多層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些思考

摘要：結(jié)合多年的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了思考，簡(jiǎn)單介紹一下鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路、設(shè)計(jì)的步驟以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題，供同行借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 步驟 思路 通病

1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和步驟

1.1 首先要判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)并不適用于所有的結(jié)構(gòu)，一般情況下，高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動(dòng)、密封性要求高、高溫車間、要求能活動(dòng)或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)中常用到鋼結(jié)構(gòu)。目前，鋼結(jié)構(gòu)以其自重輕和施工快的特性，被廣泛應(yīng)用在住宅、臨時(shí)建筑、工廠、體育館、大廈、歌劇院、大橋等建筑結(jié)構(gòu)中。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)的選型與結(jié)構(gòu)布置

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)選型廣泛，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少的年輕工程師應(yīng)該多向經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師共同研究后再慎重進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型和布置。“概念設(shè)計(jì)”在鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)中占有相當(dāng)重要的地位，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重這一點(diǎn)。對(duì)沒(méi)有做出要求或無(wú)法得出精確的分析結(jié)論的部分，可按從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、震害、破壞機(jī)理、試驗(yàn)現(xiàn)象、工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想，從整體上來(lái)確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。早期通過(guò)概念設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快速比選。所得結(jié)構(gòu)方案便于手算，從而準(zhǔn)確定性，進(jìn)一步明確概念，同時(shí)也能省去結(jié)構(gòu)分析環(huán)節(jié)的一系列復(fù)雜的運(yùn)算。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型的過(guò)程中，必須對(duì)各類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行周密的分析。基本雪壓大的區(qū)域，最好設(shè)計(jì)使積雪自動(dòng)滑落的屋面曲線，而且要認(rèn)真分析降雨量較大的區(qū)域。如果建筑條件允許，可在框架中布置支撐會(huì)比加大梁、柱截面對(duì)位移進(jìn)行有效的控制，這樣不僅會(huì)取得預(yù)期的效果，而且經(jīng)濟(jì)合理。有些建筑的屋面覆蓋跨度稍大，單向受力可采用張懸梁、桁架等結(jié)構(gòu)體系，雙向受力可選用網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)體系。而鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用在高層鋼結(jié)構(gòu)中。

建設(shè)單位應(yīng)該參照荷載的特性及其分布狀況、體系特征等來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的布置。正常情況下，應(yīng)確保力學(xué)模型清晰，且剛度均勻，注意防止移動(dòng)荷載或大荷載引起較大影響，盡量讓其通過(guò)固定的線路直接傳遞到基礎(chǔ)。柱間抗側(cè)支撐要均勻分布，支撐的形心應(yīng)最大限度的挨近側(cè)向力的作用線，否則還要分析結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置，某些情況下，為滿足各種不同的需求，必須對(duì)荷載的傳遞方向作出調(diào)整。為了減小截面，次梁可沿短向布設(shè)，但該措施可能會(huì)增大主梁截面，樓層凈高也會(huì)隨之縮小，頂層邊柱可能因此而承載較大力。

1.3 對(duì)截面進(jìn)行預(yù)估

完成結(jié)構(gòu)布設(shè)以后，要初步估算構(gòu)件截面，估算內(nèi)容大致是假定梁柱、支撐等斷面的尺寸和形狀。可采用軋制或焊接H型鋼截面的鋼梁設(shè)計(jì)。參照支座與荷載的情況，截面高度一般為跨度的1/20～1/50之間。翼緣寬度按照梁間側(cè)向支撐的間距以L/b限值為準(zhǔn)時(shí)，鋼梁的整體穩(wěn)定的一系列計(jì)算可以不作考慮。翼緣寬度、截面高度明確以后，根據(jù)規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定來(lái)估算板件的厚度。根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比來(lái)對(duì)柱截面進(jìn)行估算，一般可確定為50<λ<150，而簡(jiǎn)單選擇值約為100。根據(jù)單向受彎、雙向受彎、軸心受壓等情況，可采用H型鋼和方鋼管截面等，這兩種鋼結(jié)構(gòu)的雙方向受力情況都比較好。對(duì)于剛接觸這中鋼結(jié)構(gòu)的工作人員來(lái)講，可對(duì)應(yīng)各種結(jié)構(gòu)類型以及對(duì)截面的構(gòu)造的各類要求，如鋼結(jié)構(gòu)所特有的構(gòu)成構(gòu)件板件局部穩(wěn)定性的問(wèn)題，輕鋼規(guī)范中的限值與普鋼規(guī)范中的限值之間的差別較大。

除此之外，規(guī)范中并未特別要求構(gòu)件必須選用何種截面形式，結(jié)構(gòu)工程師可按照構(gòu)件的受力狀況，盡量選用安全性能高、美觀經(jīng)濟(jì)的截面形式。

1.4 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而言，一般采用線彈性分析的方法來(lái)研究鋼結(jié)構(gòu)，新近的部分有限元軟件可適當(dāng)采用幾何非線性及鋼材的彈塑性能，以便于對(duì)結(jié)構(gòu)作出更為具體的分析。需要注意的是，某些結(jié)構(gòu)無(wú)需使用軟件，典型結(jié)構(gòu)可查相關(guān)資料或工具書來(lái)對(duì)變形、內(nèi)力等進(jìn)行直接的判斷，也可通過(guò)手算來(lái)分析簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)則需要建模運(yùn)行程序同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行周密的分析和判斷。

1.5 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)，首先確定合適的材料，Q235、Q345都是構(gòu)建設(shè)計(jì)中用的比較多的材料。如果強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，最好選擇Q235；如果注重結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，Q345則是最好的選擇。

現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)軟件通常都具有截面驗(yàn)算的后處理功能。因?yàn)楫?dāng)前的程序技術(shù)有了很大的改進(jìn)，一部分軟件可將未通過(guò)驗(yàn)算的構(gòu)件，從給定的截面庫(kù)中選用加大一級(jí)的，同時(shí)自動(dòng)重新分析和驗(yàn)算，直到其合格為止。這就是截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能其中的一項(xiàng)，這項(xiàng)功能為結(jié)構(gòu)師省去了大量不必要的工作。

如果是初學(xué)者則要注意下列兩個(gè)方面：

①軟件在進(jìn)行構(gòu)件截面驗(yàn)算的過(guò)程中，某些情況下，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的取定會(huì)與相關(guān)要求不符，特別是變截面的構(gòu)件或在節(jié)點(diǎn)連接復(fù)雜的情況下，必須逐個(gè)排查。

②如果估算的截面達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，就應(yīng)該加大截面，而且要分清以下兩種情況。

a若強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)要求，則組成截面板件的厚度可適當(dāng)加大：若抗彎不符合規(guī)范，則翼緣厚度可適當(dāng)加大；若抗剪不符合規(guī)范，則大腹板厚度可適當(dāng)加大。

b遇到變形超限的情況，不要盲目增加板件厚度，而是要適當(dāng)增加截面高度，以滿足經(jīng)濟(jì)、合理的要求。

1.6 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)屬于其中的一項(xiàng)關(guān)鍵性的內(nèi)容。分析結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，首先要認(rèn)真分析并明確節(jié)點(diǎn)的形式。實(shí)際進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)分析模型所用的形式與最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)形式不一致的情況，設(shè)計(jì)中要盡量避免這類問(wèn)題的出現(xiàn)。根據(jù)各類傳力性質(zhì)，節(jié)點(diǎn)主要分為半剛接、鉸接、剛接。剛剛接觸這類結(jié)構(gòu)的人員最好采用便于簡(jiǎn)單定量分析的前兩者，也可采用相關(guān)資料和工具書中推薦的節(jié)點(diǎn)做法和計(jì)算公式。不同的連接方式也會(huì)在一定程度上影響到結(jié)構(gòu)的性能，如一部分剛接節(jié)點(diǎn)雖然可承受一定的彎矩，但會(huì)發(fā)生大幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，與結(jié)構(gòu)分析中假定的情況存在差別，實(shí)際工程變形也會(huì)因此超過(guò)估算的范圍。

通常采用等強(qiáng)設(shè)計(jì)、實(shí)際受力設(shè)計(jì)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的連接，初學(xué)者若考慮到安全因素，可采用等強(qiáng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)手冊(cè)可為設(shè)計(jì)者提供焊縫和螺栓連接的表格以供查用，也可以采用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來(lái)自動(dòng)完成。

1.7 鋼結(jié)構(gòu)圖紙的編制

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出圖主要包括設(shè)計(jì)圖及施工詳圖兩部

分。

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)完整但不多余。

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。不完全相同的零構(gòu)件單元須單獨(dú)繪制表達(dá)，并應(yīng)附有詳盡的材料表。

2 常見(jiàn)多發(fā)性通病

在實(shí)際工程檢查中，所發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝存在一些常見(jiàn)多發(fā)性通病，其主要表現(xiàn)為：對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的會(huì)審不到位，施工單位的職責(zé)是按圖施工，但施工單位也有責(zé)任在施工前應(yīng)對(duì)施工圖進(jìn)行工藝性會(huì)審，對(duì)出現(xiàn)在設(shè)計(jì)圖紙中不完善、不明確或不適合施工、不符合規(guī)范的方面提出來(lái)，并與設(shè)計(jì)單位商討修改。

一般設(shè)計(jì)圖紙中經(jīng)常出現(xiàn)以下一些問(wèn)題：①設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)用規(guī)范不齊全、不正確。如有的設(shè)計(jì)說(shuō)明使用了過(guò)時(shí)的、已經(jīng)廢止的標(biāo)準(zhǔn)；有的材料牌號(hào)、等級(jí)不全、高強(qiáng)螺栓、普通螺栓和焊接連接點(diǎn)的標(biāo)記不明確或未顯示。②設(shè)計(jì)總說(shuō)明未寫明工程的安全等級(jí)和使用年限。③鋼材的材質(zhì)等級(jí)，高強(qiáng)度螺栓的摩試要求不明確。④施工圖未注明焊接的坡口形式，焊縫間隙、鈍邊坡口角度、是否單面焊等。⑤施工圖未注明除銹等級(jí)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

以上就鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟和思路簡(jiǎn)單的介紹了一下，供初學(xué)設(shè)計(jì)的朋友參考，通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中多發(fā)性的通病介紹，希望可以引起相關(guān)專業(yè)人士的注意，只有杜絕此類問(wèn)題的發(fā)生才能保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的質(zhì)量要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用》中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[3]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中國(guó)計(jì)劃出版社.