鋼結構設計的基本知識

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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、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、雕塑、倉棚、工廠、住宅、山地建筑和臨時建筑等。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
      結構選型及布置是對結構的定性，由于其涉及廣泛，應該在經驗豐富的工程師指導下進行。此處僅簡單介紹. 詳請參考相關專業(yè)書籍.
      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(guī)范未規(guī)定的問題，可依據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構造措施。 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、力學行為清晰、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力分析輸出數據可靠與否的主要依據。 
      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、平面桁架、網架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構形式。 
      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(wěn)定等。 
      結構選型時，應考慮不同結構形式的特點。在工業(yè)廠房中，當有較大懸掛荷載或大范圍移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網架?；狙捍蟮牡貐^(qū)，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線50度外不需考慮雪載 ），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網殼，總雪載和坡屋面相比釋放近一半。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)榱私洕ミx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。
    結構的布置要根據體系特征，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.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80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. 
      對應不同的結構，規(guī)范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"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容. 
      工程師們過分信任與依賴結構軟件有可能帶來結構災難，注重概念設計、工程判定和構造措施有助于避免這種災難.
    (六) 構件設計
      構件設計首先是材料的選擇. 比較常用的是Q235和Q345. 當強度起控制作用時，可選擇Q345; 穩(wěn)定控制時，宜使用Q235.通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理. 經濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的焊接組合截面（翼緣Q345，腹板Q235）. 另外，焊接結構宜選擇Q235B或Q345B。
      當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。部分軟件可以將不通過的構件，從給定的截面庫里選擇加大一級自動重新驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一，它減少了很多工作量。 但是，我們至少應注意兩點：
    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，我們應該逐個檢查.
    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，除常用于網架設計外，其他結構形式常常并不合適。
    (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.有時出現的一種情況是，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，如果你不能確信這種不一致帶來的偏差差在工程許可范圍內（5%），就必須避免。 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[2]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據等的不利結果.
      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(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，應慎重使用。
      自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接. 在低層墻板式住宅中也常用于主結構的連接. 難以解決的是自攻過程中防腐層的破壞問題。
    3.連接板: 需驗算栓孔削弱處的凈截面抗剪等. 連接板厚度可簡單取為梁腹板厚度加4mm，則除短梁或有較大集中荷載的梁外，常不需驗算抗剪。
    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，還應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。
    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)點的相貫線的切口可能需要數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，設計圖由設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。由于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制的情況也很普遍。
      1.設計圖: 是提供制造廠編制施工詳圖的依據. 深度及內容應完整但不冗余. 在設計圖中，對于設計依據、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（包括制造和安裝、焊縫質量檢驗的等級、涂裝及運輸等）、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節(jié)點構造等均應表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并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制造加工.不完全相同的另構件單元須單獨繪制表達，并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(yōu)秀設計并參考相關的工具書[3]，并依據規(guī)范規(guī)定編制
鋼結構設計常用規(guī)范
  (九)輕鋼結構計算
    輕鋼結構計算特點比較多，我羅列了一下大概有十個方面，拿出來供大家參考。
1、荷載計算。豎向荷載在算檁條時，按實際值取用，但活荷載傳鋼梁時，因跨度大，檢修荷載不會滿載，一般要乘以折減系數0.6左右。
2、風荷載取值。一般不小于1.5倍的當地基本風壓值。
3、檁條計算。不但要計算正壓力，還要考慮局部風荷載引起的負壓力、扭力。
4、柱強度與穩(wěn)定計算?；就胀ㄤ摻Y構，僅截面計算同有效截面。
5、梁桿件計算。與普通鋼結構比較改變較大，剪力由純腹板計算，彎矩以翼緣和部分腹板承擔。
6、梁柱腹板的局部穩(wěn)定計算。門式剛架和輕質屋面梁的工字型截面構件，受壓翼緣板自由外伸寬度b與其厚度t之比，不應超過15 ，腹板計算高度h0與其厚度tw之比不應超過下列數值：柱h0/tww≤250   梁 h0/tww≤300 。
7、梁的側向支撐計算。輕鋼結構的側向支撐是以隅撐的形式出現的，而遇撐作為支撐桿，其自身必須具有一定強度，隅撐強度一般按軸心受壓構件計算，公式為：N＝ 　。其中：Af――實腹梁受壓翼緣的截面面積；f――實腹梁鋼材強度設計值；fy――實腹梁鋼材的屈服值；θ――隅撐與檁條軸線的夾角；n――隅撐的斜桿數。
8、鋼梁的連接點計算。與普通鋼結構有所不同，一般是采用對接方式，連接螺栓的計算，在大多數情況下，不采用平均應力法，而采用工字鋼梁上下翼緣各自受力的特點分別進行計算。節(jié)點板厚度按下式計算：tp≥ ，其中b――端板寬度；f――端板鋼材的抗彎強度設計值；Nt――一個螺栓的最大拉力。
10、輕鋼結構支撐設計。與普通鋼結構設計也不一樣，輕鋼支撐為柔性水平十字交叉圓鋼支撐，用特制的零件連于梁柱腹板，它的布置除在端跨的第二開間外，還每隔60米（或五個開間）設一道。

  (一) 一般規(guī)范
    《鋼結構設計規(guī)范》 (GBJ 17-88) 
    《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》(GBJ18-87) 
    《建筑鋼結構焊接規(guī)程》（JGJ81-91） 
    《高強度螺栓設計、施工及驗收規(guī)程》 
    《鋼結構加固技術規(guī)范》（CECS77：96）中國工程建設標準化協(xié)會 
    (二) 專門規(guī)范 
    《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ 99-98) 
    《高聳結構設計規(guī)范》(GBJ 135-90) 
    《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》(CECS 102:98)
    《網架結構設計與施工規(guī)定》（JGJ 7-91） 
    《壓型鋼板拱殼結構技術規(guī)程》 
    (三) 組合結構規(guī)范 
    《鋼-混凝土組合結構設計規(guī)程》（DL/T 5085-1999）國家經濟貿易委員會 
    《鋼骨混凝土結構設計規(guī)程》（YB9082-97）冶金工業(yè)部 
    《鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程》（CECS28：90）中國工程建設標準化協(xié)會 
      (四) 其他規(guī)范
    《上海地方標準 輕型鋼結構設計規(guī)程》（DBJ 08-68-97) 
    《上海地方標準 高層鋼結構設計暫行規(guī)定》（DBJ 08-32-92）
    《上海地方標準 建筑鋼結構防火技術規(guī)程》（DG/TJ 08-008
鋼結構設計常用專業(yè)圖集、書籍及雜志
    (一) 圖集
      1.輕型鋼結構廠房門式剛架(2000浙G26) 已獲批準使用。主編單位:機械工業(yè)部第二設計研究院 協(xié)編單位:杭州大地網架制造有限公司 0571-2831830
      2.新型屋面梯形鋼屋架(01SG515) 試用圖  北京交通大學勘察設計研究院 已獲批準使用。
      3.門式剛架鋼結構體系（一） [01SG518（一）] 該圖集為門式剛架鋼結構體系的第一分冊---單跨無吊車門式剛架，適用于單層廠房、展覽廳、倉庫、體育建筑等。其包括的門式剛架的跨度為：12m、15m、18m、21m、24m、27m、30m、33m、33m、36m，共十種；根據不同的跨度選用了不同的柱距、肩高和坡度，其中柱距為：6m、7.5m  編制單位:中國建筑標準設計研究所  編制日期:2000 (編制中)
      4.高層民用建筑鋼結構構造體系(01SG519) 編制單位:中國建筑標準設計研究所 編制日期:2000 (編制中)
    (二) 工具書
      1.羅邦富，魏明鐘，沈祖炎，陳明輝.鋼結構設計手冊(第二版).中國建筑工業(yè)出版社，1989 
      有傳統(tǒng)鋼結構方面的豐富資料. 另有同名上下冊較新版本.
      2.李和華.鋼結構連接節(jié)點設計手冊.中國建筑工業(yè)出版社，1992 
      有平面屋蓋、網架和多高層等的鋼結構節(jié)點的詳細設計內容。非常實用的一本工具書.
      3.喻立安，陶龍孫等.建筑結構設計施工圖集---鋼結構.中國建筑工業(yè)出版社，1995
      該書主要面向初學者，包含多個實例圖. 有建筑鋼結構設計圖和施工詳圖編制方法。是對國家制圖規(guī)范的補充。 
      4.建筑構造資料集(下冊).中國建筑工業(yè)出版社，1990
      雖然是一本出版比較早的書，但其中的很多資料仍很寶貴。
      5.汪一駿.輕型鋼結構設計指南(實例與圖集).中國建筑工業(yè)出版社，2000
      6.建筑結構靜力計算手冊.中國建筑工業(yè)出版社，1998
    典型的結構不必建模跑程序，可查表獲得內力與變形。 
      7.建筑五金手冊
    (三) 參考書
      8.魏明鐘.鋼結構設計新規(guī)范應用講評.中國建筑工業(yè)出版社，1991
      9.陳紹蕃.鋼結構穩(wěn)定設計指南.中國建筑工業(yè)出版社，1996
    10.尹德鈺，劉善維，錢若軍.網殼結構設計.中國建筑工業(yè)出版社，1996
    11.高層鋼結構建筑設計資料集.機械工業(yè)出版社，1999
    12.韓林海.鋼管混凝土結構.科學出版社，2000
    13， 李國強，蔣首超，林桂祥.鋼結構抗火計算與設計.中國建筑工業(yè)出版社，1999
    14， 周綏平譯，陳惠發(fā).鋼框架穩(wěn)定設計.世界圖書出版社，1999
    15， steel construction manual，AISC-ASD89，9th edition 美國鋼結構學會，1989
    16， steel construction manual，AISC-LRFD93，3th edition美國鋼結構學會，1993 
    17， 渡邊邦夫等.鋼結構設計與施工.中國建筑工業(yè)出版社，2000
    18， 羅福午等譯，本格尼.高層建筑鋼 混凝土 組合結構設計.中國建筑工業(yè)出版社，1999
鋼結構史綱：

1660 虎克發(fā)現材料變形與受力大小的比例關系（虎克定律）
 
1744 歐拉Euler推導出壓稈穩(wěn)定極限荷載公式，沿用至今。
 
1779 第一座鑄鐵拱橋，英格蘭Coalbrookdale大橋建造完成。
 
1786 法國建造巴黎法蘭西劇院，鐵+玻璃頂。歐元上有沒有？
 
1820 美國費城建造第一棟鑄鐵建筑 （名稱？）
 
1828 維也納建造第一座鋼橋 （名稱？）
 
1851年，倫敦花匠帕克斯頓設計的“水晶宮”展覽館，為玻璃鐵架結構，完全表現了工業(yè)生產的機械本能。“水晶宮”開創(chuàng)了建筑形式的新紀元。 
 
1856 美國開始產鋼
 
1874 第一座大跨鋼桁橋Eads Bridge在圣路易（St. Louis）建成
 
1881 電弧焊工藝問世
 
1883 布魯克林（Brooklyn）吊橋完工.始建于1869年
 
1889年，法國世博會上設計的“埃菲爾鐵塔”和“機械館”，“埃菲爾鐵塔”為高架鐵結構，塔高328M。“機械館”是空前未有的大跨度結構，刷新了世界建筑的新紀錄，長420M，跨度達115M，結構方法首次運用了三鉸拱的原理。 
 
1889 CHICAGO的The Rand Mcnally Building（圖中4號樓）建成，成為第一棟全鋼結構的大廈，10層。
 
1890 3月蘇格蘭福斯橋（Firth of Forth Bridge）完成，用鋼55，000噸，57條生命。8百萬鉚釘運回家。
 
1907 美國設立伯力恒鋼廠（Bethlehem Steel） 
 
1908 伯力恒（Bethlehem Steel）開始生產熱軋型鋼
 
1909年，德意志制造聯(lián)盟的彼得。貝倫斯設計了“柏林通用電氣公司透平機車間”，以鋼結構為骨架與大玻璃窗為特點，被稱為是第一座真正的現代建筑。 
 
1909 美國麻州采用熱軋型鋼用于建筑結構
 
1914 匈牙利Kazinczy證實梁具有塑性鉸極限行為。
 
1921 美國鋼結構學會AISC成立