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
鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、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 和臨時建筑等。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(yè)書籍。由于結構選型涉及廣 泛 ,做結構選型及布置應該在經(jīng)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(diào)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(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機 理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)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于手算、概念清晰、定 性正確，并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(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。
林同炎教授在《結構概念和體系》一書中介紹了用整體概念來規(guī)劃 結構方案的方法， 以及結構總體系和個分體系間的相互力學關系和簡化 近似設計方法。
鋼結構通常有框架、平面 (木行 )架、網(wǎng)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(wǎng)殼的穩(wěn)定等。
結構選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業(yè)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采用網(wǎng)架?；狙?大的地區(qū)，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線 50 度內(nèi)需考慮雪載
），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼?？傃┹d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)點剛 接的框架有更好的經(jīng)濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，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，常采用鋼混凝土組合結構，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應單純?yōu)榱私?jīng)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(shù)以上的此類高層為前者。對抗震不利。
結構的布置要根據(jù)體系特征 ,荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮。 一般的說要剛度均勻。力學模型清晰。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。 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(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) 預估截面
結構布置結束后，需對構件截面作初步估算。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、 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 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)定的構造規(guī)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(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。
初學者需注意，對應不同的結構，規(guī)范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(wěn)定問題。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，構件截面形式的選擇沒有固定的要求，結構工程師應該 根據(jù)構件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)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構提供了條件。并不是所有的結構都需要使用 軟件 :
典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形。 簡單結構通過手算進行分析。 復雜結構才需要建模運行程序并做詳細的結構分析。
(五) 工程判定
要正確使用結構軟件，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、變形特征等。根據(jù) “工程判定 ”選擇修改模型重 新分析 ,還是修正計算結果。
不同的軟件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(nèi)容。
工程師們不應該過分信任與依賴結構軟件。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于工程管理。 經(jīng)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(wěn)定控制時 ,宜使用 q235 。
構件設計中 ,現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。 這和結構內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配。
當前的結構軟件 ,都提供截面驗算的后處理功能。 由于程序技術的進 步 ,一些軟件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。并自動重新分析驗算，直至通過，如 sap2000
等。這是常說的截 面優(yōu)化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。 但是，初學鋼至少應注意兩點：
1、軟件在做構件 (主要是柱 )的截面驗算時 ,計算長度系數(shù)的取定有時會不符合規(guī)范的規(guī)定。目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所 以 ,尤其對于節(jié)點連接情況復雜或變截面的構件，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(qū)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(jīng)濟。
使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設計功能， 很難考慮上述強度與剛 度的區(qū)分，實際上，常常并不合適。
(七) 節(jié)點設計
連接節(jié)點的設計是鋼結構設計中重要的內(nèi)容之一。在結構分析前 ,就應該對節(jié)點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 計的節(jié)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(jié)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 有豐富的推薦的節(jié)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(jié)點雖然承受彎矩沒有問題 ,但會產(chǎn)生較大轉動 , 不符合結構分析中的假定。 會導致實際工程 變形大于計算數(shù)據(jù)等的不利結果。
連接節(jié)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 [2] 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。
也可以使用結構軟件的后處理部分來自動完成。
具體設計主要包括以下內(nèi)容 :
1、焊接 : 對焊接焊縫的尺寸及形式等 ,規(guī)范有強制規(guī)定 ,應嚴格遵 守。 焊條的選用應和被連接 金屬 材質(zhì)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(nèi)容可查規(guī)范關于焊縫構造方面的規(guī)定。
2、栓接 :
鉚接形式 ,在建筑工程中，現(xiàn)已很少采用。 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(jù) 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(guī)格 m12 。 常用 m16 ～m30 。
超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定 ,設計中應慎重 使用。
自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。國外在低層墻板式 住宅中 ,也常用于主結構的連接。
3、連接板 : 可簡單取其厚度為梁腹板厚度加 4mm 。 然后驗算凈 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(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構件吊 裝順序等。構件運到現(xiàn)場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應盡 可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。
6、節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平。 比如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口需要數(shù)控機床等設備才能完成。
(八) 圖紙編制
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制造公司根據(jù)設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。
