关于钢结构设计教学中的一些思考
2020-04-02周俐俐沈鹃
周俐俐 沈鹃
摘 要
钢结构设计课程是土木工程专业的核心专业课，在钢结构设计教学过程中，对一些问题需要进行辩证理解。本文结合具体实例谈谈土木工程专业钢结构设计教学中的一些辩证思考方法，有助于培养学生的独立思考能力，也为土木工程专业其他结构类课程的教学提供一些参考。
关键词
钢结构设计;辩证思考方法;教学
中图分类号： TV34-4 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.044
钢结构设计课程是土木工程专业的核心专业课，在鋼结构设计教学过程中，对一些问题进行深度分析，教会学生们对问题进行深度思考，辩证理解。下文结合具体实例谈谈土木工程专业钢结构设计教学中的一些辩证思考方法，同时也为土木工程专业其他结构类课程的教学提供一些参考。
1 梁的最小高度确定
在组合梁的设计中，需要初步选择梁的截面尺寸，包括初步确定截面高度、腹板尺寸和翼缘尺寸。首先需要确定梁的截面高度，梁的截面高度应根据建筑设计容许的最大高度、刚度要求的最小高度和用钢量最少的经济高度三方面条件确定。梁的最小高度是根据刚度要求确定的，即根据正常使用极限状态的要求，在荷载标准值作用下，梁的挠度不得超过设计规范规定的容许值。比如均布荷载作用下的简支梁，其相对挠度应满足：
由
将综合荷载分项系数1.4（近似取恒荷载分项系数1.3和活荷载分项系数1.5的平均值），将
则
若在梁的挠度达到挠度容许值的同时，梁的抗弯强度亦达到钢材的抗弯强度设计值f，即令σ=f，这样可充分利用钢材强度，则式（1）变成：
式中：l——梁的跨度，mm;
[vT]——永久荷载和可变荷载标准值产生的挠度（如有起拱应减去拱度）的容许值，mm;
f——钢材的抗弯强度设计值，N/mm2。
由式（2）可得出不同情况下的最小梁高hmin。《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）规定主梁的允许挠跨比为[vT]/l=1/400，次梁的允许挠跨比为[vT]/l=1/250，此时最小梁高可参考表1。需要说明表1是根据均布荷载作用下的简支梁推导出的梁高取值，当梁端部是刚性连接或半刚性连接的情况下，梁高可以适当减小，梁的高跨比可以适当放宽到1/20～1/15。
从表1中发现，钢材厚度越厚，梁的最小高度可以取得越小。而钢材厚度越厚，强度越低，其力学性能愈差。因为，在钢材的热轧成型过程中，厚度越薄的钢材，其压缩比越大，随着压缩比增大，即钢材厚度轧制得愈小，其强度、塑性及冲击韧性性能愈好。因此，我们不能孤立地看问题，需要辩证地分析问题。钢材厚度较大会降低钢材的力学性能，但是对梁的最小高度选择有好处，也即选择较小的梁高即可满足要求。我们分析结构问题应该有一种全局的观念，没有绝对的优点，也没有绝对的缺点。结构设计需要考虑各方面的匹配、均衡和协调，做到了各种结构或构件的强度、刚度和稳定性方面的匹配，就是优秀的结构。
2 不同支撑设计方法下支撑框架的破坏模式
钢框架结构可以布置水平支撑和竖向支撑，水平支撑分为横向水平支撑和纵向水平支撑，竖向支撑分为竖向中心支撑和竖向偏心支撑。比如对于十字交叉斜杆型的中心支撑，如图1所示。在确定框架和支撑的相对强弱时，就需要全方面的平衡和考虑，并不是支撑的刚度越强越好，也不是框架的刚度越大越好。
对于弱支撑框架，如图1（a）所示。支撑先屈服，消减地震响应。弱支撑就是有侧移，所以支撑屈服后框架继续发生侧移，框架可以继续提供抗震能力，设计属于两道抗震设防。罕遇地震下钢材的极限强度（超出屈服强度部分）可以发挥作用。对于强支撑框架，如图1（b）所示。强支撑就是无侧移或者侧移很少，属于无侧移屈曲，非常危险，是单一的抗震结构体系;任何钢材的延性和超出屈服强度的抗拉强度都无法发挥作用。
通过不同支撑设计方法下支撑框架的破坏模式的对比，我们发现，支撑和框架的强弱是相对的，有侧移和无侧移也是相对的，不能笼统地定性为哪一种情况好，哪一种情况不好。在进行结构设计时，应通过充分的对比和分析，做到协调和匹配的设计就是最优的设计。
（a）弱支撑框架的破坏模式 （b）强支撑框架的破坏模式
图1 不同支撑设计方法下支撑框架的破坏模式
3 结束语
现代应用型工程人才的培养除在注重扎实的理论知识和实践能力培养之外，还应该培养学生对专业知识进行深度辩证思考和养成重视思考的习惯。以学生为本，对土木工程专业结构课程教学中的专业问题进行思考和探索是一项长期的过程，作为土木工程专业的专业教师，应在不断总结教学经验的基础上，不断深度思考教学内容，教会学生分析问题和思考问题是非常必要和迫切的，最终可达到提高教学质量的目的。
参考文献
[1]周俐俐，王汝恒.钢结构（第三版）[M].北京：知识产权出版社，2019.
[2]童根树，钢结构设计方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.
