鋼結構設計與計算原理探討

隨著我國民經濟的不斷發展和科學技術的進步，鋼結構在我國的應用范圈在不斷擴大。相較傳統結構形式具有：鋼材強度高，結構重量輕；材質均勻，塑性韌性好；易于加工，密封性好；鋼材可以重復使用午優點。本文將就銅結構設計與計算原理徼一個系統的介紹。

設計原則和設計計算中的系數

1. 設計原則

鋼結構設計采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，按分項系數的設計表達式進行計算；各種承重結構均按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的的原則進行設計；設計鋼結構時，根據結構破壞可能產生的后果而采取不同的安全等級，并在荷載效應計算中分別采用不同的系數；結構構件或連接按承載能力極限狀態設計時，一般應按使用條件采用荷載效應的基本組合，在使用中有可能發生事故等偶然性荷載作用時，尚應考慮荷載效應的偶然組合。

2. 設計計算中的系數

根據荷載的類別永即久荷載或可變荷載和荷載作用情況，分項系數采取不同的取值；對于直接承受動力荷載的結構，在計算強度和穩定性時，可將霞物和設備乘以動力系數后按靜力進行計算進行；計算重級工作制品吊車粱及其制動結構的強度和穩定性以及連接的強度時，吊車的橫向水平荷載應乘以相應的增大系數一當設計屋面板、剛檁條時，應考慮積灰、積雪不均勻分布的荷載增大系數，其荷載增大系數按相關規定選用。

鋼結構的鋼材選用

1. 按質量等級的選擇

一般非焊接的鋼結構可以選用A級鋼，焊接鋼結構，靜載作用時選用B級鋼，在作用時應根據結構所處環境溫度選擇C-E或特級鋼，務必使鋼材的脆性轉換溫度地域結構所處環境溫度；對于有層狀撕裂手里的結構部位的較厚鋼板，應有抗層狀撕裂的要求；對節點構造及受力狀況復雜，工作環境惡劣的重型焊接鋼結構，應提高對鋼材質量標準的要求。

2. 按強度等級的選用

普通鋼結構鋼材的強度等級常常選為Q235或Q345；重型、超重型鋼結構的強度等級可選為Q345、Q390、Q420或者更高強度等級的特種鋼材。冷彎薄壁型鋼結構，非焊接時可用A級，焊接時應用B級鋼，一般可選用強度等級為Q235或Q345鋼。輕型鋼結構一般選用Q235。

地震作用

鋼結構的震害主要有節點連接的破壞.構件的破壞以及結構的整體倒塌三種形式，因此在抗震設計中應應注意：建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規則的設計方案，鋼結構房屋宜避免采用不規則建筑結構方案，不設防震縫，在進行結構設計時，應根據建筑的抗震設防類別、抗震設計烈度、建筑高度、場地條件、地基、結構材料和施丁等因素，經技術、經濟和使用條件綜合比較，選擇合適的結構體系；結構體系應有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，可考慮多道抗震防線。應避免因部分結構或者構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力；結構應具有必要的抗震承載力、良好的變形能力和消耗地震能量的能力。對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力，應體現人震不倒，小震不壞的抗震設計目標，采用多遇地震時按彈性設計、罕見地震時彈塑性進行變形驗算的二階段設計方法進行抗震設計。

節點設計

整個結構是由構件和節點構成的。單個構件必須通過節點相連接，協同工作才能形成結構整體。及時每個構件都能滿足安全使用的需要，如果節點設計處理不恰當，連接節點的破壞，也常會引起整個結構的破壞。因此在節點設計時應遵循下列原則如下。

傳力應均勻分散，盡可能減少應力集中現象。在節點設計過程總，一方面要根據節點構造的實際受理情況，選擇合理的結構計算見圖；另一方面節點構造要求與結構的計算簡圖相一致。避免因節點構造不恰當而改變結構或構件的受力狀態，并盡可能的使節點計算簡圖接近于節點世界工作情況。

節點構造設計是否恰當，對制作和安裝影響很大。節點設計便于施工，則施工效率高，成本降低；反之，則成本高，且工程質量不易保證。所以應盡鼉簡化節點構造。

要對設計、制作和施工安裝等方面綜合考慮后，確定最合適的方案。在省時省料之間選擇最佳平衡。盡可能減少節點類型，連接節點做到定型化、標準化。

連接構造

一般常用的焊接形式分為對接焊接和角焊接兩種摹本形式如下。對接焊接的焊件常需做成坡口，故又叫坡門焊接。坡口形式與焊件厚度有關。當焊件厚度很小時，可用直邊鋒；厚度一般的焊件可采用具有斜坡口的單邊V形或V形焊縫；對干厚度較厚的焊件，則采用采用U形、K形和X形坡口。對接焊縫坡口形式的選用，應根據板厚和施工條件按現行標準GB985-80《手工電弧焊焊接接頭的基本形式與尺寸》和GB986-80Ⅸ埋弧焊焊接接頭的基本形式與尺寸》的要求進行。在對接焊縫的拼接處，當焊件的寬度不同或厚度相差4mm以上時，應分別在寬度方向或厚度方向從一側或兩側做成坡度大于1：2.5的斜角。以使截面過度緩和，減小應力集中。

為了避免燒穿較薄的焊件，減少焊接應力和焊接變形，角焊縫的焊角尺寸不宜太大。規范規定：除了直接焊接鋼管結構的焊角尺寸不宜大于支管肇厚的2倍之外，焊角尺寸不宜大于較薄焊件厚度的1.2倍；焊角尺寸不宜太小，以保證焊縫的最小承載能力，并防止焊縫因冷卻過快而產生裂紋；側面角焊縫的計算長度不宜大于60倍的焊角尺寸，當大于上述值時，其超過部分在計算中不予考慮，這是因為側焊縫應力延長度分布不均勻，兩端較中間大，且焊縫越長差別越大，

疲勞計算

對于承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化的循環次數n>105次且出現拉應力時，應進行疲勞計算，疲勞應力計算采用容許應力幅法。

對常幅（所有應力循環的應力幅均為常量）疲勞，按下式進行疲勞計算：

式中為對焊接部位應力幅，對非焊接部位為這算應力幅。為計算部位每次應力循環最大拉應力（取正值）；為計算部位每次應力循環最小拉應力或壓應力（拉應力取正值，壓應力取負值）；為常幅疲勞的容許應力幅；n為應力循環次數；C、β為參數。

對變幅（應力循環內的應力幅隨即變化）疲勞，可按下式進行疲勞計算：

式中為變幅疲勞的等效應力幅；為以應力循環次數表示的結構與其使用壽命；為預期壽命內應力幅水平達到的應力循環次數。

（作者單位：昆明理工大學建筑工程學院）