鋼結構設計過程分析

寧夏工業設計院 馬寅杰

鋼結構設計過程分析

寧夏工業設計院 馬寅杰

一、鋼結構分類

目前，一般將鋼結構分為重鋼結構、輕鋼結構和設備鋼結構三種。每種格結構都有各自的特點和用處。

1.重鋼結構。重鋼結構是指廠房行車起吊重量超過25 t，用鋼量不小于50 kg/m2的鋼結構，如石化廠房設施、軋鋼煉鋼車間、電廠廠房、大跨度的體育場館、展覽中心、高層或超高層鋼結構等。

2.輕鋼結構。輕鋼結構是指主要承重結構為實腹門式剛架，具有輕型屋面和外墻，無吊車或吊車起重量不大于20 t，工作級別為中輕級的鋼結構建筑。

3.設備鋼結構。設備鋼結構是指大型設備中的鋼結構部分，如架橋機的塔架鋼結構、NN2機的起重大梁、起重機車身、大型設備支架等，是一種對精密性、材質、連接等要求較高的精密鋼結構。

二、鋼結構設計過程

1.判別項目是否適合鋼結構。在設計時，要綜合考慮鋼結構的特點以及工程造價等因素，判斷項目工程是否適合鋼結構。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、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。

2.結構選型與結構布置。鋼結構通常有框架、平面(桁)架、網架(殼)、索膜、輕鋼和塔桅等結構形式。設計時要針對不同建筑的特點，選擇合理經濟的結構形式。 結構布置要綜合考慮項目工程的體系特征、荷載分布情況及性質等多項因素。布置結構時，要求剛度均勻，力學模型清晰，盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍。 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)作用線。

3.截面的選擇。結構布置完成后，需對構件截面作初步估算，主要是對梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸進行假設預定。鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H形鋼等。根據荷載與支座情況，鋼結構的截面高度通常為跨度的1/20～1/50；翼緣寬度可按照梁間側向支撐間距的1/b限值確定。截面高度和翼緣寬度確定后，板件厚度可按相關規范中關于局部穩定的構造規定進行預估。柱截面按長細比預估，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形鋼等做梁柱。

4.結構分析。對于簡單結構，可通過手算進行分析；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；對于復雜結構，需要建模運行程序并作詳細的結構分析。只有依據科學的假定，建立正確的計算模型，選擇合適的計算工具進行計算，才能得到正確的計算結果。

5.構件設計。材料的選擇對于構件設計非常重要。工程中比較常用的鋼材料是Q235和Q345。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的鋼材組合應用。選擇不同強度鋼材進行組合的一般規律是：當強度起控制作用時，可選擇Q345；當剛度起控制作用時，宜使用Q235。相同牌號的鋼材又分不同的質量等級，如A，B，C，D級等，應綜合考慮焊接要求、受力特點、使用環境等因素，學則合適的鋼材。

7.節點設計。節點設計是鋼結構設計的重點之一。在結構分析前，確定節點的形式。節點設計主要包括以下內容。

（1）焊接設計。對焊接焊縫的尺寸及形式等應按照規定設計執行。選用的焊條應和被連接構件的材質相適應。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，其他詳細內容可查閱關于焊縫構造方面的規定。

（2）栓接設計。在建筑工程中，因為普通螺栓的抗剪性能差，所以栓接現已很少應用于主受力構件，但仍可在次要結構部位使用，且多用高強螺栓。高強螺栓分承壓型和摩擦型，應根據具體情況進行選擇。

（3）連接板設計。構件端板厚度應根據支承條件按照規范要求計算；連接節點處的板件應按照規范驗算其在拉、壓、剪作用下的強度和穩定性；單壁式桁架節點板厚度可按照《鋼結構設計規范》（GB50017–2003）中的選用表進行選取。

（4）梁腹板設計。應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪力，對于承壓型高強螺栓連接，還需驗算孔壁局部承壓。

（5）防銹蝕與防火設計。由于鋼結構對銹蝕和高溫（火焰）具有敏感性，因此,必須做好其防銹蝕與防火設計。具體要求詳見相應國家規范，特殊行業（如石化行業）還需滿足行業規范要求。值得注意的一點是，設計時要考慮兩種防護材料的調和性，即兩種防護材料不能在接觸后發生反應而喪失原性能，亦不能相互抵觸而使某層材料脫落。

（6）圖紙編制。圖紙是工程施工的重要依據。在設計圖中，設計依據、荷載資料、技術數據、材料選用及材質要求、設計要求等均應表示清楚，并能正確體現設計的意圖，以利于施工的順利進行。在設計圖紙中，主要材料應列表表示。

（7）施工詳圖。施工詳圖須能滿足車間直接制造加工，不完全相同的構件單元須單獨繪制表達，并應附有詳細的材料表。

（8）其他要考慮的因素。節點設計必須考慮現場焊接的施工空間、螺栓安裝、構件吊裝順序等，并進行詳細說明，確保構件的順利安裝。此外，節點設計還應盡可能使工人方便進行現場定位與臨時固定，還要兼顧制造廠的工藝水平。