鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計理念

蘇志元

（沈陽市新城建筑設(shè)計院，遼寧 沈陽 110020）

1 鋼結(jié)構(gòu)的主要特點

各種軋制型鋼（H型鋼、工字鋼、槽鋼、角鋼）和鋼析組成的以及用冷彎薄壁型鋼制成的承得構(gòu)件或承重結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為鋼結(jié)構(gòu)，鋼梁、鋼屋架、鋼框架、鋼網(wǎng)架等都是常見的鋼結(jié)構(gòu)。

1.1 重量輕

結(jié)構(gòu)的重量與手忙腳亂材料的強密比（強度與質(zhì)量密度之比值）成反比，鋼材質(zhì)量密度雖是鋼筋混凝土的3倍多，但鋼材的強密比卻較混凝土的抗壓強密比大近4倍（較混凝土的抗拉強密比則大40多倍）。因此在相同承載力下，鋼構(gòu)件的截面小，重量輕。

1.2 安全可靠

鋼材質(zhì)地均勻，各向同性；鋼材的彈性模量大，荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形較小。這些性質(zhì)符合結(jié)構(gòu)計算時通常所作的假定，因而鋼結(jié)構(gòu)的受力計算結(jié)果與其實際情況最為相符，計算可靠。鋼材有良好的塑性性能，可自動調(diào)節(jié)構(gòu)件中可能出現(xiàn)的局部應(yīng)力高峰，且結(jié)構(gòu)在破壞前一般都會產(chǎn)生顯著的變形，事故有預(yù)告，可及時防范。鋼材還具有良好的韌性，對承受動力荷載適應(yīng)性強。鋼結(jié)構(gòu)抗震性能好。因此，鋼結(jié)構(gòu)安全可靠。

1.3 施工質(zhì)量好，工期短

鋼結(jié)構(gòu)一般都在專業(yè)工廠由機械化生產(chǎn)制造，而后運至工地現(xiàn)場安裝，工業(yè)化生產(chǎn)程度高，質(zhì)量容易監(jiān)控和保證，工期短，效益好。

1.4 密閉性好

鋼材質(zhì)地致密，不漏水，不漏氣。

1.5 用螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)，可裝拆，適用于移動性結(jié)構(gòu)。

1.6 綠色環(huán)保。

施工現(xiàn)場占地面積少，環(huán)境污染少，無現(xiàn)場濕作業(yè)，材料可回收再生，適于 都市市區(qū)建造。

1.7 由于截面優(yōu)化設(shè)計的計算量大,采用軟件計算是廣大設(shè)計人員的首要選擇。大部分設(shè)計軟件在截面優(yōu)化設(shè)計計算基本應(yīng)遵循以下的步驟:

(1)定義設(shè)計限值。定義強度、穩(wěn)定及變形限值。

(2)確定截面優(yōu)化范圍。這一步驟中應(yīng)由程序?qū)Χx的范圍進行校核,當這個范圍不合理時(最小截面滿足或最大截面不夠),程序會給出提示,直到優(yōu)化范圍合理。

(3)進行截面優(yōu)化，進行截面優(yōu)化計算。

(4)查看優(yōu)化結(jié)果。雖然因程序不同,但基本軟件的計算結(jié)果包括以下幾種形式:①結(jié)果文件(基本包括有輸出設(shè)計限值,初始截面參數(shù)及其計算出的強度、穩(wěn)定、變形結(jié)果,總重量。輸出優(yōu)化后的截面參數(shù),強度、穩(wěn)定、變形計算結(jié)果,總重量)；②截面顯示(圖形輸出優(yōu)化后的截面參數(shù));③應(yīng)力顯示(圖形輸出強度、穩(wěn)定計算結(jié)果)；④局部放大(查看關(guān)鍵部位的節(jié)點分析情況)。在程序給出優(yōu)化后重量最小的截面后,設(shè)計人員可參考這些截面信息,由人機交互輸入截面參數(shù)并做適當調(diào)整,然后執(zhí)行數(shù)據(jù)檢查,最后完成結(jié)構(gòu)計算和并利用截面參數(shù)繪制施工圖。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)計規(guī)范

一個具體的鋼結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)能安全地承受各種荷載的作用，并把所受荷載以明確和直接的傳遞路徑傳給基礎(chǔ)，最后傳至支承基礎(chǔ)的地基，同時應(yīng)滿足建成后的各項使用要求。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計是在建筑物的方案設(shè)計之后進行的，方案設(shè)計中根據(jù)建筑物的使用要求和具體條件等 確定建筑物的形式、平面尺寸、層次高度、建筑面積、室內(nèi)交通運輸設(shè)備（如車間內(nèi)的吊車、民用房屋中的樓梯和電梯等設(shè)備）、采光和通風(fēng)措施以及選用的結(jié)構(gòu)型式等。在確定了選用鋼結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括下列內(nèi)容：（1）根據(jù)建筑物的使用要求、具體條件和方案設(shè)計中已確定的內(nèi)容，進行結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置，做到技術(shù)選進、經(jīng)濟合理、安全適用和確保質(zhì)量。結(jié)構(gòu)選型和布置是一個影響整個結(jié)構(gòu)設(shè)計是否經(jīng)濟合理的問題，需運用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和鋼結(jié)構(gòu)等知識及過去積累的設(shè)計經(jīng)驗，才能作出一個好的決定，必要時對重要結(jié)構(gòu)還需進行比較方案設(shè)計或優(yōu)化選擇。（2）確定選用的鋼材型號。（3）建立結(jié)構(gòu)的計算簡圖，確定其所受的各類荷載。（4）按不同荷載分別進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，進行內(nèi)力組合，確定各構(gòu)件在最不利組合下產(chǎn)生的最大內(nèi)力（當剛架內(nèi)力采用二限階彈性分析時和采用塑性設(shè)計時，均應(yīng)先進行荷載組合而后按各荷載組合進行內(nèi)力分析）。（5）進行各構(gòu)件的截面設(shè)計。（6）進行構(gòu)件互相間的連接設(shè)計。（7）繪制結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙。對混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計圖即結(jié)構(gòu)施工詳圖。但對鋼結(jié)構(gòu)，則可有設(shè)計圖與施工詳圖之分，也可合二為一。設(shè)計圖紙由設(shè)計人員繪制，施工詳圖則可由鋼結(jié)構(gòu)制造廠家或設(shè)計人員完成。兩者的主要區(qū)別在于鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖必須給出所有構(gòu)件/零部件的編號（與結(jié)構(gòu)安裝圖上同一構(gòu)件/零部件的編號必須一致）及制造和安裝等工序中所需的一切尺寸，包括螺栓、錨栓孔洞的尺寸與定位尺寸等，并需編制材料表。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，為做好結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須要有一個設(shè)計的依據(jù)，這個依據(jù)就是設(shè)計規(guī)范。我國的設(shè)計規(guī)范是由政府主管部門（中華人民共和國建設(shè)部）頒布。關(guān)于建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的規(guī)范主要有兩冊。其一是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003），是我國進行房屋建筑和一般構(gòu)筑物鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計必須遵循的現(xiàn)行國家標準，適用于熱軋鋼材建造的鋼結(jié)構(gòu)。規(guī)范中對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則、采用的鋼材要求、各種設(shè)計指標、三大基本構(gòu)件的計算內(nèi)容和要求、連接計算方法、構(gòu)造要求以及疲勞計算等都作了明確的規(guī)定，供設(shè)計人員遵照執(zhí)行。但必須指出的是：因鋼結(jié)構(gòu)類型繁多，設(shè)計規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定只能是對各種結(jié)構(gòu)共同適用的，對某些特殊情況不可能面面俱到。因而為了正確使用設(shè)計規(guī)范，設(shè)計人員道德應(yīng)對其規(guī)定的背景材料和各種構(gòu)件及連接的工作性能等有所了解。

3 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

在經(jīng)濟合理的前提下使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)滿足各種預(yù)定的功能，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的。建筑結(jié)構(gòu)的功能包括下列三項：（1）安全性（2）適用性（3）耐久性。

所謂經(jīng)濟合理是指使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有用料省、重量輕、易于制造、運輸和安裝，建造工期短，造價低和便于今后的維修與保養(yǎng)等。

可靠性與經(jīng)濟合理有時會出現(xiàn)矛盾，此時應(yīng)在綜合考慮各種情況下力求使矛盾得到妥善解決。為此，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)分結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)物的具體設(shè)計兩步進行?，F(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法。

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