鋼結構設計簡單步驟和設計思路

【摘 要】本文從結構是否適合應用鋼結構入手，對鋼結構的選型和結構布置作以介紹，說明了鋼結構設計簡單步驟和設計思路。

【關鍵詞】鋼結構；結構設計；步驟

前言

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、要求能活動或經常裝拆的結構。直觀地說：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。

1 結構選型與結構布置

在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是“概念設計”，它在結構選型與布置階段尤其重要。對一些難以做出精確理性分析或規范未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經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據可靠與否的主要依據。

結構選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業廠房中，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架。基本雪壓大的地區，屋面曲線應有利于積雪滑落。

結構的布置要根據體系特征，荷載分布情況及性質等綜合考慮。一般地說要剛度均勻、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，其形心要盡量靠近側向力(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。

2 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，其板件厚度可按規范中局部穩定的構造規定預估。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。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構件的受力情況，合理地選擇安全經濟美觀的截面。

3 結構分析

目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。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。

4 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”[1]。比如，評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據“工程判定“選擇修改模型重新分析，還是修正計算結果。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、概念及構造”的方式來保證結構的安全。鋼結構設計中，“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。

5 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Q345(類似16Mn)。通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。從經濟方面考慮，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；穩定控制時，宜使用Q235。當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步，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。這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。使用軟件的前述自動加大截面的優化設計功能，很難考慮上述強度與剛度的區分，實際上，常常并不合適。

6 節點設計

連接節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一。在結構分析前，就應該對節點的形式有充分思考與確定。常常出現的一種情況是，最終設計的節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，節點分剛接，鉸接和半剛接。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]有豐富的推薦的節點做法及計算公式。連接的不同對結構影響甚大。比如，有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題，但會產生較大轉動， 不符合結構分析中的假定。會導致實際工程變形大于計算數據等的不利結果。連接節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。

7 圖紙編制

鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖為設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的矛盾，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。

7.1 設計圖: 是提供制造廠編制施工詳圖的依據，深度及內容應完整但不冗余。 在設計圖中，對于設計依據、荷載資料（包括地震作用）、技術數據、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、涂裝及運輸等）、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節點構造等均應表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現設計的意圖。主要材料應列表表示。

7.2 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。

設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，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秀設計并參考相關的工具書，并依據規范規定編制。

參考文獻:

[1]趙熙元.重級工作制吊車橫向水平力計算的建議.鋼結構1992.2

[2]趙熙元、吳志超.關于鋼吊車梁設計中幾個問題的探討.工業建筑，1991.8