淺談鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和步驟

江雄斌　黃家山

摘 要：近年來(lái)，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在城市建筑中得以廣泛應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，材料強(qiáng)度較高，具有較好的抗震性能。而且利用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工時(shí)，過(guò)程簡(jiǎn)單方便，施工周期較短，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。文中從鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則入手，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和步驟進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)原則；設(shè)計(jì)思路；步驟；注意問(wèn)題

前言

隨著鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用，由于其自重小、鋼度大，而且基礎(chǔ)造價(jià)較低，具有良好的抗震性能，所以在一些高層、超高層、大跨度、體形復(fù)雜及荷載較大等結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛。由于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所以我們需要對(duì)其設(shè)計(jì)思路和步驟進(jìn)行掌握，確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，穩(wěn)定性作為非常重要的問(wèn)題需要在設(shè)計(jì)時(shí)給予充分重視。一旦鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故發(fā)生，帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)失穩(wěn)事故大致來(lái)自兩方面的原因。首先，新型鋼結(jié)構(gòu)近年來(lái)發(fā)展較快，特別是網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，對(duì)這些新型結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)人員缺乏了解，在設(shè)計(jì)時(shí)不能有效的對(duì)其進(jìn)行掌握。其次，設(shè)計(jì)人員自身經(jīng)驗(yàn)缺乏，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的整體穩(wěn)定性了解得不夠清晰，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些較為薄弱的環(huán)節(jié)，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失發(fā)生。為了確保鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中具有較好的穩(wěn)定性，需要在實(shí)際設(shè)計(jì)中根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)過(guò)程中的基本原則。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造及構(gòu)件的需要進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，而且細(xì)部構(gòu)件及構(gòu)件之間需要做好配合工作。結(jié)構(gòu)布置需要全面考慮，確保整個(gè)體系的組成部分都能夠滿足穩(wěn)定性的要求。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和步驟

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的形式與布置

鋼結(jié)構(gòu)具有多種結(jié)構(gòu)形式，通常以框架、平面架、網(wǎng)架、索膜、輕鋼以及塔桅等為主，而且每一種結(jié)構(gòu)形式都具有自身的獨(dú)特性，這就需要在選型時(shí)根據(jù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)進(jìn)行，針對(duì)于實(shí)際需要選擇適宜的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)在鋼結(jié)構(gòu)布置時(shí)，需要針對(duì)體系特征、荷載分布情況及性質(zhì)進(jìn)行全面性的綜合考慮。

2.2 截面的選擇

需要提前對(duì)梁面及支撐斷面的形態(tài)和尺寸進(jìn)行初步估算，需要根據(jù)荷載及支座的具體情況來(lái)確定鋼梁的截面高度，合理進(jìn)行跨度選擇。根據(jù)梁間側(cè)向支柱的間距來(lái)對(duì)緣的寬度進(jìn)行確定，根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比來(lái)對(duì)柱截面進(jìn)行預(yù)估，確保選擇值的科學(xué)性和合理性。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常有杉線性彈性分析來(lái)作為結(jié)構(gòu)分析，只有當(dāng)和構(gòu)件允許時(shí)才會(huì)考慮P-△，P-δ。利用有限元軟件可以對(duì)幾何非線性及鋼材的彈塑性能進(jìn)行考慮，可以為精確分析結(jié)構(gòu)奠定良好的基礎(chǔ)。但在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，則需要建模運(yùn)行程度，同時(shí)還要進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析。當(dāng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單時(shí)，可以利用手算來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析。典型結(jié)構(gòu)在對(duì)其內(nèi)力和變形進(jìn)行確定時(shí)，可以直接通過(guò)工具書來(lái)獲得。在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，需要充分的對(duì)建筑物的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行考慮，特別是對(duì)于多層建筑鋼結(jié)構(gòu)，需要布置一定數(shù)量的支撐，從而有效的減少建筑物層間位移的發(fā)生。

2.4 構(gòu)件設(shè)計(jì)

在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，需要合理進(jìn)行材料的選擇，通常會(huì)采用Q235和Q345鋼結(jié)構(gòu)材料。為了確保構(gòu)件設(shè)計(jì)能夠具有較好的經(jīng)濟(jì)性，則需要選擇不同強(qiáng)度鋼材的截面組合。當(dāng)前在鋼結(jié)構(gòu)鋼件設(shè)計(jì)時(shí)，多會(huì)采用單一的鋼種作為主結(jié)構(gòu)。而且結(jié)構(gòu)軟件的應(yīng)用可以對(duì)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的優(yōu)化，并能夠?qū)?yōu)化后的截面進(jìn)行調(diào)整，確保其能夠達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)。另外在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)還需要重視模型建立和部分計(jì)算參數(shù)。

2.5 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)采用等強(qiáng)設(shè)計(jì)和實(shí)際受力設(shè)計(jì)兩種方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接，為了能夠有效的提高節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的安全性，可以利用等強(qiáng)設(shè)計(jì)法來(lái)對(duì)焊縫及螺栓連接進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)焊接作為設(shè)計(jì)的核心所在，可以采用直角焊接和斜角焊接兩種方式。而且節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，通常以焊接、栓接、連接板及梁腹板等內(nèi)容為主。在設(shè)計(jì)時(shí)還需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)定位、臨時(shí)固定施工的便利性等問(wèn)題進(jìn)行全面的考慮。在對(duì)焊接焊縫尺寸和形式進(jìn)行選擇時(shí)，需要嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行，確保選擇的合理性。在選用焊條時(shí)，需要使其與被連接金屬材質(zhì)相適應(yīng)。而且由于傳力特點(diǎn)不同，所以節(jié)點(diǎn)連接可分為剛接、鉸接和半剛接幾種形式。需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的連接形式進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而確保整體設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

2.6 圖紙的編制

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，其出圖主要分為設(shè)計(jì)圖和施工詳圖兩個(gè)部分。

（1）在對(duì)施工圖進(jìn)行編制過(guò)程中，需要以設(shè)計(jì)圖作為編制依據(jù)，并能夠準(zhǔn)確的對(duì)施工圖中各項(xiàng)數(shù)據(jù)及參數(shù)進(jìn)行表示，為施工詳圖的編制奠定良好的基礎(chǔ)。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要能夠準(zhǔn)確的領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)者的意圖，對(duì)于主要材料需要以列表的形式將其體現(xiàn)出來(lái)。

（2）施工詳圖即加工圖或是放樣圖，施工詳圖在編制時(shí)其深度需要能夠有效的與車間直接制造加工的要求相符，而且需要單獨(dú)對(duì)不完全相同的構(gòu)件進(jìn)行繪制，同時(shí)還要將詳盡的材料表作為附件。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中注意問(wèn)題

（1）整體分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在對(duì)分析模型進(jìn)行選擇時(shí)，需要其能夠與實(shí)際工作狀況盡量做到相符，不能隨便對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，而且對(duì)于空間問(wèn)題也不能隨意將其簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題。在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡可能的做到設(shè)計(jì)理念的優(yōu)化，充分的考慮次構(gòu)件的作用，同時(shí)還要確保設(shè)計(jì)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性能夠得到有效的保障，有效的實(shí)現(xiàn)工程成本的降低。

（2）對(duì)整體剛度進(jìn)行有效控制。在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計(jì)過(guò)程中，其主要考慮的因素并不是穩(wěn)定條件和強(qiáng)度條件，而是結(jié)構(gòu)的整體剛度條件。特別是在一些大跨度結(jié)構(gòu)中，當(dāng)其是由薄壁構(gòu)件共同構(gòu)成時(shí)，更需要對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度進(jìn)行深入的分析，確保能夠達(dá)到良好的設(shè)計(jì)效果。

（3）不僅需要確保計(jì)算模型具有較好的精確性，而且還需要有效的保證結(jié)構(gòu)的可靠性。鋼結(jié)構(gòu)材料有較好的彈塑性，組織具有均勻性的特點(diǎn)，能夠與當(dāng)前一些計(jì)算方法具有較好的符合性。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接模型與實(shí)際情況具有較好的符合性，在對(duì)其進(jìn)行計(jì)算時(shí)，受不確定因素影響較小，所以需要保證計(jì)算模型的精確性和結(jié)構(gòu)的可靠性。

（4）對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，由于其具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，所以在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的連接和構(gòu)造進(jìn)行充分的考慮，明確其受力情況、建筑要求、構(gòu)件截面形式及連接方法等問(wèn)題后，然后再對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的形式的合理性和適用性進(jìn)行確定。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念更新的速度也較快，這對(duì)于我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。雖然當(dāng)前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距，但在眾多工作者的不斷努力下，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)水平勢(shì)必會(huì)取得了較快的提升，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)確保設(shè)計(jì)目標(biāo)的高質(zhì)量和高水準(zhǔn)，為我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

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