淺析鋼結(jié)構(gòu)設計的應用

丁志國

摘要：隨著中國建筑業(yè)的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑已成為中國城市建設的主流建設。相對于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)體系的相對重量輕，強度高，抗震性能好，同時，安裝鋼結(jié)構(gòu)工程施工工藝相對簡單、方便，且施工周期短，因此，它被廣泛應用于建筑結(jié)構(gòu)。本文在介紹鋼結(jié)構(gòu)的設計原則的同時.具體分析了鋼結(jié)構(gòu)設計的具體思路和步驟，并且提出了鋼結(jié)構(gòu)設計過程中需要注意的事項。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；設計；分析

前言

在進行結(jié)構(gòu)設計前概念設計遵從從實際出發(fā)、全面分析的原則，對需要設計的建筑當?shù)氐募扔薪ㄖ庀?、水文地質(zhì)、民俗民風、及當?shù)氐馁Y源環(huán)境保護等方面全面分析，對結(jié)構(gòu)設計過程中結(jié)構(gòu)所用材料、結(jié)構(gòu)選型、各種材料荷載加以整體分析考慮。

1鋼結(jié)構(gòu)設計原則

近年來，在鋼結(jié)構(gòu)設計中經(jīng)常出現(xiàn)失穩(wěn)事故，造成嚴重的人員傷亡與經(jīng)濟損失，主要原因是由以下兩方面造成：

（1）由于空間網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等新型鋼結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，造成相關(guān)設計者沒有足夠的時間去了解掌握這些新型結(jié)構(gòu)的設計。

（2）由于鋼結(jié)構(gòu)設計者缺乏相關(guān)設計經(jīng)驗，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的整體穩(wěn)定性概念理解不夠清晰，成為鋼結(jié)構(gòu)設計中經(jīng)常出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)。因此，穩(wěn)定性成為鋼結(jié)構(gòu)設計中一個突出的問題，如果處理不好此類問題，將會造成不可估計的損失。所以根據(jù)穩(wěn)定性問題在實際的鋼結(jié)構(gòu)設計中的特點，以及未來更好的保證鋼結(jié)構(gòu)設計中構(gòu)件不會喪失穩(wěn)定性，設計過程中應嚴格遵守以下三條基本原則：

a保證整體結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計算，二者必須相互配合，相互統(tǒng)一；

b在進行結(jié)構(gòu)布置時，必須從整個體系和組成部分的穩(wěn)定性要求出發(fā)，進行全面考慮；

c必須保證結(jié)構(gòu)計算簡圖和實際計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算起著相當關(guān)鍵的作用。

2鋼結(jié)構(gòu)設計思路和步驟

2.1鋼結(jié)構(gòu)的形式與布置

鋼結(jié)構(gòu)主要有框架、平面架、網(wǎng)架、索膜、輕鋼以及塔桅等結(jié)構(gòu)形式。通常情況下，每個形式都有其獨特的特點，因此在選型的時候要結(jié)合具體情況充分考慮它們的特點，在面對具體問題時要具體分析。例如，對于那些屋面覆蓋跨度較大的建筑時，可以選擇以構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)；在建筑輕鋼工業(yè)廠房時，需要有較大的懸掛荷載或移動荷載，此時我們需要選擇與之相適應的網(wǎng)架，放棄門式鋼架。在鋼結(jié)構(gòu)設計中，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的布置必須根據(jù)相關(guān)體系特征、荷載分布情況及其性質(zhì)進行綜合考慮。在選擇鋼結(jié)構(gòu)懸掛結(jié)構(gòu)時，應參考表1。

2.2截面的選擇

對構(gòu)件截面進行初步估算，主要就是對梁面和支撐斷面的形狀與尺寸的假定。鋼梁的截面高度，通常根據(jù)荷載和支座的具體情況，一般是1/20～1/50之間的跨度選擇。對于翼緣的寬度，為了回避鋼梁整體穩(wěn)定的復雜計算，可根據(jù)粱間側(cè)向支柱的間距按照1/b限值加以確定。柱截面需要根據(jù)長細比進行預估，通常來說x的選擇值在100左右。

2.3結(jié)構(gòu)分析

目前在鋼結(jié)構(gòu)實際設計過程中，通常結(jié)構(gòu)分析為線性彈性分析，條件允許時考慮P-△，P-8。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，這為更精確地分析結(jié)構(gòu)提供了有利條件。除此之外，并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件：對于復雜結(jié)構(gòu)，需要建模運行程序并做詳、細的結(jié)構(gòu)分析。

對于簡單結(jié)構(gòu)，可通過手算進行分析；而對于典型結(jié)構(gòu)，可查力學手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形。結(jié)構(gòu)分析時應充分考慮建筑物穩(wěn)定性、安全性，例如考慮多層建筑鋼結(jié)構(gòu)體系時，純框架側(cè)移不滿足時，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個方向布置一定數(shù)量的支撐。沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個支撐芯筒。豎向支撐桁架起剪力墻的作用，能獲得比純框架結(jié)構(gòu)大的多的抗側(cè)力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。

2.4構(gòu)件設計

關(guān)于構(gòu)件的設計，首先應該考慮的是對材料進行合理選擇。目前比較常用的鋼結(jié)構(gòu)材料是Q235和Q345。從經(jīng)濟的角度考慮，則可選擇不同強度鋼材的截面組合；從便于工程管理的角度考慮，主結(jié)構(gòu)通常采用單一鋼種。近年來，由于程序技術(shù)的進步，一些結(jié)構(gòu)軟件可以對整個結(jié)構(gòu)進行全面優(yōu)化，因此，我們只需對優(yōu)化后的截面進行調(diào)整直至合理，同時注意模型的建立以及一些計算長度的參數(shù)定義即可。

2.5節(jié)點的設計

連接節(jié)點的常用方法包括等強設計與實際受力設計兩種，基于安全出的考慮，可以采用等強設計法，可以設計出焊縫、螺栓連接等。作為設計構(gòu)建中的核心，結(jié)構(gòu)的焊接主要有直角焊接、斜角焊接兩種。通常而言，節(jié)點設計的主要內(nèi)容包括焊接、栓接、連接板以及梁腹板，除此之外，還要考慮現(xiàn)場定位、臨時固定施工過程中的便利性。應該嚴格按照相關(guān)規(guī)范，合理選擇焊接焊縫的尺寸及形式。焊條的選用應和被連接金屬材質(zhì)相適應。E43對應Q235，E50對應Q345；Q235與0345連接時，應該選擇低強度的E43，而不是E50。

根據(jù)傳力特點的不同，節(jié)點可分為剛接、鉸接和半剛接，在選用節(jié)點時，必須要正確判斷節(jié)點的連接形式，做到整個設計的安全與合理。

2.6圖紙的編制

鋼結(jié)構(gòu)的設計出圖由設計圖和施工詳圖兩個階段組成：

（1）設計圖：是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù)。在設計圖中，對于設計依據(jù)、荷載資料、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設計要求、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面選用以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點構(gòu)造等均應表示清楚，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：通常也稱為加工圖或放樣圖等。深度須能滿足車間直接制造加工，不完全相同的構(gòu)件單元須單獨繪制表達，并應附有詳盡的材料表。

3鋼結(jié)構(gòu)設計過程中注意問題

（1）整體分析與優(yōu)化設計。在鋼結(jié)構(gòu)設計過程中，要盡量選擇與實際工作狀況相符的整體分析模型，對于計算模型不得隨意簡化，比如不得隨便把空間問題簡化為平面問題。除此此外，為了獲得理想的設計結(jié)構(gòu)，在設計過程中可以采取優(yōu)化設計的理念，并將次構(gòu)件的作用盡可能考慮進來，同時滿足鋼結(jié)構(gòu)設計的安全性與經(jīng)濟性，降低工程的成本。

（2）嚴格控制整體剛度。一般來說，穩(wěn)定條件、強度條件等并非是決定鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面設計主要因素，而結(jié)構(gòu)的整體剛度條件才是首要考慮因素，尤其是對于一些薄壁構(gòu)件形成的大跨度結(jié)構(gòu)來說更是如此，因此設計過程中要注意對結(jié)構(gòu)的整體分析，保證設計效果。

（3）保證計算模型的精確性與結(jié)構(gòu)的可靠性。鋼結(jié)構(gòu)材料屬于相對比較理想的彈塑性體，其組織體現(xiàn)出一定的均勻性，接近各向同性，與現(xiàn)階段很多計算方法、基本概念的要求完全相符，同時鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接模型比較符合實際情況，計算過程中不確定性相對較小，因此計算模型的精確性、結(jié)構(gòu)的可靠性等必須得到保證。

（4）節(jié)點構(gòu)造相對十分復雜。在鋼結(jié)構(gòu)設計過程中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接與構(gòu)造比較復雜，因此在設計過程中要注意并充分考慮這一點。設計節(jié)點時要綜合考慮受力情況、建筑要求、構(gòu)件截面形式、連接方法等各方面因素，再確定出合理、適用的節(jié)點構(gòu)造形式。

4結(jié)束語

近年來，隨著世界先進的鋼結(jié)構(gòu)設計理念和設計思想的不斷涌入，進一步地促進了我國鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。盡管從某種程度上來說，與發(fā)達國家相比我國鋼結(jié)構(gòu)設計水平與其存在著較大的差距。但是隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，以及相關(guān)研究工作者的不斷努力，我們有理由相信，在不久的將來，中國的鋼結(jié)構(gòu)水平將邁向一個新的臺階，達到高質(zhì)量、高水平、高水準的設計目標。