鋼結構設計簡單步驟和設計思路
發布時間：2010-01-14 來源： admin 共1頁
鋼結構設計簡單步驟和設計思路
（一）判斷結構是否適合用鋼結構
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、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。直觀的說：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。
（二）結構選型與結構布置
此處僅簡單介紹。詳請參考相關專業書籍。由于結構選型涉及廣泛，做結構選型及布置應該在經驗豐富的工程師指導下進行。
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。對一些難以作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。
林同炎教授在《結構概念和體系》一書中介紹了用整體概念來規劃結構方案的方法，以及結構總體系和個分體系間的相互力學關系和簡化近似設計方法。[20]
鋼結構通常有框架、平面（木行）架、網架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。
其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決，或沒有簡單實用的設計方法，比如網殼的穩定等。
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（切線50度內需考慮雪載），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網殼。總雪載釋放近一半。降雨量大的地區相似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節點剛接的框架有更好的經濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體系。高層鋼結構設計中，常采用鋼混凝土組合結構，在地震烈度高或很不規則的高層中，不應單純為了經濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結構體系。我國半數以上的此類高層為前者。對抗震不利。[19]
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。一般的說要剛度均勻。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。
（三）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。
初學者需注意，對應不同的結構，規范中對截面的構造要求有很大的不同。如鋼結構所特有的組成構件的板件的局部穩定問題。在普鋼規范和輕鋼規范中的限值有很大的區別。
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，合理的選擇安全經濟美觀的截面。
（四）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P-Δ，p-δ。
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。
（五）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".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。
（六）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。經濟考慮，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.
構件設計中，現行規范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這和結構內力計算的彈性方法并不匹配。
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。但是，初學鋼至少應注意兩點：
1.軟件在做構件（主要是柱）的截面驗算時，計算長度系數的取定有時會不符合規范的規定。目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以，尤其對于節點連接情況復雜或變截面的構件，結構師應該逐個檢查。
2.當上面第（三）條中預估的截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區別對待。
（1）強度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度。
（2）變形超限，通常不應加大板件厚度，而應考慮加大截面的高度，否則，會很不經濟。
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。
（七）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。
具體設計主要包括以下內容：
1.焊接：對焊接焊縫的尺寸及形式等，規范有強制規定，應嚴格遵守。焊條的選用應和被連接金屬材質適應。E43對應Q235，E50對應Q345. Q235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43，而不是E50.
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。其他詳細內容可查規范關于焊縫構造方面的規定。
2.栓接：
鉚接形式，在建筑工程中，現已很少采用。
普通螺栓抗剪性能差，可在次要結構部位使用。
高強螺栓，使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個強度等級。根據受力特點分承壓型和摩擦型。兩者計算方法不同。高強螺栓最小規格M12.常用M16~M30.超大規格的螺栓性能不穩定，設計中應慎重使用。
自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。國外在低層墻板式住宅中，也常用于主結構的連接。
3.連接板：可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm.然后驗算凈截面抗剪等。
4.梁腹板：應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。
5.節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。
6.節點設計還應考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節點的相貫線的切口需要數控機床等設備才能完成。
（八）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。
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。
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。不完全相同的另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[3]，并依據規范規定編制。
（一）判斷結構是否適合用鋼結構
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、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。直觀的說：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。
（二）結構選型與結構布置
此處僅簡單介紹。詳請參考相關專業書籍。由于結構選型涉及廣泛，做結構選型及布置應該在經驗豐富的工程師指導下進行。
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。對一些難以作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。
林同炎教授在《結構概念和體系》一書中介紹了用整體概念來規劃結構方案的方法，以及結構總體系和個分體系間的相互力學關系和簡化近似設計方法。[20]
鋼結構通常有框架、平面（木行）架、網架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。
其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決，或沒有簡單實用的設計方法，比如網殼的穩定等。
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（切線50度內需考慮雪載），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網殼。總雪載釋放近一半。降雨量大的地區相似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節點剛接的框架有更好的經濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體系。高層鋼結構設計中，常采用鋼混凝土組合結構，在地震烈度高或很不規則的高層中，不應單純為了經濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結構體系。我國半數以上的此類高層為前者。對抗震不利。[19]
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。一般的說要剛度均勻。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。
（三）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。
初學者需注意，對應不同的結構，規范中對截面的構造要求有很大的不同。如鋼結構所特有的組成構件的板件的局部穩定問題。在普鋼規范和輕鋼規范中的限值有很大的區別。
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，合理的選擇安全經濟美觀的截面。
（四）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P-Δ，p-δ。
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。
（五）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".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。
（六）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。經濟考慮，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.
構件設計中，現行規范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這和結構內力計算的彈性方法并不匹配。
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。但是，初學鋼至少應注意兩點：
1.軟件在做構件（主要是柱）的截面驗算時，計算長度系數的取定有時會不符合規范的規定。目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以，尤其對于節點連接情況復雜或變截面的構件，結構師應該逐個檢查。
2.當上面第（三）條中預估的截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區別對待。
（1）強度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度。
（2）變形超限，通常不應加大板件厚度，而應考慮加大截面的高度，否則，會很不經濟。
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。
（七）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。
具體設計主要包括以下內容：
1.焊接：對焊接焊縫的尺寸及形式等，規范有強制規定，應嚴格遵守。焊條的選用應和被連接金屬材質適應。E43對應Q235，E50對應Q345. Q235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43，而不是E50.
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。其他詳細內容可查規范關于焊縫構造方面的規定。
2.栓接：
鉚接形式，在建筑工程中，現已很少采用。
普通螺栓抗剪性能差，可在次要結構部位使用。
高強螺栓，使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個強度等級。根據受力特點分承壓型和摩擦型。兩者計算方法不同。高強螺栓最小規格M12.常用M16~M30.超大規格的螺栓性能不穩定，設計中應慎重使用。
自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。國外在低層墻板式住宅中，也常用于主結構的連接。
3.連接板：可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm.然后驗算凈截面抗剪等。
4.梁腹板：應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。
5.節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。
6.節點設計還應考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節點的相貫線的切口需要數控機床等設備才能完成。
（八）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。
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。
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。不完全相同的另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[3]，并依據規范規定編制。
