鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程分析

寧夏工業(yè)設(shè)計院 馬寅杰

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程分析

寧夏工業(yè)設(shè)計院 馬寅杰

一、鋼結(jié)構(gòu)分類

目前，一般將鋼結(jié)構(gòu)分為重鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)和設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)三種。每種格結(jié)構(gòu)都有各自的特點和用處。

1.重鋼結(jié)構(gòu)。重鋼結(jié)構(gòu)是指廠房行車起吊重量超過25 t，用鋼量不小于50 kg/m2的鋼結(jié)構(gòu)，如石化廠房設(shè)施、軋鋼煉鋼車間、電廠廠房、大跨度的體育場館、展覽中心、高層或超高層鋼結(jié)構(gòu)等。

2.輕鋼結(jié)構(gòu)。輕鋼結(jié)構(gòu)是指主要承重結(jié)構(gòu)為實腹門式剛架，具有輕型屋面和外墻，無吊車或吊車起重量不大于20 t，工作級別為中輕級的鋼結(jié)構(gòu)建筑。

3.設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)。設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)是指大型設(shè)備中的鋼結(jié)構(gòu)部分，如架橋機的塔架鋼結(jié)構(gòu)、NN2機的起重大梁、起重機車身、大型設(shè)備支架等，是一種對精密性、材質(zhì)、連接等要求較高的精密鋼結(jié)構(gòu)。

二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

1.判別項目是否適合鋼結(jié)構(gòu)。在設(shè)計時，要綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)的特點以及工程造價等因素，判斷項目工程是否適合鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。

2.結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置。鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面(桁)架、網(wǎng)架(殼)、索膜、輕鋼和塔桅等結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計時要針對不同建筑的特點，選擇合理經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式。 結(jié)構(gòu)布置要綜合考慮項目工程的體系特征、荷載分布情況及性質(zhì)等多項因素。布置結(jié)構(gòu)時，要求剛度均勻，力學(xué)模型清晰，盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍。 柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻，其形心要盡量靠近側(cè)向力(風(fēng)震)作用線。

3.截面的選擇。結(jié)構(gòu)布置完成后，需對構(gòu)件截面作初步估算，主要是對梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸進(jìn)行假設(shè)預(yù)定。鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H形鋼等。根據(jù)荷載與支座情況，鋼結(jié)構(gòu)的截面高度通常為跨度的1/20～1/50；翼緣寬度可按照梁間側(cè)向支撐間距的1/b限值確定。截面高度和翼緣寬度確定后，板件厚度可按相關(guān)規(guī)范中關(guān)于局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定進(jìn)行預(yù)估。柱截面按長細(xì)比預(yù)估，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形鋼等做梁柱。

4.結(jié)構(gòu)分析。對于簡單結(jié)構(gòu)，可通過手算進(jìn)行分析；典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊之類的工具書，直接獲得內(nèi)力和變形；對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要建模運行程序并作詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。只有依據(jù)科學(xué)的假定，建立正確的計算模型，選擇合適的計算工具進(jìn)行計算，才能得到正確的計算結(jié)果。

5.構(gòu)件設(shè)計。材料的選擇對于構(gòu)件設(shè)計非常重要。工程中比較常用的鋼材料是Q235和Q345。通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種，以便于工程管理；從經(jīng)濟(jì)方面考慮，也可以選擇不同強度的鋼材組合應(yīng)用。選擇不同強度鋼材進(jìn)行組合的一般規(guī)律是：當(dāng)強度起控制作用時，可選擇Q345；當(dāng)剛度起控制作用時，宜使用Q235。相同牌號的鋼材又分不同的質(zhì)量等級，如A，B，C，D級等，應(yīng)綜合考慮焊接要求、受力特點、使用環(huán)境等因素，學(xué)則合適的鋼材。

7.節(jié)點設(shè)計。節(jié)點設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點之一。在結(jié)構(gòu)分析前，確定節(jié)點的形式。節(jié)點設(shè)計主要包括以下內(nèi)容。

（1）焊接設(shè)計。對焊接焊縫的尺寸及形式等應(yīng)按照規(guī)定設(shè)計執(zhí)行。選用的焊條應(yīng)和被連接構(gòu)件的材質(zhì)相適應(yīng)。焊接設(shè)計中，不得任意加大焊縫，焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近，其他詳細(xì)內(nèi)容可查閱關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定。

（2）栓接設(shè)計。在建筑工程中，因為普通螺栓的抗剪性能差，所以栓接現(xiàn)已很少應(yīng)用于主受力構(gòu)件，但仍可在次要結(jié)構(gòu)部位使用，且多用高強螺栓。高強螺栓分承壓型和摩擦型，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

（3）連接板設(shè)計。構(gòu)件端板厚度應(yīng)根據(jù)支承條件按照規(guī)范要求計算；連接節(jié)點處的板件應(yīng)按照規(guī)范驗算其在拉、壓、剪作用下的強度和穩(wěn)定性；單壁式桁架節(jié)點板厚度可按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017–2003）中的選用表進(jìn)行選取。

（4）梁腹板設(shè)計。應(yīng)驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪力，對于承壓型高強螺栓連接，還需驗算孔壁局部承壓。

（5）防銹蝕與防火設(shè)計。由于鋼結(jié)構(gòu)對銹蝕和高溫（火焰）具有敏感性，因此,必須做好其防銹蝕與防火設(shè)計。具體要求詳見相應(yīng)國家規(guī)范，特殊行業(yè)（如石化行業(yè)）還需滿足行業(yè)規(guī)范要求。值得注意的一點是，設(shè)計時要考慮兩種防護(hù)材料的調(diào)和性，即兩種防護(hù)材料不能在接觸后發(fā)生反應(yīng)而喪失原性能，亦不能相互抵觸而使某層材料脫落。

（6）圖紙編制。圖紙是工程施工的重要依據(jù)。在設(shè)計圖中，設(shè)計依據(jù)、荷載資料、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設(shè)計要求等均應(yīng)表示清楚，并能正確體現(xiàn)設(shè)計的意圖，以利于施工的順利進(jìn)行。在設(shè)計圖紙中，主要材料應(yīng)列表表示。

（7）施工詳圖。施工詳圖須能滿足車間直接制造加工，不完全相同的構(gòu)件單元須單獨繪制表達(dá)，并應(yīng)附有詳細(xì)的材料表。

（8）其他要考慮的因素。節(jié)點設(shè)計必須考慮現(xiàn)場焊接的施工空間、螺栓安裝、構(gòu)件吊裝順序等，并進(jìn)行詳細(xì)說明，確保構(gòu)件的順利安裝。此外，節(jié)點設(shè)計還應(yīng)盡可能使工人方便進(jìn)行現(xiàn)場定位與臨時固定，還要兼顧制造廠的工藝水平。