鋼結構設計簡單步驟和設計思路

（一)判斷結構是否適合用鋼結構

鋼結構通常用於高層、大跨度、體型複雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建築等。這是和鋼結構自身的特點相一致的。

（二）結構選型與結構布置

此處僅簡單介紹。 詳請參考相關專業書籍。由於結構選型涉及廣泛,做結構選型及布置應該在經驗豐富的工程師指導下進行。

在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是「概念設計」,它在結構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範未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關係、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易於手算、概念清晰、定性正確，並可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。（無論結構軟體如何強大，紮實的結構概念和力學分析，及可靠的手算能力，才是過硬的素質。）

鋼結構通常有框架、平面(木行)架、網架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。

其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實用的設計方法，比如網殼的穩定等。

結構選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而採用網架。屋面上雪壓大的地區，屋面曲線應有利於積雪滑落（切線50度內需考慮雪載），如亞東水泥廠石灰石倉棚採用三心圓網殼。總雪載釋放近一半。降雨量大的地區相似考慮。建築允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節點剛接的框架有更好的經濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建築中，可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體系。高層鋼結構設計中，常採用鋼混凝土組合結構，在地震烈度高或很不規則的高層中，不應單純為了經濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型src柱，核心為支撐框架的結構體系。我國半數以上的此類高層為前者。對抗震不利。（把受力單元儘可能的向結構外圍布置，是充分利用材料性能的關鍵，就像中空的竹子一樣，所以外強內弱很重要。）

結構的布置要根據體系特徵,荷載分布情況及性質等綜合考慮。一般的說要剛度均勻。力學模型清晰。儘可能限制大荷載或移動荷載的影響範圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎。柱間抗側支撐的分布應均勻。其形心要盡量靠近側向力(風震)的作用線。 否則應考慮結構的扭轉。 結構的抗側應有多道防線。比如有支撐框架結構,柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力。

框架結構的樓層平面次梁的布置,有時可以調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樑上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

（三）預估截面

結構布置結束後，需對構件截面作初步估算。主要是樑柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。

鋼樑可選擇槽鋼、軋制或焊接h型鋼截面等。根據荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20～1/50之間選擇。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時，可迴避鋼樑的整體穩定的複雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度後，其板件厚度可按規範中局部穩定的構造規定預估。

柱截面按長細比預估。 通常50<λ<150,簡單選擇值在100附近。根據軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同,可選擇鋼管或h型鋼截面等。

初學者需注意，對應不同的結構，規範中對截面的構造要求有很大的不同。如鋼結構所特有的組成構件的板件的局部穩定問題。在普鋼規範和輕鋼規範中的限值有很大的區別。

除此之外，構件截面形式的選擇沒有固定的要求，結構工程師應該根據構件的受力情況，合理的選擇安全經濟美觀的截面。

（四）結構分析

目前鋼結構實際設計中,結構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體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構提供了條件。並不是所有的結構都需要使用軟體:

典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形。

簡單結構通過手算進行分析。

複雜結構才需要建模運行程序並做詳細的結構分析。

（五）工程判定

要正確使用結構軟體，還應對其輸出結果的做「工程判定」。比如，評估各向周期、總剪力、變形特徵等。根據「工程判定」選擇修改模型重新分析,還是修正計算結果。

不同的軟體會有不同的適用條件。初學者應充分明了。此外,工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離, 為了獲得實用的設計方法,有時會用誤差較大的假定, 但對這種誤差, 會通過"適用條件、概念及構造"的方式來保證結構的安全。鋼結構設計中,「適用條件、概念及構造」是比定量計算更重要的內容。

工程師們不應該過分信任與依賴結構軟體。美國一位學者曾警告說：「誤用計算機造成結構破壞而引起災難只是一個時間的問題。」

注重概念設計和工程判定是避免這種工程災難的方法。

（六）構件設計

構件的設計首先是材料的選擇。 比較常用的是q235(類似a3)和q345(類似16mn)。 通常主結構使用單一鋼種以便於工程管理。經濟考慮,也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。 當強度起控制作用時,可選擇q345; 穩定控制時,宜使用q235。

構件設計中,現行規範使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這和結構內力計算的彈性方法並不匹配。

當前的結構軟體,都提供截面驗算的後處理功能。由於程序技術的進步,一些軟體可以將驗算時不通過的構件，從給定的截面庫里選擇加大一級。並自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。但是，初學者至少應注意兩點：

1、軟體在做構件(主要是柱)的截面驗算時,計算長度係數的取定有時會不符合規範的規定。目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以,尤其對於節點連接情況複雜或變截面的構件,結構師應該逐個檢查。

2、當上面第(三)條中預估的截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區別對待。

(1) 強度不滿足,通常加大組成截面的板件厚度，其中,抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度。

(2) 變形超限，通常不應加大板件厚度，而應考慮加大截面的高度，否則，會很不經濟。

使用軟體的前述自動加大截面的優化設計功能，很難考慮上述強度與剛度的區分，實際上，常常並不合適。

（七）節點設計

連接節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一。在結構分析前,就應該對節點的形式有充分思考與確定。常常出現的一種情況是,最終設計的節點與結構分析模型中使用的形式不完全一致,這必須避免。按傳力特性不同,節點分剛接,鉸接和半剛接。初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。常用的參考書[2]有豐富的推薦的節點做法及計算公式。

連接的不同對結構影響甚大。比如,有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題,但會產生較大轉動, 不符合結構分析中的假定。會導致實際工程變形大於計算數據等的不利結果。

連接節點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法, 初學者可偏安全選用前者。設計手冊中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者查用,比較方便。也可以使用結構軟體的後處理部分來自動完成。

具體設計主要包括以下內容:

1、焊接: 對焊接焊縫的尺寸及形式等,規範有強制規定,應嚴格遵守。 焊條的選用應和被連接 金屬材質適應。e43對應q235,e50對應q345。 q235與q345連接時,應該選擇低強度的e43,而不是e50。

焊接設計中不得任意加大焊縫。 焊縫的重心應盡量與被連接構件重心接近。其他詳細內容可查規範關於焊縫構造方面的規定。

2、栓接:

鉚接形式,在建築工程中，現已很少採用。

普通螺栓抗剪性能差, 可在次要結構部位使用。

高強螺栓,使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個強度等級。根據受力特點分承壓型和摩擦型。兩者計算方法不同。高強螺栓最小規格m12。常用m16～m30。 超大規格的螺栓性能不穩定,設計中應慎重使用。

自攻螺絲用於板材與薄壁型鋼間的次要連接。 國外在低層牆板式住宅中,也常用於主結構的連接。

3、連接板: 可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm。 然後驗算凈截面抗剪等。

4、梁腹板: 應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。

5、節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應儘可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。

6、節點設計還應考慮製造廠的工藝水平。 比如鋼管連接節點的相貫線的切口需要數控機床等設備才能完成。

（八）圖紙編製

鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖為設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結構製造公司根據設計圖編製，有時也會由設計單位代為編製。由於近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的矛盾，有設計能力的鋼結構公司參與設計圖編製的情況也很普遍。

1、設計圖: 是提供製造廠編製施工詳圖的依據。深度及內容應完整但不冗餘。在設計圖中,對於設計依據、荷載資料（包括地震作用）、技術數據、材料選用及材質要求、設計要求（包括製造和安裝、焊縫質量檢驗的等級、塗裝及運輸等）、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節點構造等均應表示清楚，以利於施工詳圖的順利編製，並能正確體現設計的意圖。主要材料應列表表示。

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製造加工。不完全相同的另構件單元須單獨繪製表達，並應附有詳盡的材料表。

設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設計單位之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。初學者可參考他人的優秀設計並參考相關的工具書，並依據規範規定編製。

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