钢结构设计步骤和思路分析与设计中应注意的问题蒋鹏

钢结构设计步骤和思路分析与设计中应注意的问题蒋鹏

蒋鹏

中国能源建设集团广东火电工程有限公司520000

摘要：随着钢结构的发展日新月异，其结构种类也在不断更新发展，因此从结构选型、布置、分析以及施工的判定、构件设计、节点设计和图纸编制等方面简单的介绍了钢结构设计的设计思路和简单的步骤，以及在设计中遇到的一些问题的解决办法。

关键词：钢结构；设计；步骤；思路；空间；问题与对策

前言：随着经济发展带动着城市建筑的发展，而建筑钢结构是其重要的组成部分，结构种类也在不断的更新发展。因此结构设计人员在进行结构设计时也对新出现的结构了解不足，出现设计误差。下面简单的讨论了钢结构设计的思路与设计中的问题与措施。

1.钢结构的适用性与稳定性

1.1钢结构适用性：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，即大厦、体育馆、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等，这是和钢结构自身特点相一致的。

1.2钢结构设计稳定性：钢结构设计中的一个关键问题就是稳定性，无论哪种类型的钢结构，稳定性设计都是重中之重。钢结构建筑或构件如果产生稳定性问题，会直接造成大量的安全问题，直接导致建筑物严重破坏和经济损失。因此设计人员必须提高认识，认真严肃地对待钢结构稳定性设计，确保万无一失。

2.结构选型与结构布置

2.1钢结构通常有框架、平面桁架、网架、索膜、轻钢、塔桅等结构形式，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，比如网壳的稳定等。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，就可考虑采用网架。基本雪压大的地区屋面曲线应有利于积雪滑落，降雨量大的地区应做相似考虑。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，不应单纯为了经济而采用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。

2.2结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质综合考虑，一般地说要刚度均匀，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，比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1/4的总水平力。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。

3.预估截面与结构分析及设计

3.1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1/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。

3.2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。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。

3.3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，为经济考虑，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。当前的结构软件，都提供了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，如sap2000等。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，但是初学者至少应注意两点：（1）软件在做构件的截面验算时，计算长度系数的取值有时会不符合规范的规定，目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件，结构师应该逐个检查。（2）变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则会很不经济。使用软件可以自动加大截面的优化设计功能，但很难区分强度与刚度，实际上并不合适。

4.钢结构设计应注意的问题

设计深度不够：对于紧急的设计任务，设计院往往采取的做法是外包给加工企业，从而造成设计质量得不到保证。另外钢结构设计院承担设计任务的人员一般为毕业不久的研究生。他们往往缺乏设计经验，对于结构复杂的构件，通常是按照模板设计、照搬规范要求，对于某些特殊结构不进行必要的检验。从一定意义上说，他们进行的是“构件布置图”设计。设计图纸往往显得简单粗糙，节点处经常采用“全焊接节点”或“全铸钢节点”，通常忽略了该连接方法的实用性和安全性。

5.钢结构稳定性设计应注意的问题

5.1在网壳结构稳定性的研究中，用的最广泛的工具为梁一柱单元理论，但该理论难以表现轴力的大小跟弯矩的耦合效应。为此有学者致力于该理论的修正工作：（1）在进行大跨度结构设计时，通常采取的做法是把整体稳定和局部稳定统一考虑，取稳定安全系数。在这一做法中，没有反应整体稳定和局部稳定的内在联系。设计者不能知其然而不知其所以然，对于这些影响钢结构稳定性的因素要搞清来源，要了解其分类。（2）物理、几何不确定性，包括极限应力、材料的弹性模量、切变模量等；构件的长宽比、截面形状、受力状态、截面面积和尺寸。（3）统计的不确定性，统计原理基于大量的数据支撑，从而建立相应的数据函数模型。由于工程中数据的获得存在一定难度，就会导致统计信息的缺乏，产生不确定性。（4）模型的不确定性，在进行结构的分析之前，需要在相应的假设基础上，利用边界条件等条件建立数学模型。由于前提假设的缺陷和人类现阶段理论的不完整性，往往造成所建立的模型存在不确定性。

5.2钢结构稳定性设计经验：（1）受弯钢构件的板件局部稳定，可以通过几种方式实现：限制板件宽厚比，在发生屈曲破坏前使构件达到极限承载力；使板件在构件发生破坏前发生屈曲破坏，在利用其屈曲后的状态来提高整个构件的承载能力；对量的局部失稳情况，通过设置加筋肋加以解决。（2）轴心受压构件和压弯构件局部稳定的控制方式。翼缘尺寸和腹板高度要做好计算，以此控制轴心受压构件和压弯构件局部稳定；若遇到圆管截面的受压构件，则可以通过控制外径与壁厚之比来实现。

5.3钢结构计算长度系数的确定：（1）反推法，为了钢结构设计应用上的方便，可以把各种约束条件的构件屈服荷载Pcr值换算成相当于两端铰接的轴心受压构件屈曲荷载的形式。其方法是把端部有约束的构件用等效长度为10的构件来代替。（2）反弯点法，竖向荷载为主时，在框架分析得到的弯矩图里，框架柱脚弯矩和柱顶的弯矩方向是相反的，一正一负经过零，零点位置叫反弯点，反弯点都位于柱中点附近。反弯点法是一种手工计算的简化近似计算方法之一种，适用于规则框架。就是利用这个特性，设每层柱子中点弯矩为零，把多层框架截成每层的计算简图来计算。由于约束条件是多种多样的，有时很难在变形曲线上表示出反弯点之间的距离。反弯点法主要包括以下几个步骤：反弯点位置的确定；柱的侧移刚度的确定：各柱剪力的分配：柱端弯矩的计算；梁端弯矩的计算；梁的剪力的计算。

结束语：近二、三十年来，高强度钢材的使用、施工技术的发展以及电子计算机的应用使钢结构体系的发展和广泛应用成为可能。钢结构体系的稳定性一直是国内外学者们关注的研究领域，经过几十年的研究，已取得了不少研究成果。

参考文献：

[1]王岩.孟庆波.浅谈济南奥体中心火灾及钢结构的利弊{J}.科技信息，2009（11）

[2]高轩能.张惠华.钢结构设计及实用计算{J}.中国电力出版社，2008（12）

[3]王宇栋.钢结构防火保护研究与应用{J}.同济大学，2008（12）