钢结构设计步骤及过程探究

钢结构设计步骤及过程探究 【摘 要】随着我国国民经济和科学技术的发展，钢结构 建筑已逐渐成为一种较为普遍的建筑结构形式，在工业、民 用建筑中都得到了较广泛的运用，设计与施工的好坏直接决 定着建筑结构的质量，本文主要从钢结构的设计步骤与过程 方面，探寻钢结构设计的技巧与关键所在。 【关键词】钢结构；设计；步骤 随着经济的高速发展，国民对居住生活环境的要求越来 越高，对于与人们居住生活相关的建筑业就要与时俱进，不 断更新换代、推陈出新，从各个方面满足人们的居住需求。 近年来，在我国钢结构建筑发展迅速，因其独特的优点，越 来越多的受到人们的青睐，主要有质轻高强、抗震性能优越、 施工周期短、综合效益高、与计算力学假定基本相似、塑性 和韧性好、气密性和水密性好、工业化程度高、属于绿色环 保建筑等优点，其缺点主要是不耐锈蚀和耐热不耐火及工程 造价高等方面。目前，钢结构建筑已逐渐成为一种较为普遍 的建筑结构形式，在工业、民用建筑中都得到了较广泛的运 用。 1、钢结构选型与布置 结构选型是设计的首选环节，选择合适的结构类型，对 于后续的设计及整个结构的成功与否至关重要，常用的钢结 构类型有轻钢、网架、框架、桁架、索膜及塔桅等。到底 选择哪一种结构类型，需要根据实际情况和上述结构类型的 特点综合考虑。如果是悬挂或移动荷载较大的轻钢厂房，最 好选用网架形式；如果工程是在我国东北地区，还要考虑到 冬季积雪荷载，宜选用网壳形式；如果是在南方夏季多雨地 区建房，要考虑到雨水荷载，优先选用网壳形式；如果是在 高层建筑中使用钢结构，考虑到地震烈度，可采用周边支柱, 核心筒体形式；如果是体育场或展览馆等跨度较大的建筑， 宜选择索膜形式。 对于钢结构的布置，要根据建筑的荷载分布、使用性质、 体型特征等综合权衡，要以最直接的途径把荷载传递到基础 为原则来布置。概念设计对整个的钢结构设计来讲非同小 可，需要重视钢结构概念设计。做好概念设计，既对整体设 计进行了控制和规划，又能节省计算量，可以说是不可或缺 的设计流程。比如说门式刚架，根据刚架跨度和檐口高度1/h 之比，科学的进行柱脚形式刚接或较接的选取和假设，对风 荷载进行选取，需要参考建筑结构荷载规范还是门刚规程； 依据有无吊车荷载和地震烈度情况，科学进行柱顶侧移的控 制，需要参考钢结构设计规范还是门刚规程；同时，对于构 件的验算规范，要与荷载选取情况相一致，综合比较后选择 出最为经济合理的构件截面。 2、钢结构设计步骤分析 2. 1估算截面 在结构选型和布置完成后，就要进行截面的估算工作， 通常首先要假设梁柱及支撑的截面和尺寸，再来估算构件的 截面，依据设计规范确定构件截面类型，例如H型钢、圆管 及方管等，钢材材质不同，计算要求各异，需要弄清是普通 钢还是轻钢。根据笔者设计经验，在符合规范的基础上，权 衡经济和安全因素，尽可能的选用既经济又美观的截面形 式。 2. 2结构分析 伴随着计算机及科技的发展，我们也可以进行结构非线 性部分的分析，这样以来，使得分析会更加的准确。通常在 设计实际中，较易的机构可以用手算，稍微复杂一些的结构, 需要用分析软件进行分析，再就是对于一些较为典型的结 构，也就是说我们常用的结构，我们可以查询相关书籍及文 献，根据经验来取值直接分析即可。 2. 3工程判断 使用软件时常常会有一些计算假定条件来模拟实际工 程结构形式，这些条件无疑与实际工程存有误差，有时候误 差还不小，这样以来，分析结果会有不精确性和理论化，为 了尽可能使分析结果与现实相符，对于较为复杂的结构，在 做出分析结果的同时，还要对结果进行“工程判断”，据评 判结果，需要修正的及时进行修正或修改，以期分析数据精 确化、现实化和可行化。对于本环节，熟悉常用分析软件的 使用条件和范围很重要，对于较好的处理分析结果，优化结 构设计，合理选型和数据判断都至关重要。 2.4构件设计 构件设计的第一步是钢材的选用。钢结构建筑中的所用 钢材，应当符合屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯、冷拉、 和硫、磷含量的基本保证；此外，对于焊接类结构，还应具 有合格的含碳量。对于地震区的钢结构房屋，钢材除了上述 要求外，还有具有良好的冲击韧性，符合抗震设计规范的相 关规定，规范里面对钢材的各项物理和力学指标都进行了详 细的规定。一般来讲，钢结构建筑的主要受力构件，要优先 选用Q235B及以上等级的碳素钢，或者是Q345B及以上等级 的低合金高强钢，原因是Q235A钢材不能保证焊接要求的含 碳量规定。 在使用设计软件进行计算时，设计人员不要太依赖于设 计软件而忽略了概念设计，有时候软件也有误差，设计人员 在重视概念设计的基础上，还要重视软件设计结果的复核工 作，及时纠正偏差。例如SFCAD网架计算软件中节点系数 值的选取会直接影响计算结果及工程量，必须反复验算及复 核至满足要求为止；再如PKPM结构设计软件中STS模块计 算门式刚架的参数设置中默认构件净截面系数是0. 85,设计 人员也可以自行修改，3D3S空间结构计算软件中此项默认 为1,此时就要了解如何复核、对比不同计算软件的计算结 果，熟悉针对不同的强度计算类别选择使用毛截面模量或净 截面模量进行计算。 2.5节点设计 节点设计也是钢结构设计的重要一环，需要加强这方面 的工作。钢结构节点连接主要有3种，分别是刚接、较接和 半刚接。刚接要考虑弯矩和转动情况，避免只符合弯矩或只 符合转动而忽视另一种情况的出现，否则会产生较大的变 形，出现劣质工程。节点常用的设计方法是等强设计，节点 连接形式主要是焊接、螺栓连接以及钥钉连接等，现在主要 是前两种，钥钉连接已经不太常用，具体连接需要查阅相关 设计规范。另外，设计人员一定要严格遵循设计规范进行节 点设计，还要考虑施工安装等要求，合理科学的对承载力折 减系数进行取值，力争在节点设计环节精益求精。 2. 6构件防腐 钢结构的缺点之一就是不耐腐蚀，因此，防腐问题对钢 结构而言，显得异常关键。目前，钢结构防腐主要是以镀锌 或涂抹防腐油漆为主，对于无防火要求的建筑，防腐说明要 注明除锈方法及防腐等级等；对于有防火要求的建筑，要注 明构件不同的耐火极限要求，并说明如所用防火涂料不起防 锈作用，还应涂刷防锈底漆，有的建筑对外观效果要求较高, 还要在防火涂料外表面涂刷面漆，此时选用油漆时就应考虑 到它勿与防火涂料进行化学反应问题，以期结合牢靠。防腐 对于钢结构而言，显得甚是关键，对于以后工程的耐久性有 着直接联系，因此，设计人员需要高度重视该环节的设计。 3、结束语 本文从钢结构设计选型入手，分析研究了钢结构设计的 主要步骤，主要包括估算截面、结构分析、工程判断、构件 设计、节点设计、构件防腐等，由于篇幅有限，还不甚全面， 希望通过本文的研究能为提高我国钢结构设计水平提供理 论参考，也希望为研究本课题的同仁起到抛砖引玉的作用。 参考文献 [1] 申海啸、张玉生、蔡鹏.谈钢结构设计的一般过程 [J].陕西建筑.200809. [2] 赖少峰.分析现阶段钢结构设计中存在的问题[J]. 建材与装饰中旬刊.200806. [3] 万迎春.钢结构构件设计及节点设计分析