鋼結構設計簡單步驟和思路的探討

周玲霞

【摘 要】本文探討了八個方面的內容:即結構是否適用鋼結構,結構選型與結構布置,預估截面,結構分析,工程判定,構件設計,節(jié)點設計,圖紙編制。

【關鍵詞】鋼結構 設計 節(jié)點

一、結構是否適用鋼結構

鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。這是和鋼結構自身的特點相一致的。

二、結構選型與結構布置

此處僅簡單介紹,詳請參考相關專業(yè)書籍。

在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是“概念設計”,它在結構選型與布置階段尤其重要,對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題,可依據(jù)從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經驗所獲得的設計思想,從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案易于手算、概念清晰、定性正確,并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時,它也是判斷計算機內力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

鋼結構通常有框架、平面(木行)架、網架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實用的設計方法。

結構選型時,應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業(yè)廠房中,有較大懸掛荷載或移動荷載時,可考慮放棄門式剛架而采用網架。基本雪壓大的地區(qū),屋面曲線應有利于積雪滑落(切線50度內需考慮雪載)?？傃┹d釋放近一半。降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時,在框架中布置支撐會比簡單的節(jié)點剛接的框架有更好的經濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中,可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體系等。

結構的布置要根據(jù)體系特征、荷載分布情況及性質等綜合考慮。一般說要剛度均勻,力學模型清晰,盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎,柱間抗側支撐的分布應均勻,其形心要盡量靠近側向力(風震)的作用線。否則應考慮結構的扭轉,結構的抗側應有多道防線。

框架結構的樓層平面次梁的布置,有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁,但是這會使主梁截面加大,減少了樓層凈高,頂層邊柱也有時會吃不消,此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

三、預估截面

結構布置結束后,需對構件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。

鋼梁可選擇槽鋼、工字鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況,其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時,可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復雜計算,這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后,其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構造規(guī)定預估。

柱截面按長細比預估,通常50<λ<150,簡單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同,可選擇鋼管或H型鋼截面等。

應注意的是,對應不同結構,規(guī)范中對截面的構造要求有很大的不同。在普鋼規(guī)范和輕鋼規(guī)范中的限值有很大的區(qū)別。

除此之外,構件截面形式的選擇沒有固定的要求,結構工程師可根據(jù)構件的受力情況,選擇適用的截面。

四、結構分析

目前鋼結構實際設計中,結構分析通常為線彈性分析,條件允許時考慮P-Δ,p-δ。

新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能.這為更精確的分析結構提供了條件。并不是所有的結構都需要使用軟件:

典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形。

簡單結構通過手算進行分析。

復雜結構才需要建模運行程序并做詳細的結構分析。

五、工程判定

要正確使用結構軟件,還應對其輸出結果的做“工程判定”。根據(jù)“工程判定”選擇修改模型重新分析,還是修正計算結果。

不同的軟件會有不同的適用條件,初學者應充分明了。此外,工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離,為了獲得實用的設計方法,有時會用誤差較大的假定,但對這種誤差,會通過“適用條件、概念及構造”的方式來保證結構的安全。鋼結構設計中,“適用條件、概念及構造”是比定量計算更重要的內容。

六、構件設計

構件的設計首先是材料的選擇,比較常用的是Q235和Q345,通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理,經濟考慮,也可以選擇不同強度鋼材的組合截面,當強度起控制作用時,可選擇Q345;穩(wěn)定控制時,宜使用Q235。

構件設計中,現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面,這和結構內力計算的彈性方法并不匹配。

當前的結構軟件,都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步,一些軟件可以將驗算時不通過的構件,從給定的截面庫里選擇加大一級,并自動重新分析驗算,直至通過。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。

七、節(jié)點設計

連接節(jié)點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一,在結構分析前,就應該對節(jié)點的形式有充分思考與確定,常常出現(xiàn)的一種情況是,最終設計的節(jié)點與結構分析模型中使用的形式不完全一致,如不能確信這種不一致造成的偏差在工程允許的范圍內,就必須避免,按傳力特性不同,節(jié)點分剛接,鉸接和半剛接。初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。連接的不同對結構影響甚大。

連接節(jié)點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法,初學者可偏安全選用前者,設計手冊中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者查用,比較方便。也可以使用結構軟件的后處理部分來自動完成。

具體設計內容:(1)焊接。(2)栓接。(3)連接板。(4)梁腹板。(5)節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。此外,還應盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。(6)節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平。

八、圖紙編制

1.設計圖。是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù)。深度及內容應完整但不冗余,在設計圖中,對于設計依據(jù)、荷載資料、技術數(shù)據(jù)、材料選用及材質要求、設計要求等均應表示清楚,以利于施工詳圖的順利編制,并能正確體現(xiàn)設計的意圖。主要材料應列表表示。

2.施工詳圖。又稱加工圖或放樣圖等,深度須能滿足車間直接制造加工,不完全相同的另構件單元須單獨繪制表達,并應附有詳盡的材料表。