由由设计计单位提提供，施施工详图图通常常由钢结结构制制造公司司根据据设计图图编制制，有时时也会会由设计计单位位代为编编制。由由于近年年钢结结构项目目增多多和设计计院钢钢结构工工程师师缺乏的的矛盾盾，有设设计能能力的钢钢结构构公司参参与设设计图编编制的的情况也也很普普遍。111.设计图:是提供制制造造厂编制制施工工详图的的依据据.深度及内内容容应完整整但不不冗余.在设计图图中,对于设计计依依据、荷荷载资资料（包包括地地震作用用）、技技术数据据、材材料选用用及材材质要求求、设设计要求求（包包括制造造和安安装、焊焊缝质质量检验验的等等级、涂涂装及及运输等等）、结结构布置置、构构件截面面选用用以及结结构的的主要节节点构构造等均均应表表示清楚楚，以以利于施施工详详图的顺顺利编编制，并并能正正确体现现设计计的意图图。主主要材料料应列列表表示示。222.施工详图:又称加工工图图或放样样图等等.深度须能能满满足车间间直接接制造加加工.不完全相相同同的另构构件单单元须单单独绘绘制表达达，并并应附有有详尽尽的材料料表.设计计计图及施施工详详图的内内容表表达方法法及出出图深度度的控控制，目目前比比较混乱乱，各各个设计计单位位之间及及其与与钢结构构公司司之间不不尽相相同。初学者可可参参考他人人的优优秀设计计并参参考相关关的工工具书[3]，并依据据规规范规定定编制制。概念设计的一个个个方面：当你在设计中，能能够把结构看看作构件，把把构件看作结结构，你就已已经走近概念念设计了。把结构当作构件件件，比如如，一一栋大厦厦的结结构就是是一根根悬臂梁梁，一座桁架架大大铁桥就就是一一根连续续梁。把构件看作结构构构，比如如，一一个H型钢构件件是是由3块板组成成的的结构，一一个个钢管相相贯的的节点就就是一一个空间间结构构。对构件特性的把把把握：比如，钢管适合合合做二力力（压压）杆，不不适适合做抗抗弯构构件。它它做两两端铰接接柱或或支撑很很出色色，但是是很少少用作梁梁。当一个受受弯弯构件被被选成成钢管截截面，且且程序计计算不不通过时时，你你不应通通过加加大截面面来满满足，而而是应应该改用用有强强弱轴的的截面面。如此等等，是基基基本的概概念。概念设计能力，不不单生成于丰丰富的经历与与经验，更是是来源于对基基本的力学、材材料等概念掌掌握。同时要要求结构师有有开阔的视野野。钢结构设计常用用用规范(一)))一般规范《钢结结结构设计计规范