钢结构设计
2013-9-8 2:35:18 点击：
型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成的工程结构为钢结构的概念。由于它具有自重轻、可靠性高、抗振(震)性及抗冲击性好造的工业化程度较高、可以准确快速装配、施工工期短等特点，钢结构被广泛应用于工业与民用建筑中。本文探讨了钢结构设计的相关问题。
钢结构设计步骤
判断结构是否适合用钢结构
钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大，有较大振动、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、雕塑、仓棚、工厂、住宅、山地建筑和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。
结构选型与结构布置
结构选型时，应考虑不同结构形式的特点。在工业厂房中，当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50度外不需考虑雪载)，降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宣选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。
预估截面
钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常住跨度的1／20--1／50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算。
结构分析
目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能。这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件：典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。简单结构通过手算进行分析。复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。
5、工程判定
要正确使用结构软件，还应对其输出结果的做工程判定。比如，评估各向周期、总剪力，变形特征等。根\工程判定选择修改模型重新分析，还是修正计算结果，不同的软件会有不同的适用条件，初学者应充分明了。此外，工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离，为了获得实用的设计方法，有时会用误差较大的假定，但对这种误差，会通过适用条件，概念及构造的方式来保证结构的安全．钢结构设计中，适用条件、概念及构造是比定量计算更重要的内容。工程师们过分信任与依赖结构软件有可能带来结构灾难，注重概念设计，工程判定和构造措施有助于避免这种灾难。
构件设计
节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。有时出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，如果你不能确信这种小一致带来的偏差差在工程许可范围内(5％)，就必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。
8、图纸缩制
钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图由设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾。有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。
二、基本概念探讨
1、螺栓
表1 缺陷的等级分类
承压型高强度螺栓(或摩擦型高强度螺栓)是一个错误的术语，它将螺栓的连接方式(连接的力学模式)和螺栓的种类外形和性能)这两个不相及的概念混为一谈。谈到承压型(Bearing Type)与摩擦型(Friction Type)，它应该属于连接形式(Type of Joint)的范畴。承压型连接和摩擦型连接只是抗剪连接的两种形式。前面提及的两种螺栓既可以用于承压型连接，也可以用于摩擦型连接，性能都是可靠的。至于这两种连接形式的区别和具体计算，在规范、教科书和设计手册中都有详尽的说明。目前高强度螺栓的连．接多用于摩擦型连接，这种连接使得结构的刚度较大，是其主要的优点。
大六角头高强度螺栓的外观和普通螺栓基本一致，只是材料和拧紧的方式不同。扭剪型高强度螺栓为日本人首创。20世纪70年代末随宝钢工程引进。这种螺栓的尾部设有槽口和梅花形卡头，在拧紧螺母时用专用的电动扳手套住螺母和卡头一起拧，直至卡头拧断，此时螺栓也达到了规定的预拉力值。这种高强度螺栓紧同简单，便于检查是否有漏拧或是欠拧，但耗材略多，预拉力值离散性大且需要专用扳手，也是其缺点。扭剪型高强度螺栓目前我国只有10．9级。这两种高强度螺栓的类型与尺寸及性能都有对应的国家标准，所渭连接副指一个螺栓、一个螺母和一个垫圈(大六角头高强度螺栓为两个垫圈)。大六角头高强度螺栓之所以要两个垫圈是因为其螺栓的加工精度较低，难以保证它与构件的紧密结合。
普通螺栓按制作精度分为A、B、C级3种，分别称为精制螺栓、半精制螺栓和粗制螺栓。A、B级螺栓除了螺栓本身制作精度要求较高以外，对螺的精度也要求较高(11类孔)，以前在建筑钢结构中多用于永久螺栓，现在已逐步为高强度螺栓所取代。这是因为如果用8．8级的大六角头高强度螺栓，其价格与精制螺栓相差不多，但高强度螺栓对螺孔的要求和粗制螺栓几乎一样，这样不仅构件的制作和安装成本可以降低，而且施工方便且性能可靠。C级螺栓一般都用于安装螺栓，地脚螺栓也属于粗制螺栓。
2、涂装
其意思与防腐基本一致，不仅包括涂料，还包括对钢材表面的除锈要求。“钢材表面须认真除锈”这样的说明缺乏具体的标准，应该注明除锈等级Sa2．5，或除锈等级St3。Sal、Sa2、Sa2．5、Sa3是喷射或抛射(通常说的喷砂只是其中一种)的等级要求，共有4级。手工和动力工具除锈等级只有St2、St3两种。我国对于除锈等级早已有国家标准《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》(GB8923--88)。喷射除锈仪除锈彻底，而且能在钢材表面形成微小的凸凹面，有利于涂料与钢材的黏结，大大提高防腐年限。当构件有残余应力时，喷射还可以消除部分残余应力，值得大力推广。
常见问题
非对称截面材料的在使用中应注意的问题
在钢结构设计和施工中，应用最广泛的材料有普通钢板、花纹钢板、圆钢、螺纹钢、圆钢管、方钢管、工字钢、H型钢、槽钢、等边角钢、非等边角钢几种，其中后面三种(槽钢、等边角钢、非等边角钢)材料就是非对称截面材料。当载荷和跨度较小时我们一般采用单一成型型钢，如各种楼体的立柱，座筛的筛梁等，这时使用型钢一般为对称截面的型钢如：工字钢、H型钢、钢管、方管等，当载荷和跨度较大，超过了单一型钢的承载能力范围时，可以采用拼合截面构件，由于需要额外的切割成型和焊接，组合截面构件的造价相应提高，但能充分发挥其承受载荷大、跨度远、抗扭刚度大的优点，由两个或多个相互连接的型钢构成的拼合截面构件，如用双槽钢拼合成的简易桁架梁、由小型型钢(槽钢、角钢)组合而成的桁架梁及格构式立柱等，应用起来非常方便。但非对称截面如槽钢、角钢等都应成对使用，防止因截面剪切中心与载荷中心不重合而导致扭转失稳，确保构件的稳定性，并且有必要可增加另外的约束，这一点非常重要。
2、防腐及维护方面的细节处理
所有暴露于空气中的建筑材料均会随时间而老化。为防止钢结构受大气腐蚀的影响通常需要采取一定程度的防护措施。适用的防护体系很多，并可为钢结构提供最经济的、足够的保护。细部构造对防护措施的寿命有重要的影响。特别是合理的细部构造，尤其对于外部构造，要避免水分和污垢在面层和构件之间积留。如果端部采用焊接封闭，则空心截面不需要进行内部的防锈处理。对于在内部采用加强筋并需要在以后进行检查的大型内部加强空心截面构件，如水上浮筒，通常对其内部采取防锈措施。出入孔要用带垫圈的盖板封闭，以尽量阻止水分的进入，这样就可以采用较经济的防锈措施。对于潜没式结构如浮筒，难以接近进行维护，可采用阴极保护进行防锈。
结语 本文对钢结构设计中的相关问题进行了讨论，列举了一些具体事宜，这些都是在实际中经常遇到的，但不仅仅是这些。本文在这里起一个抛砖引玉的作用，以引起设计人员进行钢结构设计时，别忘了对细部结构的处理，使我们的设计更加完美。
钢结构设计步骤
判断结构是否适合用钢结构
钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大，有较大振动、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、雕塑、仓棚、工厂、住宅、山地建筑和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。
结构选型与结构布置
结构选型时，应考虑不同结构形式的特点。在工业厂房中，当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50度外不需考虑雪载)，降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宣选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。
预估截面
钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常住跨度的1／20--1／50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算。
结构分析
目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能。这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件：典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。简单结构通过手算进行分析。复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。
5、工程判定
要正确使用结构软件，还应对其输出结果的做工程判定。比如，评估各向周期、总剪力，变形特征等。根\工程判定选择修改模型重新分析，还是修正计算结果，不同的软件会有不同的适用条件，初学者应充分明了。此外，工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离，为了获得实用的设计方法，有时会用误差较大的假定，但对这种误差，会通过适用条件，概念及构造的方式来保证结构的安全．钢结构设计中，适用条件、概念及构造是比定量计算更重要的内容。工程师们过分信任与依赖结构软件有可能带来结构灾难，注重概念设计，工程判定和构造措施有助于避免这种灾难。
构件设计
节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。有时出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，如果你不能确信这种小一致带来的偏差差在工程许可范围内(5％)，就必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。
8、图纸缩制
钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图由设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾。有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。
二、基本概念探讨
1、螺栓
表1 缺陷的等级分类
承压型高强度螺栓(或摩擦型高强度螺栓)是一个错误的术语，它将螺栓的连接方式(连接的力学模式)和螺栓的种类外形和性能)这两个不相及的概念混为一谈。谈到承压型(Bearing Type)与摩擦型(Friction Type)，它应该属于连接形式(Type of Joint)的范畴。承压型连接和摩擦型连接只是抗剪连接的两种形式。前面提及的两种螺栓既可以用于承压型连接，也可以用于摩擦型连接，性能都是可靠的。至于这两种连接形式的区别和具体计算，在规范、教科书和设计手册中都有详尽的说明。目前高强度螺栓的连．接多用于摩擦型连接，这种连接使得结构的刚度较大，是其主要的优点。
大六角头高强度螺栓的外观和普通螺栓基本一致，只是材料和拧紧的方式不同。扭剪型高强度螺栓为日本人首创。20世纪70年代末随宝钢工程引进。这种螺栓的尾部设有槽口和梅花形卡头，在拧紧螺母时用专用的电动扳手套住螺母和卡头一起拧，直至卡头拧断，此时螺栓也达到了规定的预拉力值。这种高强度螺栓紧同简单，便于检查是否有漏拧或是欠拧，但耗材略多，预拉力值离散性大且需要专用扳手，也是其缺点。扭剪型高强度螺栓目前我国只有10．9级。这两种高强度螺栓的类型与尺寸及性能都有对应的国家标准，所渭连接副指一个螺栓、一个螺母和一个垫圈(大六角头高强度螺栓为两个垫圈)。大六角头高强度螺栓之所以要两个垫圈是因为其螺栓的加工精度较低，难以保证它与构件的紧密结合。
普通螺栓按制作精度分为A、B、C级3种，分别称为精制螺栓、半精制螺栓和粗制螺栓。A、B级螺栓除了螺栓本身制作精度要求较高以外，对螺的精度也要求较高(11类孔)，以前在建筑钢结构中多用于永久螺栓，现在已逐步为高强度螺栓所取代。这是因为如果用8．8级的大六角头高强度螺栓，其价格与精制螺栓相差不多，但高强度螺栓对螺孔的要求和粗制螺栓几乎一样，这样不仅构件的制作和安装成本可以降低，而且施工方便且性能可靠。C级螺栓一般都用于安装螺栓，地脚螺栓也属于粗制螺栓。
2、涂装
其意思与防腐基本一致，不仅包括涂料，还包括对钢材表面的除锈要求。“钢材表面须认真除锈”这样的说明缺乏具体的标准，应该注明除锈等级Sa2．5，或除锈等级St3。Sal、Sa2、Sa2．5、Sa3是喷射或抛射(通常说的喷砂只是其中一种)的等级要求，共有4级。手工和动力工具除锈等级只有St2、St3两种。我国对于除锈等级早已有国家标准《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》(GB8923--88)。喷射除锈仪除锈彻底，而且能在钢材表面形成微小的凸凹面，有利于涂料与钢材的黏结，大大提高防腐年限。当构件有残余应力时，喷射还可以消除部分残余应力，值得大力推广。
常见问题
非对称截面材料的在使用中应注意的问题
在钢结构设计和施工中，应用最广泛的材料有普通钢板、花纹钢板、圆钢、螺纹钢、圆钢管、方钢管、工字钢、H型钢、槽钢、等边角钢、非等边角钢几种，其中后面三种(槽钢、等边角钢、非等边角钢)材料就是非对称截面材料。当载荷和跨度较小时我们一般采用单一成型型钢，如各种楼体的立柱，座筛的筛梁等，这时使用型钢一般为对称截面的型钢如：工字钢、H型钢、钢管、方管等，当载荷和跨度较大，超过了单一型钢的承载能力范围时，可以采用拼合截面构件，由于需要额外的切割成型和焊接，组合截面构件的造价相应提高，但能充分发挥其承受载荷大、跨度远、抗扭刚度大的优点，由两个或多个相互连接的型钢构成的拼合截面构件，如用双槽钢拼合成的简易桁架梁、由小型型钢(槽钢、角钢)组合而成的桁架梁及格构式立柱等，应用起来非常方便。但非对称截面如槽钢、角钢等都应成对使用，防止因截面剪切中心与载荷中心不重合而导致扭转失稳，确保构件的稳定性，并且有必要可增加另外的约束，这一点非常重要。
2、防腐及维护方面的细节处理
所有暴露于空气中的建筑材料均会随时间而老化。为防止钢结构受大气腐蚀的影响通常需要采取一定程度的防护措施。适用的防护体系很多，并可为钢结构提供最经济的、足够的保护。细部构造对防护措施的寿命有重要的影响。特别是合理的细部构造，尤其对于外部构造，要避免水分和污垢在面层和构件之间积留。如果端部采用焊接封闭，则空心截面不需要进行内部的防锈处理。对于在内部采用加强筋并需要在以后进行检查的大型内部加强空心截面构件，如水上浮筒，通常对其内部采取防锈措施。出入孔要用带垫圈的盖板封闭，以尽量阻止水分的进入，这样就可以采用较经济的防锈措施。对于潜没式结构如浮筒，难以接近进行维护，可采用阴极保护进行防锈。
结语 本文对钢结构设计中的相关问题进行了讨论，列举了一些具体事宜，这些都是在实际中经常遇到的，但不仅仅是这些。本文在这里起一个抛砖引玉的作用，以引起设计人员进行钢结构设计时，别忘了对细部结构的处理，使我们的设计更加完美。
