钢结构设计简单步骤和思路的探讨

周玲霞

【摘 要】本文探讨了八个方面的内容:即结构是否适用钢结构,结构选型与结构布置,预估截面,结构分析,工程判定,构件设计,节点设计,图纸编制。

【关键词】钢结构 设计 节点

一、结构是否适用钢结构

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、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。这是和钢结构自身的特点相一致的。

二、结构选型与结构布置

此处仅简单介绍,详请参考相关专业书籍。

在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”,它在结构选型与布置阶段尤其重要,对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题,可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想,从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案易于手算、概念清晰、定性正确,并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时,它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决,或没有简单实用的设计方法。

结构选型时,应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中,有较大悬挂荷载或移动荷载时,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度内需考虑雪载)。总雪载释放近一半。降雨量大的地区相似考慮。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等。

结构的布置要根据体系特征、荷载分布情况及性质等综合考虑。一般说要刚度均匀,力学模型清晰,尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围,使其以最直接的线路传递到基础,柱间抗侧支撑的分布应均匀,其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线。否则应考虑结构的扭转,结构的抗侧应有多道防线。

框架结构的楼层平面次梁的布置,有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次梁,但是这会使主梁截面加大,减少了楼层净高,顶层边柱也有时会吃不消,此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。

三、预估截面

结构布置结束后,需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。

钢梁可选择槽钢、工字钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况,其截面高度通常在跨度的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,这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后,其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

柱截面按长细比预估,通常50<λ<150,简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等。

应注意的是,对应不同结构,规范中对截面的构造要求有很大的不同。在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。

除此之外,构件截面形式的选择没有固定的要求,结构工程师可根据构件的受力情况,选择适用的截面。

四、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,条件允许时考虑P-Δ,p-δ。

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。

五、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”。根据“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。

六、构件设计

构件的设计首先是材料的选择,比较常用的是Q235和Q345,通常主结构使用单一钢种以便于工程管理,经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面,当强度起控制作用时,可选择Q345;稳定控制时,宜使用Q235。

构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面,这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。

当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件,从给定的截面库里选择加大一级,并自动重新分析验算,直至通过。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。

七、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,常常出现的一种情况是,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,如不能确信这种不一致造成的偏差在工程允许的范围内,就必须避免,按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接。初学者宜选择可以简单定量分析的前两者。连接的不同对结构影响甚大。

连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法,初学者可偏安全选用前者,设计手册中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用,比较方便。也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成。

具体设计内容:(1)焊接。(2)栓接。(3)连接板。(4)梁腹板。(5)节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。此外,还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。(6)节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。

八、图纸编制

1.设计图。是提供制造厂编制施工详图的依据。深度及内容应完整但不冗余,在设计图中,对于设计依据、荷载资料、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求等均应表示清楚,以利于施工详图的顺利编制,并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。

2.施工详图。又称加工图或放样图等,深度须能满足车间直接制造加工,不完全相同的另构件单元须单独绘制表达,并应附有详尽的材料表。