论文部分内容阅读
【摘 要】 本文结合笔者从事的钢结构设计实践，针对钢结构设计中应当遵循的设计步骤以及相应的注意要点进行了深入探讨，提出钢结构的概念设计思想，使钢结构设计更加经济合理、安全可靠，为同行提供借鉴。
【关键词】 钢结构；结构设计；概念设计；节点设计
鉴于钢结构具有自重轻、施工速度快等优势而被广泛地应用到高层建筑、体育场馆中。同时由于钢结构应用的广泛性，掌握钢结构设计要点有着重要的意义。笔者自从参加工作以来设计了多栋钢结构建筑。随着设计经验的积累，对规范认识的逐步加深，从中总结了一些对钢结构设计要点，以供同行人员参考及讨论。
1.钢结构概念设计
钢结构选型及其构件布置是设计的首要步骤，合理的结构选型以及构件布置将为结构设计带来经济合理的方案，否则将大大增加工程造价。鉴于钢结构选型方案较多，而要选取较经济合理的方案以及构件布置，这就需要强调概念设计。概念设计在结构选型是核心理念，即在钢结构选型时对于规范未规定的问题，应当结合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，从多角度来确定控制结构的布置及细部措施。工程实践表明，对钢结构采取概念设计，可有效地对结构进行构思、比较与选择，同时可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。因此笔者认为对于钢结构设计人员应当重视概念设计。
1.1类型选取
鉴于钢结构类型的较多，其可设计有框架结构、平面桁架结构、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。对于这些结构来说，部分结构设计还存在一些难点。进行钢结构选型时，应充分考虑结构所处的地区环境以及其使用特点。例如对于轻钢工业厂房中，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。对于基本雪压较大以及降雨量较大的地区，则屋面钢结构选型应当考虑有利于积雪滑落（切线50度内需考虑雪载），如采用三心圆网壳。
1.2结构布置
在钢框架结构中适当地布置支撑相对简单的节点刚接的钢框架结构更具有客观的经济效益；而对于屋面覆盖跨度较大的建筑选型，则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，而是应当适当在周边设置有巨型SRC柱，核心采取支撑框架的结构体系。
另外钢结构布置应当根据结构自身的体系特征、荷载分布情况以及性质而采取综合考虑。结合工程实践经验，笔者认为对于要求结构刚度均匀.、力学模型清晰，则应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，为此柱间抗侧支撑布置应当分布均匀，使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；同时对钢结构抗侧设计采取多道防线，如布置有支撑框架结构，其钢柱至少能单独承受1/4的总水平力。
钢框架结构的钢梁构件布置，可采取调整其荷载传递方向以满足不同的要求。构件布置时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而导致楼层净高减小，同时增大了顶层边柱截面，因此构件布置时适宜把次梁支撑在较短的主梁上。
2.钢结构杆件设计
钢结构构件的设计首先要确定材料选取，常用的是Q235（类似A3）和Q345（类似16Mn）。材料选取要考虑到经济方面，也可以选择不同强度钢材的組合截面；如果对于杆件为强度起控制作用时，材料可选取Q345，若杆件是由稳定控制时则适宜选取Q235。进行设计构件时，应当按照现行钢结构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。当前钢结构软件，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。但结合笔者的设计实践，进行钢结构杆件设计时应当注意以下几点：
（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。因此，对于节点连接情况复杂或变截面的构件，设计人员应当采取逐个检查。
（2）设计杆件截面时，如果出现截面面积不足，则应当采取不同情况来进行处理。对于强度不满足的杆件，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不满足时适宜加大翼缘厚度，抗剪不满足时则适宜加大腹板厚度。对于变形超限的钢杆件，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则将使得杆件设计很不经济。在使用软件的上述所提到的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，实际上往往并不合适。
3.钢节点设计
钢节点设计作为构件传递力的介质，其在钢结构设计起着相当关键作用。工程实践表明，钢结构节点设计一般有铰接和刚接，而铰接节点由于其力学关系明确，在工程一些部位应用较多。对于梁柱刚性连接设计中，在工程实际中采用的也大部分是这类节点。采用精确设计法进行钢结构节点设计时，腹板抗弯很难满足要求，必须较大程度地加厚腹板。如果不加强梁端翼缘，而是只考虑腹板连接螺栓承担剪力，则弯矩全部由翼缘焊缝承担，这时翼缘焊缝的抗弯能力只有梁抗弯能力的80%左右，即梁翼缘截面模量只有梁全截面模量的80%左右，再按《钢结构设计规范》第3.2.2条，考虑现场施工条件焊缝强度设计值乘以折减系数0.9，则其连接的抗弯承载力只有梁抗弯承载力的70%～75%。显然这种节点比等强连接还要低30%～25%，不符合强节点的设计理念。针对此，节点设计应当采用《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》01SG519图集第19、20页所示的抗震加强措施。
4.钢结构计算分析
进行钢结构设计一般对结构分析采取线弹性分析，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，但其并不是所有的结构都需要使用软件。例如对于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，对于简单结构可通过手算进行分析；而对于复杂结构则必须建模运行程序并做详细的结构分析。
进行钢结构模型建立后，为了准确地设计钢结构，必须对计算分析输出结果做"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，对于钢结构设计人员来说，由于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，因此这也间接反映了上述所提到的钢结构设计中"适用条件、概念及构造"是比定量计算更重要。
5.结论
鉴于钢结构相对于混凝土结构具有自重轻、施工速度快、性能好、环保、工厂化程度高、劳动强度小等优点。结合工程实践，笔者建议在设计钢结构时，应当采用概念设计理念进行结构选型；在结构设计中把大跨度、小跨度构造合理划分，减小设计难度；同时在设计钢结构节点中应首选结构简单，制作和施工方便的节点；这些设计想法希望能对相关的设计人员提供有益的借鉴作用。
参考文献：
[1]王立虎.钢结构设计探讨[J].包钢科技，2007，27（11）31～33.
[2]杨烈生，王巧静，赵碧等.钢结构设计浅析[J].有色金属设计，2002，27（09）：31～33.
[3]张宗升.浅析钢结构设计中的常见问题[J].山西建筑，2006，31（06）：57～58.
【关键词】 钢结构；结构设计；概念设计；节点设计
鉴于钢结构具有自重轻、施工速度快等优势而被广泛地应用到高层建筑、体育场馆中。同时由于钢结构应用的广泛性，掌握钢结构设计要点有着重要的意义。笔者自从参加工作以来设计了多栋钢结构建筑。随着设计经验的积累，对规范认识的逐步加深，从中总结了一些对钢结构设计要点，以供同行人员参考及讨论。
1.钢结构概念设计
钢结构选型及其构件布置是设计的首要步骤，合理的结构选型以及构件布置将为结构设计带来经济合理的方案，否则将大大增加工程造价。鉴于钢结构选型方案较多，而要选取较经济合理的方案以及构件布置，这就需要强调概念设计。概念设计在结构选型是核心理念，即在钢结构选型时对于规范未规定的问题，应当结合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，从多角度来确定控制结构的布置及细部措施。工程实践表明，对钢结构采取概念设计，可有效地对结构进行构思、比较与选择，同时可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。因此笔者认为对于钢结构设计人员应当重视概念设计。
1.1类型选取
鉴于钢结构类型的较多，其可设计有框架结构、平面桁架结构、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。对于这些结构来说，部分结构设计还存在一些难点。进行钢结构选型时，应充分考虑结构所处的地区环境以及其使用特点。例如对于轻钢工业厂房中，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。对于基本雪压较大以及降雨量较大的地区，则屋面钢结构选型应当考虑有利于积雪滑落（切线50度内需考虑雪载），如采用三心圆网壳。
1.2结构布置
在钢框架结构中适当地布置支撑相对简单的节点刚接的钢框架结构更具有客观的经济效益；而对于屋面覆盖跨度较大的建筑选型，则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，而是应当适当在周边设置有巨型SRC柱，核心采取支撑框架的结构体系。
另外钢结构布置应当根据结构自身的体系特征、荷载分布情况以及性质而采取综合考虑。结合工程实践经验，笔者认为对于要求结构刚度均匀.、力学模型清晰，则应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，为此柱间抗侧支撑布置应当分布均匀，使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；同时对钢结构抗侧设计采取多道防线，如布置有支撑框架结构，其钢柱至少能单独承受1/4的总水平力。
钢框架结构的钢梁构件布置，可采取调整其荷载传递方向以满足不同的要求。构件布置时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而导致楼层净高减小，同时增大了顶层边柱截面，因此构件布置时适宜把次梁支撑在较短的主梁上。
2.钢结构杆件设计
钢结构构件的设计首先要确定材料选取，常用的是Q235（类似A3）和Q345（类似16Mn）。材料选取要考虑到经济方面，也可以选择不同强度钢材的組合截面；如果对于杆件为强度起控制作用时，材料可选取Q345，若杆件是由稳定控制时则适宜选取Q235。进行设计构件时，应当按照现行钢结构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。当前钢结构软件，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。但结合笔者的设计实践，进行钢结构杆件设计时应当注意以下几点：
（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。因此，对于节点连接情况复杂或变截面的构件，设计人员应当采取逐个检查。
（2）设计杆件截面时，如果出现截面面积不足，则应当采取不同情况来进行处理。对于强度不满足的杆件，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不满足时适宜加大翼缘厚度，抗剪不满足时则适宜加大腹板厚度。对于变形超限的钢杆件，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则将使得杆件设计很不经济。在使用软件的上述所提到的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，实际上往往并不合适。
3.钢节点设计
钢节点设计作为构件传递力的介质，其在钢结构设计起着相当关键作用。工程实践表明，钢结构节点设计一般有铰接和刚接，而铰接节点由于其力学关系明确，在工程一些部位应用较多。对于梁柱刚性连接设计中，在工程实际中采用的也大部分是这类节点。采用精确设计法进行钢结构节点设计时，腹板抗弯很难满足要求，必须较大程度地加厚腹板。如果不加强梁端翼缘，而是只考虑腹板连接螺栓承担剪力，则弯矩全部由翼缘焊缝承担，这时翼缘焊缝的抗弯能力只有梁抗弯能力的80%左右，即梁翼缘截面模量只有梁全截面模量的80%左右，再按《钢结构设计规范》第3.2.2条，考虑现场施工条件焊缝强度设计值乘以折减系数0.9，则其连接的抗弯承载力只有梁抗弯承载力的70%～75%。显然这种节点比等强连接还要低30%～25%，不符合强节点的设计理念。针对此，节点设计应当采用《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》01SG519图集第19、20页所示的抗震加强措施。
4.钢结构计算分析
进行钢结构设计一般对结构分析采取线弹性分析，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，但其并不是所有的结构都需要使用软件。例如对于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，对于简单结构可通过手算进行分析；而对于复杂结构则必须建模运行程序并做详细的结构分析。
进行钢结构模型建立后，为了准确地设计钢结构，必须对计算分析输出结果做"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，对于钢结构设计人员来说，由于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，因此这也间接反映了上述所提到的钢结构设计中"适用条件、概念及构造"是比定量计算更重要。
5.结论
鉴于钢结构相对于混凝土结构具有自重轻、施工速度快、性能好、环保、工厂化程度高、劳动强度小等优点。结合工程实践，笔者建议在设计钢结构时，应当采用概念设计理念进行结构选型；在结构设计中把大跨度、小跨度构造合理划分，减小设计难度；同时在设计钢结构节点中应首选结构简单，制作和施工方便的节点；这些设计想法希望能对相关的设计人员提供有益的借鉴作用。
参考文献：
[1]王立虎.钢结构设计探讨[J].包钢科技，2007，27（11）31～33.
[2]杨烈生，王巧静，赵碧等.钢结构设计浅析[J].有色金属设计，2002，27（09）：31～33.
[3]张宗升.浅析钢结构设计中的常见问题[J].山西建筑，2006，31（06）：57～58.