钢结构设计整体结构体系的设计

汤莉莎

摘要：结构设计要使结构的可靠性和经济之间达到平衡，在最经济的条件下，使建成的结构能满足各种预定的功能要求，在使用期间经受各种自然和人为作用的考验，而且不妨碍建筑物的正常使用。为此，在结构设计中应主要考虑结构的效应计算和可靠性两个方面的问题，只有将这两者相结合，相得益彰，才能使结构设计方法臻于完善。本文重点对钢结构整体结构体系的设计做了简要分析。

关键词：钢结构;整体结构;设计思路

前  言

钢结构结构性能好、空间跨度大、造价低，而且可循环利用，便于预制安装，在施工中，可大大缩短建设时间，所以在建筑业中得到了广泛的应用。在钢结构设计的整个过程中，概念设计是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获得的设计思想的方法，对于结构选型与布置阶段非常重要。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，直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。钢结构设计的基本原则是要做到技术先进、经济合理、安全适用和确保质量。

一、钢结构设计要点分析

1.材料选择

钢结构设计在材料要求上应该具有较高的强度、足够的变形力、优良的加工性能。承重结构的钢材在要求上必须具有抗拉强度、伸长率、屈服点以及碳、硫、磷的含量必须保证合格。同时焊接结构必须具有冷弯试验的合格保证，要求承受动力荷载的结构及重要的受拉或者受弯的焊接结构必须具有常温或者负温度下冲击韧性的合格保证。

2.结构选型与结构布置

由于结构选型涉及广泛，做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指导下进行，概念设计在钢结构设计的整个过程中非常重要，尤其是在结构选型与布置阶段，其可以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，解决一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题。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、网架（壳）、平面（桁）架、轻钢、索膜、塔桅等结构型式，在结构选型时，应考虑它们不同的特点，在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载时，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。在基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落（切线50度内需考虑雪载），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，宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。我国半数以上的此类高层为前者，对抗震极其不利。

3.节点设计

连接方式的不同對结构影响甚大。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动，不符合结构分析中的假定。会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。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，必须避免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的情况。按传力特性不同，节点分刚接、铰接和半刚接，一般选择可以简单定量分析的前两者。

3.1焊接。连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法，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。在焊接操作中，应严格遵守焊接焊缝的尺寸及形式等规范。焊条的选用应和被连接金属材质适应。不得任意加大焊缝，焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近，其他详细内容要参照相关规范关于焊缝构造方面的规定。

3.2栓接。在栓接作业中，现已很少采用铆接形式，因为普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。现在使用比较广泛的是高强螺栓，常用8.8s和10.9s两个强度等级，根据受力特点，又将其分为承压型和摩擦型，两者计算方法不同，高强螺栓最小规格M12，常用M16-M30，超大规格的螺栓性能不稳定，在设计中应慎重使用，自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接，国外在低层墙板式住宅中，也常用于主结构的连接;连接板的厚度为梁腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪等;在梁腹板的设计中，应验算栓孔处腹板的净截面抗剪，承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。此外，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。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定，充分考虑制造厂的工艺水平，比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。

4.轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算

残余应力是影响钢压杆稳定的重要因素，同样长细比的杆件由于残余应力的分布和量值不同使其承载力出入很大，应力，象这种在没有外力作用下，截面产生的应力称作残余应力。翼缘越宽，两个区域的温差就会越大，则残余应力的峰值越大。焊缝的残余应力产生的机理与此类似，不过焊缝处的金属处于熔融状态，它的热望性变形受到压缩以后，在收缩时要趋于缩得更短，因此受到的拉力要更大，有时焊缝处的残余应力会达到屈服点。对于双轴对称或极对称的杆件一般是以弯曲屈曲作为极限状态，因此要先求出两个方向的长细比进行比较，然后取大者来控制截面。

5.防锈蚀与防火

钢结构因其自身的特点对锈蚀和高温（火焰）具有敏感性，因此对于周围环境存在这两种情况的时候，必须做好钢结构的防锈蚀与防火。具体要求详见相应国家规范，特殊行业，如石化，还需满足行业规范要求。值得注意的一点是两种防护材料的调和性，即两种材料不能接触后发生反应而丧失原性能，亦不能相互抵触而使某层材料脱落。

6.图纸编制

钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，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。首先，设计图是提供制造厂编制施工详图的依据，其深度及内容应完整但不冗余，对于设计依据、技术数据、荷载资料、设计要求，材料选用及材质要求、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应在设计图中表示清楚，以利于施工详图的顺利编制和设计意图的体现，此外，对于施工的主要材料也应列表表示;其次，要制定施工详图，即加工图或放样图等，要求车间可参照其直接制造加工，对于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，目前，设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间也不尽相同。

二、结束语

钢结构具有强度高、自重轻、施工速度快、抗震性能好等优点，钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已经开始做为重点推广项目。随着人们的生活水平的提高，对钢建筑结构设计要求也越来越高。因此，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中，我们要充分发挥结构工程师的创新能力，因为他们是结构设计革命的推动者和执行者。

参考文献：

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