钢结构设计简单步骤:结构适用性判断与选型布置
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- 2025-04-04
- 钢结构资料库
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直观而言:像大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、雕塑、仓棚、工厂、住宅、山地建筑以及临时建筑等。这与钢结构自身的特点是相契合的。结构选型及布置是对结构的定性工作,因为其涉及的范围较为广泛,所以应当在经验丰富的工程师的指导下开展。对于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,从全局角度来确定控制结构的布置及细部构造措施。早期进行构思、比较与选择时迅速且有效,所得结构方案通常易于手算,其力学行为清晰且定性正确,还能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。林同炎教授在《结构概念和体系》这本书里,介绍了一种方法,即通过整体概念来规划结构方案。同时,还介绍了结构总体系与个分体系之间的相互力学关系以及简化近似设计方法。
钢结构包含框架、平面桁架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构形式。其理论与技术大多已经成熟。然而,也有部分难题尚未解决,或者没有简单实用的设计方法,例如网壳的稳定等。在进行结构选型时,需要考虑不同结构形式的特点。在工业厂房中,如果有较大的悬挂荷载或者大范围的移动荷载,就可以考虑舍弃门式刚架而选用网架。在基本雪压大的地区,屋面曲线应具备利于积雪滑落的特点(在切线 50 度之外无需考虑雪载)。例如,亚东水泥厂的石灰石仓棚采用了三心圆网壳,其总雪载与坡屋面相比,释放了近一半。在降雨量大的地区,也应进行相似的考虑。当建筑允许时,在框架中布置支撑,会比单纯的节点刚接框架具有更好的经济性。在屋面覆盖跨度较大的建筑里,能够选择以构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。在高层钢结构设计中,常常会采用钢混凝土组合结构。在地震烈度高或者结构很不规则的高层中,不应该仅仅为了经济而选择不利于抗震的核心筒加外框的形式。更适宜选择周边是巨型 SRC 柱,核心为支撑框架的结构体系。我国超过半数的这类高层属于前者,这种形式对抗震是不利的。结构的布置需依据体系特征、荷载分布情况及性质等进行综合考量。一般而言,要做到刚度均匀,力学模型清晰。应尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围,让其以最直接的线路传递至基础。柱间抗侧支撑的分布应保持均匀,其形心要尽量靠近侧向力(风、震)的作用线,若不然就需考虑结构的扭转。结构的抗侧要有多道防线,例如有支撑框架结构,柱子至少应能独自承受 1/4 的总水平力。框架结构的楼层平面次梁布置,有时可对其荷载传递方向进行调整,以满足不同的要求。
通常为了减小截面,会沿短向布置次梁。不过这样做会使主梁截面加大,进而减少楼层净高,顶层边柱有时也会难以承受。在这种情况下,把次梁支撑在较短的主梁上,就可以牺牲次梁来保住主梁和柱子。预估截面结构布置结束后,需要对构件截面进行初步估算,主要是对梁柱和支撑等的断面形状与尺寸进行假定。钢梁可以选择槽钢、轧制或焊接 H 型钢截面等。根据荷载以及支座的情况,其截面高度一般在跨度的 1/20 到 1/50 这个范围进行选择。当翼缘宽度依据梁间侧向支撑的间距按照 l/b 限值来确定时,就能够避开钢梁整体稳定的复杂计算,并且这种方法很受人们的欢迎。在确定了截面高度和翼缘宽度之后,其板件厚度可以按照规范中关于局部稳定的构造规定来进行预估。柱截面通过长细比来预估钢结构设计步骤,一般为 50It 到 150It ,简单的选择值在 80 附近。依据轴心受压、双向受弯或者单向受弯的差异,能够选择钢管或者 H 型钢截面等。针对不同的结构,规范对于截面的构造要求存在很大差异,像钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题,在普钢规范和轻钢规范里的限值有着很大区别。除此之外,对于构件截面形式的选择没有固定的要求。结构工程师需要依据构件的受力情况,合理地选择既安全又经济且美观的截面。在目前钢结构的实际设计中,结构分析通常是线弹性分析。如果条件允许,会考虑 P- 、p-S 。新近的一些有限元软件能够部分考虑几何非线性以及钢材的弹塑性能。这为更精确地分析结构提供了条件。
并非所有结构都需使用软件。典型结构可通过查阅力学手册等工具书直接获取内力和变形。简单结构可通过手算进行分析。复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。工程判定方面,要正确使用结构软件,还应对其输出结果进行“工程判定”,比如评估各向周期、总剪力、变形特征等。构件设计首先要进行材料选择,比较常用的是 Q235 和 Q345。当强度起控制作用时,可选择 Q345;当稳定起控制作用时,宜使用 Q235。通常主结构使用单一钢种,以便于工程管理。从经济方面考虑,也可以选择不同强度钢材的焊接组合截面(翼缘 Q345,腹板 Q235)。另外,焊接结构宜选择 Q235B 或 Q345B。
当前的结构软件具备截面验算的后处理功能。有些软件能够把不通过的构件,从给定的截面库中挑选出加大一级的,然后自动重新进行验算,一直到通过为止,像 sap2000 等软件就是这样。这属于常说的截面优化设计功能的一种,它大大减少了很多工作量。但是,我们需注意以下两点:其一,当前所使用的软件在对构件(主要是柱)进行截面验算时,现有的所有程序都无法完全解决此问题。其二,对于节点连接情况复杂或变截面的构件,我们应当逐个进行检查。并且,当上面第(三)条中预估的截面不满足要求时,加大截面应区分两种情况来对待。强度若不满足,一般会采取加大组成截面的板件厚度这一措施,在其中,要是抗弯不满足,就加大翼缘厚度,要是抗剪不满足,就加大腹板厚度。变形如果超限,通常不应该通过加大板件厚度来解决,而应该考虑加大截面的高度,不然会很不经济。使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能,难以考虑上述强度与刚度的区分。实际上,除了常用于网架设计之外,其他结构形式通常并不合适。节点设计是钢结构设计中的重要内容之一。在进行结构分析之前,就应当对节点的形式进行充分的思考和确定。有时会出现这样一种情况,即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。如果不能确信这种不一致所带来的偏差在工程许可范围内(5%),就必须避免。
按传力特性划分,节点分为刚接、铰接和半刚接。初学者最好选择可以进行简单定量分析的刚接和铰接这前两者。常用的参考书[2]中,有丰富的推荐的节点做法以及计算公式。连接的不同对结构会产生很大的影响。例如,有些刚接节点虽然能够承受弯矩,但会产生较大的转动,这不符合结构分析中的假定,会导致实际工程中的变形大于计算数据等不利结果。连接节点有等强设计和实际受力设计这两种常用的方法,初学者可以偏安全地选用等强设计这种方法。设计手册[2]中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查阅使用,比较方便。也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成相关工作。具体设计主要包含以下内容:焊接方面,对于焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,必须严格遵守。焊条的选用应与被连接金属材质相适应,比如 E43 对应 Q235,E50 对应 Q345。当 Q235 与 Q345 连接时,应该选择低强度的 E43,而不是 E50。在焊接设计中,不得任意加大焊缝。焊缝的重心应尽量与被连接构件的重心接近。其他详细内容可查阅规范中关于焊缝构造方面的规定。栓接方面,铆接形式在建筑工程中现已很少采用。普通螺栓的抗剪性能较差,可以在次要结构部位使用。高强螺栓的使用日益广泛,常用 8.8s 和 10.9s 这两个强度等级。根据受力特点,高强螺栓分为承压型和摩擦型,两者的计算方法不同。高强螺栓的最小规格为 M12,常用 M16 至 M30。超大规格的螺栓性能不稳定,应慎重使用。
自攻螺丝被用于板材与薄壁型钢之间的次要连接。在低层墙板式住宅中,它也常被用于主结构的连接。而难以解决的一个问题是在自攻过程中防腐层会被破坏。连接板方面:需要对栓孔削弱处的净截面抗剪等进行验算。连接板的厚度可以简单地取为梁腹板厚度加上 4mm,这样的话,除了短梁或者有较大集中荷载的梁之外钢结构设计步骤,通常不需要对其抗剪进行验算。梁腹板需验算栓孔处腹板的净截面抗剪。对于承压型高强螺栓连接,还得验算孔壁局部承压。节点设计要考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间以及构件吊装顺序等。初学者常犯构件运到现场无法安装的错误。此外,应让工人能方便地进行现场定位与临时固定。钢结构设计出图分为设计图和施工详图两个阶段。设计图由设计单位提供,施工详图通常由钢结构制造公司依据设计图来编制,有时也会由设计单位代为编制。近年钢结构项目增多,同时存在设计院钢结构工程师缺乏的矛盾,在这种情况下,有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况较为普遍。设计图能够为制造厂编制施工详图提供依据。其深度和内容既要完整,又不能冗余。在设计图里,要将设计依据、荷载资料(其中包含地震作用)、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求(包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等方面)、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等都表示得清清楚楚,这样有利于施工详图的顺利编制,也能让设计的意图得到正确体现。
主要材料需用列表来表示。施工详图,它也被称作加工图或者放样图等。其深度要能够满足车间直接进行制造加工。对于不完全相同的另构件单元,必须单独进行绘制并表达出来,并且还应附有详细的材料表。设计图以及施工详图的内容表达方法和出图深度的控制,目前呈现出比较混乱的状态,各个设计单位之间以及它们与钢结构公司之间都不相同。初学者可参考他人的优秀设计,也可参考相关的工具书[3],然后依据规范规定进行编制。爱人的人,别人会一直爱他;尊敬别人的人,别人会一直尊敬他。用宽容来辅助严厉,用严厉来辅助宽容,政事因此而和谐。将军的额头上能跑马,宰相的肚子里能撑船。最高贵的复仇方式是宽容。有时宽容所引发的道德震动比惩罚更为强烈。君子贤能却能容纳无能之人,聪明却能容纳愚笨之人,渊博却能容纳浅薄之人,纯粹却能容纳杂芜之人。宽容意味着忘却。每个人都有痛苦,都有伤疤。如果动不动就去揭开,就会增添新的创伤。旧的伤痕和新的伤口难以愈合。我们要忘记昨日的是非,忘记别人先前对自己的指责和谩骂。时间就像是良好的止痛剂。学会忘却,生活才会有阳光,才会有欢乐。不要轻易舍弃感情,因为谁都会感到心疼。不要在冲动之下做决定,否则会后悔一生。也许仅仅一句分手,就再也无法相见;也许仅仅一次主动,就能挽回遗憾。世界上存在的感情都会有争吵,只是心灵不肯包容;生活中会有生气的人,只是心不知道原谅。感情并非游戏,谁都承受不起伤害;人心不是钢铁,谁都难以忍受疼痛。好的缘分,靠的是真心和诚意;真的感情,需要的是不离开不抛弃。
爱你的人,不会去伤害你;伤害你的人,是不爱你的。你在别人心中的重要程度,自己能够有所察觉。所谓那华丽的转身,背后都蕴含着旁人难以理解的深情。人在旅途中,愿意陪你一段路的人有很多,而能够陪你一生的人却极少。谁在默默地守候,谁又从未远离,谁能够一直都在你身边?在这世上,别期望每个人都对你友好,对你好的人一辈子也难以碰到几个。人心仅有一颗,能放在心中的人不会很多;感情就那么一小块,心里始终装着你确实难得。动了真感情,感情才会最难割舍;付出了真心,心才会最难舍弃。你在谁面前显得最愚笨,就是最爱谁。其实恋爱就是这般简单,会让你的智商降低,性格完全改变,变得越来越不果断。所以呢,不管你有多聪慧,多有办法,多具攻击性,真正爱上一个人时,这些都全然用不上。这件事情让我们明白。在你面前显得很聪明且很有手段的人,其实并不爱你。在遇到你之前,我曾以为爱意味着惊天动地,意味着轰轰烈烈且抵死缠绵;我曾以为爱意味着荡气回肠,意味着热血沸腾且幸福满满。爱他人的人,他人也会一直爱他;尊敬他人的人,他人也会一直尊敬他;用宽容来辅助严厉,用严厉来辅助宽容,政事因此而和谐。将军的额头上能够跑马,宰相的肚子里能够撑船。最为高贵的复仇方式就是宽容。有时宽容引发的道德震动比惩罚更为强烈。君子贤能却能包容无能之人,智慧却能包容愚笨之人,渊博却能包容浅薄之人,纯粹却能包容杂芜之人。宽容意味着忘却,每个人都有痛苦,都有伤疤,动不动就去揭开,就会增添新的创伤,旧的伤痕和新的伤痛难以愈合,忘掉昨日的是非对错,忘掉别人先前对自己的指责和谩骂,时间如同良好的止痛剂,学会忘却,生活才会有阳光,才会有欢乐。不要轻易舍弃感情,因为每个人都会感到心疼;不要在冲动之下做决定,否则会后悔一辈子。或许仅仅一句分手,就再也无法相见;或许仅仅一次主动,就能够挽回遗憾。世界上不存在没有争吵的感情,只有不愿意包容的心灵;生活中不存在不会生气的人,只有不懂得原谅的心。感情并非游戏,谁都承受不起伤害;人心并非钢铁,谁都经受不起疼痛。
结构布置钢梁截面估算
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