建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的體會(huì)心得

毛學(xué)明

【摘要】當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越普遍，以它強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)占據(jù)著建筑領(lǐng)域相當(dāng)大的比例。與混凝土相比，它有自重輕、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。本文從建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程、建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)這幾方面進(jìn)行了分析探討，以供借鑒。

【關(guān)鍵詞】建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

近幾年鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，不僅僅局限于輕鋼結(jié)構(gòu)和大跨結(jié)構(gòu)，更多的應(yīng)用于高層建筑中，鋼混結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得結(jié)構(gòu)的抗震性和空間應(yīng)用更好，容器和管道、高聳結(jié)構(gòu)都在蓬勃發(fā)展。在總結(jié)國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，積極吸取國(guó)外同行業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身多年的工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)一些對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的心得。

一.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1、極限狀態(tài)法。極限狀態(tài)法是為了克服塑性設(shè)計(jì)法和容許應(yīng)力法所存在的缺陷，這種方法主要是采用荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗力來替代單一安全系數(shù)。目前，極限狀態(tài)法以是我國(guó)最常用的設(shè)計(jì)方法。其結(jié)構(gòu)由于荷載的作用，可在一定的周期內(nèi)達(dá)到兩種極限狀態(tài)，第一種是正常使用極限狀態(tài)，第二種是承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的是結(jié)構(gòu)的安全性，主要是指構(gòu)件的塑性變形、斷裂等造成的結(jié)構(gòu)破壞。

2、塑性設(shè)計(jì)法。采用塑性設(shè)計(jì)原則是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性性質(zhì)和強(qiáng)度要高于標(biāo)準(zhǔn)荷載的構(gòu)件乘以安全系數(shù)，在構(gòu)建內(nèi)力結(jié)構(gòu)分析中一般采用鋼塑性分析法或是一階塑性分析法。塑性設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后允許進(jìn)行內(nèi)力的重分布，但必須要求其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)能有足夠的延性，在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格的限制了翼緣和截面腹板的比例尺寸。塑性設(shè)計(jì)法雖然考慮到了非線性，可以克服容許應(yīng)力法存在的缺陷，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中依然不能反映出結(jié)構(gòu)構(gòu)件與材料屈服的擴(kuò)展。

3、容許應(yīng)力法。容許應(yīng)力的設(shè)計(jì)原則是：其結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力應(yīng)小于結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)所規(guī)定的容許應(yīng)力。對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算應(yīng)力要按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)荷載，計(jì)算是以一階彈性理論而得到，是以一個(gè)去除材料并大于 1 的安全系數(shù)的極限應(yīng)力或是屈服應(yīng)力而確定的。容許應(yīng)力主要存在的缺點(diǎn)在于：第一，不能合理的考慮到結(jié)構(gòu)幾何的非線性影響；第二，由于容許應(yīng)力法采用的是單一安全系數(shù)，不能反映出荷載變異和抗力的獨(dú)立性等。

二、建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖的具體步驟。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖的繪制工具。首先在設(shè)計(jì)之前，我們得了解鋼結(jié)構(gòu)的組成，構(gòu)件的表示方法、焊縫的表示方法等，深化設(shè)計(jì)的步驟：第一步：熟悉鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳圖；第二步：與相關(guān)專業(yè)溝通；第三步：建模型、繪制詳圖。詳圖設(shè)計(jì)一般采用CAD或TEK-LA軟件建模，另外，中國(guó)建研院的PKPM軟件也可以做一些詳圖深化。

2、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖的區(qū)別。我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)施工圖紙的設(shè)計(jì)分為2個(gè)階段：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖。鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)看似與鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)有所區(qū)別，但僅僅是叫法不同罷了，深化設(shè)計(jì)也叫詳圖設(shè)計(jì)，也可以說是二次設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖與混凝土的施工圖紙有著實(shí)質(zhì)性的區(qū)別，鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖必須在設(shè)計(jì)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，必須以工程設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)，結(jié)合工程概況、鋼結(jié)構(gòu)加工、運(yùn)輸和安裝等施工工藝和其他專業(yè)的配合進(jìn)行二次深化設(shè)計(jì)。其主要內(nèi)容有：使 用計(jì)算機(jī)放樣制圖（CAD）或使用詳圖軟件建立結(jié)構(gòu)空間實(shí)體模型制圖，提供制造加工和安裝的施工詳圖、構(gòu)件清單及設(shè)計(jì)說明。

3、不同軟件之間的優(yōu)劣對(duì)比。鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)時(shí)要編制構(gòu)件表和材料表，包括從最初的提材料計(jì)劃開始，拿到圖紙分析完成后首先進(jìn)行材料計(jì)劃。首先介紹一下深化設(shè)計(jì)的手段。采用的都是軟件，各種軟件有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，平時(shí)的普通門式鋼架類輕鋼廠房，要求速度快、工期緊的情況下采用CAD比較快捷方便，CAD強(qiáng)大的圖形編輯功能，可以采用多種方式進(jìn)行二次開發(fā)，可進(jìn)行多種圖形格式的轉(zhuǎn)換，比如EXCEL表能方便的運(yùn)算，之后加載導(dǎo)入到CAD，以方便材料表的繪制。CAD最大的缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確直觀地看到3D模型，從而會(huì)出現(xiàn)一些不必要的錯(cuò)誤，導(dǎo)致工地安裝困難。而TEKLA和PKPM（STXT）可以直觀地看到模型，三維建模軟件能自動(dòng)產(chǎn)生2D加工詳圖，提供完整的2D圖畫編輯功能及構(gòu)件碰撞校核功能，但也存在著缺點(diǎn)，生成的圖紙標(biāo)注不夠清晰，不適于車間工人快速視圖，所以調(diào)圖的時(shí)間很多。建模出圖很快，時(shí)間都費(fèi)在了調(diào)圖上。鑒于TEKLA出錯(cuò)率低，一般大型的多高層建筑均采用三維建模的深化設(shè)計(jì)。

三、建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的過程中，需遵循其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，保證鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠，從而有足夠的強(qiáng)度和耐久性，才能具備建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的特點(diǎn)，建筑鋼結(jié)構(gòu)通過穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)才能充分發(fā)揮出最大優(yōu)勢(shì)。在了解鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則時(shí)，首先要能區(qū)別強(qiáng)度和穩(wěn)定問題，強(qiáng)度關(guān)鍵取決于材料特征，對(duì)于脆性材料都取概率統(tǒng)計(jì)下的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，如混凝土；對(duì)于鋼材則取屈服強(qiáng)度，而穩(wěn)定問題在解決強(qiáng)度問題時(shí)，需找出其不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，這種不穩(wěn)定狀態(tài)存在內(nèi)部抵抗力與外部荷載之間，也就是指變形在快速增長(zhǎng)的開始點(diǎn)，通過這樣區(qū)分，可以指導(dǎo)強(qiáng)度問題最主要就是一個(gè)變形問題。

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性特點(diǎn)分析。首先從建筑鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性來分析，如要保持鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要從結(jié)構(gòu)的整體出發(fā)來分析其穩(wěn)定性。其次，從鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度和失穩(wěn)方面來看，應(yīng)采用現(xiàn)行較為規(guī)范的折減系數(shù)法和臨界壓力求解法來進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，對(duì)于軸心壓桿的穩(wěn)定計(jì)算通常用這兩種方法。再次，在彈性穩(wěn)定計(jì)算的過程中，不只考慮結(jié)構(gòu)整體性特點(diǎn)，還應(yīng)考慮到二階分析，這主要是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)力會(huì)受到柔性構(gòu)建大變形量的一定影響。

四.建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、判斷鋼結(jié)構(gòu)的適用性。現(xiàn)今建筑行業(yè)中，鋼結(jié)構(gòu)多是用于跨度和荷載較大、體型復(fù)雜的高層建筑中。要求其能夠承受較高的溫度、方便拆卸、能夠承受大幅度的振動(dòng)、密封嚴(yán)實(shí)，因此在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前必須要對(duì)這些方面進(jìn)行全面的分析，考慮所設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)是否適用、能否滿足要求。

2、鋼材的選擇。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，選材是一項(xiàng)極為重要且難度較大的工作。究其原因，一方面是我國(guó)鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展，鋼材的種類繁多，要從眾多的鋼材種類中選出適合某種建筑工程的鋼材是有難度的；另一方面是因?yàn)槟壳颁摻Y(jié)構(gòu)建筑的種類也在不斷增加，不同建筑物對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形、疲勞應(yīng)力等方面的要求也不一致，因此選擇合適的鋼材顯得至關(guān)重要，否則就不能發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)建筑的功用。

3、加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)受力體系以及細(xì)部節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。在鋼結(jié)構(gòu)方案確定以后，必須要立即對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的受力體系以及細(xì)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行具體的計(jì)算和完善。首先，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)受力體系設(shè)計(jì)而言，現(xiàn)今很多鋼結(jié)構(gòu)都是采用的桿系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)要求鋼材強(qiáng)度大、截面尺寸小；在生產(chǎn)的時(shí)候可以在現(xiàn)場(chǎng)組裝、構(gòu)件之間的約束作用小。因此其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是保證構(gòu)件節(jié)點(diǎn)之間的連接穩(wěn)固性。其次，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑的細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)而言，鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)要求細(xì)致且設(shè)計(jì)內(nèi)容復(fù)雜，都需要對(duì)細(xì)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。

結(jié)束語

城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，高層及大型建筑越來越多，使得鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越普遍。鋼結(jié)構(gòu)具有空間跨度大、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)性能突出、安裝便利等優(yōu)勢(shì)，這使得其在建筑行業(yè)內(nèi)得到了眾多企業(yè)的青睞。

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