钢结构的特点

钢结构的特点 钢结构施工时间短、用于施工的钢结构构件可以是工厂化生产、现场安装， 可以大大缩短施工的时间，节约时间；空间大由于钢材的抗压、抗侧弯强度均 为混凝土的1.5倍，因此在等同强度的条件下可以缩小截面从而增大了有效的 空间；可循环利用钢结构建筑的施工材料可以实现再生利用，这样就减少了大 量的建筑垃圾。抗震性能好，由于钢结构属于柔性结构、自重轻，能有效地降低 地震响应及灾害的影响程度，有利于抗震。耐火性差钢材的导热系数远远大于 钢筋混凝土的导热系数，其耐火性能也远远差于混凝土结构，当温度达到600C 的时侯，钢结构就会基本丧失其全部的强度和刚度。因此在钢结构建筑中抗火被 看做重要一环；耐腐蚀性差由于钢材表面的铁原子与空气中的氧化合会生成氧 化铁锈，锈蚀能够引起应力集中，从而危害钢结构建筑的使用安全，使钢结构建 筑寿命减短，因此对钢结构建筑进行有效的防腐措施才能确保其使用时间。 1.1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。 1.2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。 钢结构通常有框架、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。 1.3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 1/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〈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。 1.4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_ A , p 6 o 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。 1.5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 计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。” 1.6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sap2000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