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钢结构设计的基本 知识

  发表时间: 2017年02月15日  点击数:423 次

  计简单步骤和 设计思路

  (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、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、雕塑、仓棚、工厂、住宅、山地建筑和临时建筑等。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

  结构选型及布 置是对结构的定性,由于其涉及广泛,应该在经验丰富的工程师指导下进行。此处仅简单介绍. 详请参考相关专业 书籍.

  在钢结构设计 的整个过程中都应该被强调的是"概念设计",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构造措施。 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、力学行为清晰、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。

  钢结构通常有 框架、平面桁架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔 桅等结构形式。

  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, 应考虑不同结构形式的特点。在工业厂房中,当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载,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度外不需考虑雪载 ),如亚东水泥厂石 灰石仓棚采用三心圆网壳,总雪载和坡屋面相比释放近一半。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1/20~1/50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造规定预估。

  柱截面按长细 比预估. 通常50<λ<150, 简单选择值在 80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 .

  对应不同的结 构,规范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-Δ,p-δ.

  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, "适用条件、概念及 构造"是比定量计算更重 要的内容.

  工程师们过分 信任与依赖结构软件有可能带来结构灾难,注重概念设计、工程判定和构造措施有助于避免这种灾难.

  (六) 构件设计

  构件设计首先 是材料的选择. 比较常用的是 Q235和Q345. 当强度起控制作用 时,可选择Q345; 稳定控制时,宜使 用Q235.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焊接组合截面(翼缘Q345,腹板Q235). 另外,焊接结构宜 选择Q235B或Q345B。

  当前的结构软 件,都提供截面验算的后处理功能。部分软件可以将不通过的构件,从给定的截面库里选择加大一级自动重新验算,直至通过,如sap2000等。这是常说的截 面优化设计功能之一,它减少了很多工作量。 但是,我们至少应 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,我们应该逐个检查.

  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,除常用于网架设计外,其他结构形式常常并不合适。

  (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.有时出现的一种情 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,如果你不能确信这种不一致带来的偏差差在工程许可范围内(5%),就必须避免。 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M16~M30. 超大规格的螺栓性 能不稳定,应慎重使用。

  自攻螺丝用于 板材与薄壁型钢间的次要连接. 在低层墙板式住宅 中也常用于主结构的连接. 难以解决的是自攻 过程中防腐层的破坏问题。

  3.连接板: 需验算栓孔削弱处 的净截面抗剪等. 连接板厚度可简单 取为梁腹板厚度加4mm,则除短梁或有较 大集中荷载的梁外,常不需验算抗剪。

  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 的相贯线的切口可能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,设计图由设计单位提供,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

  钢结构设计常 用规范

  (九)轻钢结构计算

  轻钢结构计算 特点比较多,我罗列了一下大概有十个方面,拿出来供大家参考。

  1、荷载计算。竖向 荷载在算檩条时,按实际值取用,但活荷载传钢梁时,因跨度大,检修荷载不会满载,一般要乘以折减系数0.6左右。

  2、风荷载取值。一 般不小于1.5倍的当地基本风压 值。

  3、檩条计算。不但 要计算正压力,还要考虑局部风荷载引起的负压力、扭力。

  4、柱强度与稳定计 算。基本同普通钢结构,仅截面计算同有效截面。

  5、梁杆件计算。与 普通钢结构比较改变较大,剪力由纯腹板计算,弯矩以翼缘和部分腹板承担。

  6、梁柱腹板的局部 稳定计算。门式刚架和轻质屋面梁的工字型截面构件,受压翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比,不应超过 15 ,腹板计算高度 h0与其厚度tw之比不应超过下列 数值:柱h0/tww≤250 梁 h0/tww≤300 。

  7、梁的侧向支撑计 算。轻钢结构的侧向支撑是以隅撑的形式出现的,而遇撑作为支撑杆,其自身必须具有一定强度,隅撑强度一般按轴心受压构件计算,公式为:N=  。其中: Af――实腹梁受压翼缘的 截面面积;f――实腹梁钢材强度设 计值;fy――实腹梁钢材的屈服 值;θ――隅撑与檩条轴线的 夹角;n――隅撑的斜杆数。

  8、钢梁的连接点计 算。与普通钢结构有所不同,一般是采用对接方式,连接螺栓的计算,在大多数情况下,不采用平均应力法,而采用工字钢梁上下翼缘各自受力的特点分别进行计算。节点板厚度按下式计算:tp≥ ,其中b――端板宽度;f――端板钢材的抗弯强 度设计值;Nt――一个螺栓的最大拉 力。

  10、轻钢结构支撑设 计。与普通钢结构设计也不一样,轻钢支撑为柔性水平十字交叉圆钢支撑,用特制的零件连于梁柱腹板,它的布置除在端跨的第二开间外,还每隔60米(或五个开间 )设一道。

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