鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單步驟和思路的探討

周玲霞

【摘 要】本文探討了八個方面的內(nèi)容:即結(jié)構(gòu)是否適用鋼結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)選型與結(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,節(jié)點(diǎn)設(shè)計,圖紙編制。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計 節(jié)點(diǎn)

一、結(jié)構(gòu)是否適用鋼結(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、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相一致的。

二、結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

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在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是“概念設(shè)計”,它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要,對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題,可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計思想,從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。運(yùn)用概念設(shè)計可以在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案易于手算、概念清晰、定性正確,并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。同時,它也是判斷計算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面(木行)架、網(wǎng)架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。其理論與技術(shù)大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實(shí)用的設(shè)計方法。

結(jié)構(gòu)選型時,應(yīng)考慮它們不同的特點(diǎn)。在輕鋼工業(yè)廠房中,有較大懸掛荷載或移動荷載時,可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。基本雪壓大的地區(qū),屋面曲線應(yīng)有利于積雪滑落(切線50度內(nèi)需考慮雪載)。總雪載釋放近一半。降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時,在框架中布置支撐會比簡單的節(jié)點(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中,可選擇構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)體系等。

結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征、荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮。一般說要剛度均勻,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,使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ),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)的作用線。否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn),結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線。

框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置,有時可以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁,但是這會使主梁截面加大,減少了樓層凈高,頂層邊柱也有時會吃不消,此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

三、預(yù)估截面

結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后,需對構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。

鋼梁可選擇槽鋼、工字鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況,其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時,可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計算,這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后,其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。

柱截面按長細(xì)比預(yù)估,通常50<λ<150,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型鋼截面等。

應(yīng)注意的是,對應(yīng)不同結(jié)構(gòu),規(guī)范中對截面的構(gòu)造要求有很大的不同。在普鋼規(guī)范和輕鋼規(guī)范中的限值有很大的區(qū)別。

除此之外,構(gòu)件截面形式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,選擇適用的截面。

四、結(jié)構(gòu)分析

目前鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計中,結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析,條件允許時考慮P-Δ,p-δ。

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.這為更精確的分析結(jié)構(gòu)提供了條件。并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件:

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。

簡單結(jié)構(gòu)通過手算進(jìn)行分析。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行程序并做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

五、工程判定

要正確使用結(jié)構(gòu)軟件,還應(yīng)對其輸出結(jié)果的做“工程判定”。根據(jù)“工程判定”選擇修改模型重新分析,還是修正計算結(jié)果。

不同的軟件會有不同的適用條件,初學(xué)者應(yīng)充分明了。此外,工程設(shè)計中的計算和精確的力學(xué)計算本身常有一定距離,為了獲得實(shí)用的設(shè)計方法,有時會用誤差較大的假定,但對這種誤差,會通過“適用條件、概念及構(gòu)造”的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中,“適用條件、概念及構(gòu)造”是比定量計算更重要的內(nèi)容。

六、構(gòu)件設(shè)計

構(gòu)件的設(shè)計首先是材料的選擇,比較常用的是Q235和Q345,通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理,經(jīng)濟(jì)考慮,也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面,當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時,可選擇Q345;穩(wěn)定控制時,宜使用Q235。

構(gòu)件設(shè)計中,現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗(yàn)算截面,這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配。

當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件,都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步,一些軟件可以將驗(yàn)算時不通過的構(gòu)件,從給定的截面庫里選擇加大一級,并自動重新分析驗(yàn)算,直至通過。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。

七、節(jié)點(diǎn)設(shè)計

連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的內(nèi)容之一,在結(jié)構(gòu)分析前,就應(yīng)該對節(jié)點(diǎn)的形式有充分思考與確定,常常出現(xiàn)的一種情況是,最終設(shè)計的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致,如不能確信這種不一致造成的偏差在工程允許的范圍內(nèi),就必須避免,按傳力特性不同,節(jié)點(diǎn)分剛接,鉸接和半剛接。初學(xué)者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。連接的不同對結(jié)構(gòu)影響甚大。

連接節(jié)點(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計和實(shí)際受力設(shè)計兩種常用的方法,初學(xué)者可偏安全選用前者,設(shè)計手冊中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)計者查用,比較方便。也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來自動完成。

具體設(shè)計內(nèi)容:(1)焊接。(2)栓接。(3)連接板。(4)梁腹板。(5)節(jié)點(diǎn)設(shè)計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。此外,還應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場定位與臨時固定。(6)節(jié)點(diǎn)設(shè)計還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平。

八、圖紙編制

1.設(shè)計圖。是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù)。深度及內(nèi)容應(yīng)完整但不冗余,在設(shè)計圖中,對于設(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,以利于施工詳圖的順利編制,并能正確體現(xiàn)設(shè)計的意圖。主要材料應(yīng)列表表示。

2.施工詳圖。又稱加工圖或放樣圖等,深度須能滿足車間直接制造加工,不完全相同的另構(gòu)件單元須單獨(dú)繪制表達(dá),并應(yīng)附有詳盡的材料表。