钢结构设计简单步骤和设计思路

钢结构设计简单步骤和设计思路
' x& t! t* e8 t6 q/ P& N; f9 L  V    (一) 判断结构是否适合用钢结构 （这个问题实际上一般和结构选型联系在一起）。
$ a( i% `3 M$ o: n      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。 （材料的选用还应考虑：材料的综合成本，施工周期，是否就地取材，以及使用环境）
8 Y* s. f. v1 |    (二) 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。[20]

      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。
% ^- o+ a$ z% F8 f1 _7 i/ a" b      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。[19]
& A  O, n7 z7 c& A% q- v6 T( G     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.
7 a1 C0 ]- K# ?2 F/ a$ s1 h* m     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.
     （钢结构整体布置应考虑结构的使用，荷载尽量均匀传递，支撑等耗能构件及连接的布置，结构的美学价值）
    (三) 预估截面
6 x- a3 D( |( f% s7 j2 {5 X     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。
2 V3 J1 Q+ _* a9 t7 v( y* d      柱截面按长细比预估. 通常50<λ<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.
; A0 u& k' f6 r8 S1 H      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。
2 Q% U& y3 y! Z% w      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。
$ e/ [2 g2 C0 O) x9 Q: t     （初学者可以参考以前的设计，一定要多调整几次，积累概念）
8 V2 J* L4 D& ^" |# ^! F4 o. o    (四) 结构分析
! J9 i& A0 C( {- M      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:
& y) u, Y+ e3 N1 v. x- S: J$ ^# W7 d        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.
- r$ T# y, ~' B        复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析.
       （建议应学习一些手算技巧）
    (五) 工程判定
* Q+ w1 H, Z+ ?1 C) y: j* g      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.
3 R! F0 A8 G- ^) C. k; O: K% R" u      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。”
/ ~7 v0 e& Y) x4 u1 u( P8 U( [           注重概念设计和工程判定是避免这种工程灾难的方法.
    (六) 构件设计
0 D7 e7 k/ I2 O' A7 \2 m      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.
1 P, O/ D, u- X9 j1 i% O      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.
. B6 p: S( [7 _, g      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.
4 `8 _1 D  l0 q" S9 M8 d4 W" K4 {     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。
9 h: p" c! f- U0 g6 M       (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。
+ B5 T. _# G' E' k3 s     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，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.常常出现的一种情况是,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,这必须避免. 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.
2 w/ l& m7 p2 q, ?2 G' W4 G4 h      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.
# M, q9 t/ ?6 X; W) K+ o  X; g      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.
8 ^$ a  W3 D9 P/ q      具体设计主要包括以下内容:
  t5 A- e3 m9 h     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.
, o. D' N0 M; Z  y, m* R$ W9 J       普通螺栓抗剪性能差, 可在次要结构部位使用.
0 d0 n" O0 r2 e- O2 w) @% d       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,设计中应慎重使用。
       自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接. 国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接.
; |) h' R  D8 w     3.连接板: 可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm. 然后验算净截面抗剪等.
     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.
/ D& l; V" P+ D& h     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。
' @$ A. ^; ?2 P6 ]2 u5 @2 G     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需要数控机床等设备才能完成.
4 q/ x7 A. Q& O8 I: K2 [    (八) 图纸编制
      钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，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 h! x7 [  S, x      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.
8 q2 h! }2 C9 t0 p* C     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。

不错啊让初学者学习学习

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不错，对做钢结构的新手的我很有启发！:)

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写的不错 是好东东呀  谢谢楼主了。

谢谢！写的很好！共同学习！

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