試論鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)程序及思路

沈厚林

摘要：文章針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中：結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、預(yù)估截面、結(jié)構(gòu)分析、工程判定、構(gòu)件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、圖紙編制幾方面進(jìn)行論述，介紹一些自己在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的思路，望對(duì)同行業(yè)有一定的參考性價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；程序；思路

Abstract: the article: the design of steel structure is the structure selection, structure arrangement, forecast section, structural analysis, judgement of engineering, component design, node design, drawings, the essay discusses several aspects, introduce some own ideas in the steel structure design, looking for the same industry have a certain reference value.

Key words: steel structure; Design; Program; Train of thought

中圖分類號(hào)：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

一鋼結(jié)構(gòu)使用

鋼結(jié)構(gòu)通常會(huì)在高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載大、振動(dòng)大、高溫車間、經(jīng)常需要進(jìn)行拆裝的結(jié)構(gòu)當(dāng)中加以使用。

二鋼結(jié)構(gòu)選型及布置

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中需要特別指出的是 “概念設(shè)計(jì)”。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)選型和布置過程當(dāng)中是極為重要的一項(xiàng)工作。通常需要一些較難進(jìn)行準(zhǔn)確淺析及在規(guī)范當(dāng)中未有明確規(guī)定的問題，依據(jù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及分系統(tǒng)之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)獲得的相關(guān)設(shè)計(jì)理念，全面的進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的布置與細(xì)節(jié)的處理。科學(xué)合理的選用有關(guān)概念設(shè)計(jì)能夠在短時(shí)間內(nèi)快速的開展構(gòu)思進(jìn)行對(duì)比及選擇，得出的最終結(jié)構(gòu)方案便于計(jì)算，概念清晰、定性準(zhǔn)確，同時(shí)還能夠很好的預(yù)防在結(jié)構(gòu)分析過程中出現(xiàn)在計(jì)算上的麻煩。與此同時(shí)，概念設(shè)計(jì)是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力數(shù)據(jù)真實(shí)性的重要依據(jù)。

鋼結(jié)構(gòu)有框架、平面架、網(wǎng)架、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。目前，鋼結(jié)構(gòu)有關(guān)知識(shí)理論和相關(guān)技術(shù)發(fā)展的趨于成熟化，但在此其中仍然存在一些問題未得到有效解決，或找出簡(jiǎn)單適合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)選型的過程當(dāng)中，需要兼顧其不同的特征。譬如，在輕鋼工業(yè)廠房當(dāng)中，在高荷載或者移動(dòng)荷載的狀況下，則需要選擇使用網(wǎng)架。在基本雪壓較大的區(qū)域，屋面曲線則有助于積雪滑落，總雪載條件允許的區(qū)域當(dāng)中，框架布置支撐與簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)架更加具備經(jīng)濟(jì)功能，然而在一些屋面覆蓋跨度較大的建筑物當(dāng)中，則需要挑選受拉力為主的懸索或者索膜結(jié)構(gòu)體系。

鋼結(jié)構(gòu)布置需根據(jù)該結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)特征、荷載分布情況及結(jié)構(gòu)功能等開展綜合性的考慮。一般情況下，要確保剛度的均勻、力學(xué)模型的清晰，爭(zhēng)取可以對(duì)大荷載及移動(dòng)荷載產(chǎn)生一定的約束作用，促使其能夠以最為直接的方式傳輸至地基基礎(chǔ)上，柱間抗側(cè)支撐分布一定要均衡，形心爭(zhēng)取接近側(cè)向力(風(fēng)震)作用線，不然則需要考慮鋼結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)程度，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)需要設(shè)置多道防線。

框架結(jié)構(gòu)樓層平面中次梁的分布設(shè)置，有的情況下可將其調(diào)整為荷載的傳輸方向來(lái)達(dá)到在不同情況下的要求。通常情況下，為縮減載面沿短向布置次梁,但這種情況下會(huì)導(dǎo)致主梁截面增加，縮小了樓層的凈高，頂層邊柱在這一情況的，為此，需要將次梁支撐在主梁上面，以確保主梁跟柱子的完整性能。

三預(yù)估截面

在鋼結(jié)構(gòu)布置完成之后，則需要對(duì)構(gòu)件截面具體狀況進(jìn)行最初的大概計(jì)算，其主要的是對(duì)梁柱、支撐中斷面外形及尺寸的設(shè)定。

鋼梁一般會(huì)選擇槽鋼、工字鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載、支座的詳細(xì)情況，截面高度通?？缍仁窃?/20~1/50之間進(jìn)行選擇的。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐間距遵循l/b限值來(lái)確定的，這樣能夠很好的避免鋼梁穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算，此種方式在目前得到了廣泛的使用。在確定截面高度、翼緣寬度以后，板件厚度則可按照有關(guān)規(guī)定，對(duì)局部的穩(wěn)定構(gòu)造來(lái)開展預(yù)計(jì)估算。

柱截面一般是以長(zhǎng)細(xì)比來(lái)開展預(yù)計(jì)估算的，通常為50<λ<150,簡(jiǎn)單選擇值在100附近，根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或著單向受彎的相關(guān)狀況，來(lái)選擇鋼管或H型鋼截面。

需特別指出的是，針對(duì)不同類型的鋼結(jié)構(gòu)，有關(guān)規(guī)范當(dāng)中提出的對(duì)截面結(jié)構(gòu)要求會(huì)存在一定的差異性，其中，普鋼規(guī)范與輕鋼規(guī)范的限值就存在較為明顯的差異性。

除此之外，鋼結(jié)構(gòu)截面外型的選擇沒有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師可根據(jù)構(gòu)件的受力情況，來(lái)挑選最為適合的結(jié)構(gòu)截面。

四鋼結(jié)構(gòu)分析

在目前的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，鋼結(jié)構(gòu)淺析通常歸屬于線彈性分析，在客觀因素允許的范圍之中則需要兼顧P-Δ,p-δ。

新型的限元軟件對(duì)幾何非線性和鋼材的彈素性能進(jìn)行考慮，以此能夠更加準(zhǔn)確的對(duì)鋼結(jié)構(gòu)分析，但并不是一切結(jié)構(gòu)都需要運(yùn)用軟件的：

（1）典型結(jié)構(gòu)可以查詢力學(xué)手冊(cè)工具來(lái)直接獲取內(nèi)力和變形；

（2）簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)利用手算對(duì)其加以分析;

（3）針對(duì)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)需創(chuàng)建模型運(yùn)營(yíng)程序來(lái)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)開展結(jié)構(gòu)詳細(xì)淺析。

五工程判定

需精準(zhǔn)的選擇鋼結(jié)構(gòu)軟件，與此同時(shí)針對(duì)輸出的鋼結(jié)構(gòu)開展‘工程判定。依據(jù)“工程判定”來(lái)挑選修改模型對(duì)其進(jìn)行再次分析，修改有關(guān)最終計(jì)算結(jié)果。

工程設(shè)計(jì)工作中的計(jì)算與精準(zhǔn)性的力學(xué)計(jì)算往往會(huì)存在一定的差距，為可以獲得最為實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，有的時(shí)候會(huì)對(duì)其進(jìn)行差別很大的假設(shè)，但這其中存在的差別，會(huì)利用 “適用條件、概念、構(gòu)造”的方法來(lái)保證鋼結(jié)構(gòu)的安全性。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，‘適用條件、概念、構(gòu)造比定量計(jì)算是非常關(guān)鍵的。

六構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)件設(shè)計(jì)中，第一要做的是對(duì)材料進(jìn)行挑選，較為常用的是Q235和Q345,一般情況下主結(jié)構(gòu)會(huì)選擇使用單一的鋼種，以方便今后的工程管理。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，可挑選使用強(qiáng)度性不相同的鋼材來(lái)開展截面的結(jié)合，在強(qiáng)度有效掌控下，選擇Q345;在穩(wěn)定掌控的狀況下，適用選擇Q235。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)工作中，目前規(guī)范所選用的是彈塑性方法來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)截面開展相關(guān)檢驗(yàn)及計(jì)算的，此種方法與鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算彈性方式存在本質(zhì)性的差異。

當(dāng)下，通常的結(jié)構(gòu)軟件皆會(huì)提供截面驗(yàn)算的處理性能，但伴隨著有關(guān)程序及技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些軟件僅僅可以將驗(yàn)算的處理性能未能通過的構(gòu)件，從預(yù)定截面中挑選同時(shí)將其增加一個(gè)級(jí)別，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化的分析驗(yàn)算，直到通過為止。這就是通常講到的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，其能夠很好的縮減巨大的工作量。

七節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中較為關(guān)鍵的一方面內(nèi)容是對(duì)連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行淺析之前，需針對(duì)節(jié)點(diǎn)形式開展科學(xué)性全方位的考慮加以確定，往往易有意外情況的發(fā)生：最終設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中選擇的形式大體上會(huì)存在一定的差異性，假設(shè)不能夠確定此種狀況產(chǎn)生的偏差在工程允許誤差范圍之內(nèi)的化，就一定要預(yù)防。要知道，連接的不同將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成巨大的影響。

連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有等強(qiáng)設(shè)計(jì)、實(shí)際受力設(shè)計(jì)兩種方式，在設(shè)計(jì)手冊(cè)當(dāng)中，焊縫、螺栓連接表格是設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用的，這樣可以選用結(jié)構(gòu)軟件加以處理以準(zhǔn)時(shí)有效的自動(dòng)完成相關(guān)工作。

具體設(shè)計(jì)內(nèi)容:(1)焊接。(2)栓接。(3)連接板。(4)梁腹板。(5)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)必須要結(jié)合安裝螺栓、現(xiàn)場(chǎng)焊接等施工空間和構(gòu)件吊裝次序。除此之外，需要促使工作人員能夠進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)定位和臨時(shí)固定。 (6)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需考慮到制造廠的工藝水平。

八圖紙編制

8.1設(shè)計(jì)圖。設(shè)計(jì)圖是提供給制造廠制定詳盡施工圖的關(guān)鍵性依據(jù)。設(shè)計(jì)圖深度和內(nèi)容一定要保證完整，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖中，需對(duì)設(shè)計(jì)根據(jù)、荷載資料、技術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)、材料的選擇、設(shè)計(jì)要求等一定要表達(dá)清楚，以便于工程施工能夠按照施工圖順利開展，同時(shí)能夠很好的展現(xiàn)有關(guān)設(shè)計(jì)意圖。對(duì)于結(jié)構(gòu)使用材料則需要進(jìn)行列表。

8.2施工詳圖。施工詳圖又叫做‘加工圖‘放樣圖，施工詳圖深度一定要達(dá)到車間直接制造加工的要求，對(duì)于不同的構(gòu)件單元需要獨(dú)立進(jìn)行表達(dá)，同時(shí)需要加附詳細(xì)的材料說明表。

結(jié)束語(yǔ)：

伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)逐漸受到大范圍的運(yùn)用，開始產(chǎn)生更加新穎獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，為此，則需要有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中對(duì)其進(jìn)行不斷的完善，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的不斷進(jìn)步。

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