钢结构设计专项技术分析

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1、项技术报告报告名称：钢结构设计要点评析姓 名：刘永平工作单位：安徽宝业住宅产业化有限公司（盖章）日 期：2008年5月23日钢结构设计要点评析一 判断结构是否适合用钢结构 钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温 车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧 院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致 的。二 结构选型与结构布置此处仅简单介绍 . 详请参考相关专业书籍 . 由于结构选型涉及广泛 ,做结构选型及 布置应该在经验丰富的工程师指导下进行。在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是 概念设

2、计, 它在结构选型与布置阶 段尤其重要 . 对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题， 可依据从整体结构体 系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想， 从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。 运用概念设计可以在早期迅速、有 效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可 避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠 与否的主要依据。林同炎教授在 结构概念和体系 一书中介绍了用整体概念来规划结构方案的方法， 以及结构总体系和个分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。 20钢结构通常有框架

3、、平面 （ 木行）架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。 其理论与技术大都成熟。 亦有部分难题没有解决 , 或没有简单实用的设计方法， 比如网壳 的稳定等。结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷 载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有 利于积雪滑落（切线 50 度内需考虑雪载 ），如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳。 总雪载释放近一半。降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比简 单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉 为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用

4、钢混凝土组合结构，在地震烈 度高或很不规则的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。我国半数以上的此类高层为前者。 对抗震不利。结构的布置要根据体系特征 ,荷载分布情况及性质等综合考虑 . 一般的说要刚度均匀 力学模型清晰 . 尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围 ,使其以最直接的线路传递到基 础. 柱间抗侧支撑的分布应均匀 . 其形心要尽量靠近侧向力 （风震）的作用线 . 否则应 考虑结构的扭转 . 结构的抗侧应有多道防线 . 比如有支撑框架结构 , 柱子至少应能单 独承受 1/4 的总水平力 .框架结构的楼层平面次梁的布

5、置 , 有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。 通常为了减小截面沿短向布置次梁， 但是这会使主梁截面加大， 减少了楼层净高 , 顶层边 柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱 子.三 预估截面 结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺 寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接 H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的 1/201/50 之间选择。 翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按 l/b 限值确定时， 可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度 后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构

6、造规定预估柱截面按长细比预估通常50入150,简单选择值在100附近。根据轴心受压、 双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等.初学者需注意，对应不同的结构，规范中对截面的构造要求有很大的不同。如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题。在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大 的区别。除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力 情况，合理的选择安全经济美观的截面。四 结构分析目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑P- ,p-新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能 . 这为更精确的 分析结构提供了条件。 并不是所有

7、的结构都需要使用软件 : 典型结构可查力学手册之类 的工具书直接获得内力和变形 . 简单结构通过手算进行分析 . 复杂结构才需要建模运行 程序并做详细的结构分析 .五 工程判定要正确使用结构软件，还应对其输出结果的做 工程判定 。比如，评估各向周期、 总剪力、变形特征等。根据 工程判定选择修改模型重新分析 ,还是修正计算结 果.不同的软件会有不同的适用条件 . 初学者应充分明了 . 此外,工程设计中的计算和精 确的力学计算本身常有一定距离 , 为了获得实用的设计方法 , 有时会用误差较大的假 定, 但对这种误差 , 会通过适用条件、 概念及构造 的方式来保证结构的安全 . 钢结 构设计中 ,

8、适用条件、概念及构造 是比定量计算更重要的内容 .工程师们不应该过分信任与依赖结构软件 . 美国一位学者曾警告说： “误用计算机造工程灾难的方法 .六 构件设计构件的设计首先是材料的选择比较常用的是Q235类似A3)和Q345类似16Mn). 通常主结构使用单一钢种以便于工程管理 . 经济考虑, 也可以选择不同强度钢 材的组合截面 . 当强度起控制作用时 ,可选择 Q345; 稳定控制时 ,宜使用 Q235. 构件 设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面 . 这和结构内力计算的弹可以将验算 时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级 . 并自动重新分析验算，直至通过，如 sap200

9、0 等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。 但 是，初学钢至少应注意两点：1. 软件在做构件 ( 主要是柱)的截面验算时 ,计算长度系数的取性方法并不匹配 .当前的结构软件 , 都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步 ,一些软件定 有时会不符合规范的规定 . 目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以 , 尤其对于节 点连接情况复杂或变截面的构件 , 结构师应该逐个检查 .2. 当上面第 ( 三) 条中预估的截面不满足时， 加大截面应该分两种情况区别对待。(1) 强度不满足 ,通常加大组成截面的板件厚度，其中 , 抗弯不满足加大翼缘厚度， 抗剪不满足加大腹板厚

10、度。(2) 变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不 经济。使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分， 实际上，常常并不合适。七 节点设计连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一 . 在结构分析前 , 就应该对节点的形 式有充分思考与确定 . 常常出现的一种情况是 , 最终设计的节点与结构分析模型中使用的 形式不完全一致 ,这必须避免 . 按传力特性不同 ,节点分刚接 ,铰接和半刚接 . 初学者 宜选择可以简单定量分析的前两者 .常用的参考书 2 有丰富的推荐的节点做法及计算公 式.连接的不同对结构影响甚大 . 比如, 有的刚接节点虽

11、然承受弯矩没有问题 ,但会产生较 大转动 , 不符合结构分析中的假定 . 会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结 果.连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法 , 初学者可偏安全选用前者 . 设计手册2 中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用 ,比较方便. 也可以使用 结构软件的后处理部分来自动完成 .具体设计主要包括以下内容 :1. 焊接: 对焊接焊缝的尺寸及形式等 ,规范有强制规定 ,应严格遵守 . 焊条的选用 应和被连接金属材质适应.E43对应Q235,E50对应Q345. Q235与Q345连接时,应该选 择低强度的E43,而不是E50.焊接设计中不得任意加大焊缝 . 焊缝

12、的重心应尽量与被连接构件重心接近 . 其他详 细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定 .2. 栓接 : 铆接形式 , 在建筑工程中，现已很少采用 . 普通螺栓抗剪性能差 , 可在次 要结构部位使用 . 高强螺栓 , 使用日益广泛 . 常用 8.8s 和 10.9s 两个强度等级 . 根据受力 特点分承压型和摩擦型 . 两者计算方法不同 . 高强螺栓最小规格 M12. 常用 M16M30. 超大规格的螺栓性能不稳定 , 设计中应慎重使用。 自攻螺丝用于板材与薄壁型 钢间的次要连接 . 国外在低层墙板式住宅中 , 也常用于主结构的连接 .3. 连接板 : 可简单取其厚度为梁腹板厚度加 4mm. 然后

13、验算净截面抗剪等.4. 梁腹板 : 应验算栓孔处腹板的净截面抗剪 . 承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局 部承压.5. 节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运 到现场无法安装是初学者长犯的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位 与临时固定。6. 节点设计还应考虑制造厂的工艺水平 . 比如钢管连接节点的相贯线的切口需要 数控机床等设备才能完成 .八 图纸编制 钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通 常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构 项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能

14、力的钢结构公司参与设计图编制 的情况也很普遍。1. 设计图: 是提供制造厂编制施工详图的依据 . 深度及内容应完整但不冗 余. 在设计图中 , 对于设计依据、荷载资料（包括地震作用）、技术数据、材料选用及 材质要求、设计要求（包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等）、结构 布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚，以利于施工详图的顺利 编制，并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。2.施工详图: 又称加工图或放样图等 . 深度须能满足车间直接制造加工 . 不完全相同 的另构件单元须单独绘制表达，并应附有详尽的材料表 .设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单 位之间 及其与钢结构公司之间不尽相同。 初学者可参考他人的优秀设计并参考相关 的工具书 3 ，并依据规范规定编制