鋼結構設計步驟及過程研究

【摘 要】隨著我國國民經濟和科學技術的發展，鋼結構建筑已逐漸成為一種較為普遍的建筑結構形式，在工業、民用建筑中都得到了較廣泛的運用，設計與施工的好壞直接決定著建筑結構的質量，本文主要從鋼結構的設計步驟與過程方面，探尋鋼結構設計的技巧與關鍵所在。

【關鍵詞】鋼結構；設計；步驟

隨著經濟的高速發展，國民對居住生活環境的要求越來越高，對于與人們居住生活相關的建筑業就要與時俱進，不斷更新換代、推陳出新，從各個方面滿足人們的居住需求。近年來，在我國鋼結構建筑發展迅速，因其獨特的優點，越來越多的受到人們的青睞，主要有質輕高強、抗震性能優越、施工周期短、綜合效益高、與計算力學假定基本相似、塑性和韌性好、氣密性和水密性好、工業化程度高、屬于綠色環保建筑等優點，其缺點主要是不耐銹蝕和耐熱不耐火及工程造價高等方面。目前，鋼結構建筑已逐漸成為一種較為普遍的建筑結構形式，在工業、民用建筑中都得到了較廣泛的運用。

1、鋼結構選型與布置

結構選型是設計的首選環節，選擇合適的結構類型，對于后續的設計及整個結構的成功與否至關重要，常用的鋼結構類型有：輕鋼、網架、框架、桁架、索膜及塔桅等。到底選擇哪一種結構類型，需要根據實際情況和上述結構類型的特點綜合考慮。如果是懸掛或移動荷載較大的輕鋼廠房，最好選用網架形式；如果工程是在我國東北地區，還要考慮到冬季積雪荷載，宜選用網殼形式；如果是在南方夏季多雨地區建房，要考慮到雨水荷載，優先選用網殼形式；如果是在高層建筑中使用鋼結構，考慮到地震烈度，可采用周邊支柱，核心筒體形式；如果是體育場或展覽館等跨度較大的建筑，宜選擇索膜形式。

對于鋼結構的布置，要根據建筑的荷載分布、使用性質、體型特征等綜合權衡，要以最直接的途徑把荷載傳遞到基礎為原則來布置。概念設計對整個的鋼結構設計來講非同小可，需要重視鋼結構概念設計。做好概念設計，既對整體設計進行了控制和規劃，又能節省計算量，可以說是不可或缺的設計流程。比如說門式剛架，根據剛架跨度和檐口高度l/h 之比，科學的進行柱腳形式剛接或鉸接的選取和假設，對風荷載進行選取，需要參考建筑結構荷載規范還是門剛規程；依據有無吊車荷載和地震烈度情況，科學進行柱頂側移的控制，需要參考鋼結構設計規范還是門剛規程；同時，對于構件的驗算規范，要與荷載選取情況相一致，綜合比較后選擇出最為經濟合理的構件截面。

2、鋼結構設計步驟分析

2.1 估算截面

在結構選型和布置完成后，就要進行截面的估算工作，通常首先要假設梁柱及支撐的截面和尺寸，再來估算構件的截面，依據設計規范確定構件截面類型，例如H型鋼、圓管及方管等，鋼材材質不同，計算要求各異，需要弄清是普通鋼還是輕鋼。根據筆者設計經驗，在符合規范的基礎上，權衡經濟和安全因素，盡可能的選用既經濟又美觀的截面形式。

2.2 結構分析

伴隨著計算機及科技的發展，我們也可以進行結構非線性部分的分析，這樣以來，使得分析會更加的準確。通常在設計實際中，較易的機構可以用手算，稍微復雜一些的結構，需要用分析軟件進行分析，再就是對于一些較為典型的結構，也就是說我們常用的結構，我們可以查詢相關書籍及文獻，根據經驗來取值直接分析即可。

2.3 工程判斷

使用軟件時常常會有一些計算假定條件來模擬實際工程結構形式，這些條件無疑與實際工程存有誤差，有時候誤差還不小，這樣以來，分析結果會有不精確性和理論化，為了盡可能使分析結果與現實相符，對于較為復雜的結構，在做出分析結果的同時，還要對結果進行“工程判斷”，據評判結果，需要修正的及時進行修正或修改，以期分析數據精確化、現實化和可行化。對于本環節，熟悉常用分析軟件的使用條件和范圍很重要，對于較好的處理分析結果，優化結構設計，合理選型和數據判斷都至關重要。

2.4 構件設計

構件設計的第一步是鋼材的選用。鋼結構建筑中的所用鋼材，應當符合屈服強度、抗拉強度、伸長率、冷彎、冷拉、和硫、磷含量的基本保證；此外，對于焊接類結構，還應具有合格的含碳量。對于地震區的鋼結構房屋，鋼材除了上述要求外，還有具有良好的沖擊韌性，符合抗震設計規范的相關規定，規范里面對鋼材的各項物理和力學指標都進行了詳細的規定。一般來講，鋼結構建筑的主要受力構件，要優先選用Q235B及以上等級的碳素鋼，或者是Q345B及以上等級的低合金高強鋼，原因是Q235A鋼材不能保證焊接要求的含碳量規定。

在使用設計軟件進行計算時，設計人員不要太依賴于設計軟件而忽略了概念設計，有時候軟件也有誤差，設計人員在重視概念設計的基礎上，還要重視軟件設計結果的復核工作，及時糾正偏差。例如SFCAD 網架計算軟件中節點系數值的選取會直接影響計算結果及工程量，必須反復驗算及復核至滿足要求為止；再如PKPM結構設計軟件中STS 模塊計算門式剛架的參數設置中默認構件凈截面系數是0.85，設計人員也可以自行修改，3D3S 空間結構計算軟件中此項默認為1，此時就要了解如何復核、對比不同計算軟件的計算結果，熟悉針對不同的強度計算類別選擇使用毛截面模量或凈截面模量進行計算。

2.5 節點設計

節點設計也是鋼結構設計的重要一環，需要加強這方面的工作。鋼結構節點連接主要有3種，分別是剛接、鉸接和半剛接。剛接要考慮彎矩和轉動情況，避免只符合彎矩或只符合轉動而忽視另一種情況的出現，否則會產生較大的變形，出現劣質工程。節點常用的設計方法是等強設計，節點連接形式主要是焊接、螺栓連接以及鉚釘連接等，現在主要是前兩種，鉚釘連接已經不太常用，具體連接需要查閱相關設計規范。另外，設計人員一定要嚴格遵循設計規范進行節點設計，還要考慮施工安裝等要求，合理科學的對承載力折減系數進行取值，力爭在節點設計環節精益求精。

2.6 構件防腐

鋼結構的缺點之一就是不耐腐蝕，因此，防腐問題對鋼結構而言，顯得異常關鍵。目前，鋼結構防腐主要是以鍍鋅或涂抹防腐油漆為主，對于無防火要求的建筑，防腐說明要注明除銹方法及防腐等級等；對于有防火要求的建筑，要注明構件不同的耐火極限要求，并說明如所用防火涂料不起防銹作用，還應涂刷防銹底漆，有的建筑對外觀效果要求較高，還要在防火涂料外表面涂刷面漆，此時選用油漆時就應考慮到它勿與防火涂料進行化學反應問題，以期結合牢靠。防腐對于鋼結構而言，顯得甚是關鍵，對于以后工程的耐久性有著直接聯系，因此，設計人員需要高度重視該環節的設計。

3、結束語

本文從鋼結構設計選型入手，分析研究了鋼結構設計的主要步驟，主要包括估算截面、結構分析、工程判斷、構件設計、節點設計、構件防腐等，由于篇幅有限，還不甚全面，希望通過本文的研究能為提高我國鋼結構設計水平提供理論參考，也希望為研究本課題的同仁起到拋磚引玉的作用。

參考文獻：

[1]申海嘯、張玉生、蔡鵬. 談鋼結構設計的一般過程[J]. 陜西建筑. 2008 （09）.

[2]賴少峰. 分析現階段鋼結構設計中存在的問題[J]. 建材與裝飾（中旬刊）. 2008 （06）.

[3]萬迎春. 鋼結構構件設計及節點設計分析[J]. 黑龍江科技信息. 2010（14）.

[4]陳雯. 論鋼結構設計步驟和設計思路[J]. 科教文匯（中旬刊）. 2008 （20） .

[5]高志嶺、趙海陸. 淺析工業建筑中鋼結構設計步驟[J]. 黑龍江科技信息. 2008（31）.

作者簡介：

劉巖（1984－），男，漢族，遼寧朝陽人，濟南鮑德鋼結構有限公司助理工程師，主要從事鋼結構設計與施工方向研究。