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[摘 要]钢结构应用在建筑中有很多优越条件，如钢材的组炽均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好，适于承受冲击和地震荷栽，钢材的密度与强度之比较小，而且钢结构便于机械化生产，是工程结构中工业化程度最高的一种。但是也不能否认，钢结构设计和施工工作中还存在着缺陷和隐患。本文就钢结构设计中的几个关键问题做一探讨。
[关键词]钢结构设计特点原则
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）04-0387-01
一、钢结构的特点
钢结构具有以下优点：一是钢结构可工厂化制作.减少现场施工的工作量，施工周期短；二是由于钢结构自重轻、结构荷载小，减少了地基处理的工作量和费用；三是钢结构利于抗震，给投资方带来较好的经济效益和社会效益；四是钢结构由于其材料本身的性能好，强度高，与钢筋混凝土结构相比结构断面小，在厂房布置中可以节省一部分空间，更容易满足工艺灵活布置的要求。
二、钢结构稳定设计的原则。钢结构稳定设计应遵循以下3项基本原则：
（1）结构整体布置必须考虑整个体系以及各组成部分的稳定性要求，目前，结构大多敷是按照平面体系来设计的，如桁架、框架都是如此。保证这些平面结构不出现平面失稳，需要从结构整体布置来考虑，即必须设置必要的支撑构件。也就是说，结构构件的平面内和平面外的稳定计算必须和结构布置相一致。
（2）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致。目前设计单层和多层框架结构时，经常不进行框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数应通过框架整体稳定分析得出，这样才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。按照这些假定，框架各柱的稳定参数及杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须明确所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
（3）结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者具有一致性。结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都十分关注的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋予它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心，这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。
三、钢结构设计中应注意的问题
1、钢结构设计分析。（1）构件没计。构件的设计首先是材料的选择，比较常用的是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。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。（2）节点设计。连接节点的没汁是钢结构设汁中重要的内容之一。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。同时，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。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。（3）具体设计。具体设计主要包括以下内容：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。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。其他详细内容可查关于焊缝构造方面的规范规定；栓接：铆接形式，在建筑工程中，现已很少采用，通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用，高强螺栓，使用日益广泛；连接板：可简单取其厚度为粱腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪等；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。
2、概念设计分析及方案的确定。（1）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。对一些难以做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。（2）支撑系统是保证结构整体稳定的基础，对于整个结构体系至关重要，人字型支撑具有传力明确，构造简单，空间刚度大的优点，采用矩形钢管截面拉力压力均可承受，且截面抵抗矩大，受力性能好。（3）钢结构帽子刚度和下部混凝土框架的刚度不宜相差过大，以免形成头重脚轻。上部钢结构体形大，高度高，柱脚应慎重处理使钢结构和混凝土结构实现合理传递荷载。尤其是风荷载和地震荷载，尽审能减小对下部混凝土结构的影响，是一个很重要的问题。
3、钢结构设计中应注意的具体问题。（1）柱间支撑不要设置在有门、安装孔及胶带输送机栈桥与主厂房连接处，否则将影响使用或必须把柱间支撑换位置。（2）主梁与柱、次梁之间连接螺栓不要过多，否则将给施工带来很大麻烦。（3）航风柱与钢梁的连接尽量采用弹簧板连接，因为中间跨的梁安装后下挠比较大，山墙的梁若用螺栓与抗风柱连接，会造成屋面不平。（4）屋面檩条布置圖和钢梁的详图要认真核对，常发现崖面檩条布置图与钢梁详图檩条数量不符。（5）多层钢结构厂房楼梯踏步设计不合理，钢梯与钢梁连接，钢梁上还有混凝土楼板，导致最后一个踏步过高，影响使用。（6）高强螺栓的位置要合理，要考虑扭断器及扭矩扳手的施工空间，不要因为安装空间太小，扭断器及扭矩扳手无法使用，导致高强螺栓梅花头无法拧断或高强螺栓无法拧紧。（7）主厂房采用通长条形窗时，檩托板加劲肋不要朝向窗口方向，否则将导致条形窗无法通过。
4、钢结构的结构布置与截面估算问题。钢结构的结构布置应根据体系特征、荷载分布情况及性质综合考虑，一般要刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围以最直接的线路传递到基础；柱间抗侧支撑的分布均匀，其形心要尽量靠近侧向力作用线。为更精确分析结构条件，正确使用结构分析软件，应对其输出结果做“工程判定”。根据“工程判定”选择修改模型重新分析还是修正其计算结果。同时，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的断面形状与尺寸的估算。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。软件在做构件（重点是柱）的截面验算时，长度系数的取定有时会不符合规范的规定所以对于复杂的节点连接或变截面构件，结构师应该逐个检查。
总之，钢结构设计质量的高低、设计是否优化会对整个工程会产生直接的影响，钢结构设计阶段技术创新、选材配套、设计优化是促进建筑钢结构走向产业化的关键阶段。虽然说在钢结构设计、施工中存在的诸多问题，但只要通过设计人员的精心设计，施工人员的精心施工，完全可以使钢结构工程更趋技术先进、安全适用、经济合理、确保质量。
参考文献
[1l GB50017—2003，钢结构设计规范[S]，
[2] 建设部工程质量安全监督与行业发展司与中国建筑标准设计研究所合编.《全国民用建筑工程设计技术措施）.2003年2月第一版.
[关键词]钢结构设计特点原则
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）04-0387-01
一、钢结构的特点
钢结构具有以下优点：一是钢结构可工厂化制作.减少现场施工的工作量，施工周期短；二是由于钢结构自重轻、结构荷载小，减少了地基处理的工作量和费用；三是钢结构利于抗震，给投资方带来较好的经济效益和社会效益；四是钢结构由于其材料本身的性能好，强度高，与钢筋混凝土结构相比结构断面小，在厂房布置中可以节省一部分空间，更容易满足工艺灵活布置的要求。
二、钢结构稳定设计的原则。钢结构稳定设计应遵循以下3项基本原则：
（1）结构整体布置必须考虑整个体系以及各组成部分的稳定性要求，目前，结构大多敷是按照平面体系来设计的，如桁架、框架都是如此。保证这些平面结构不出现平面失稳，需要从结构整体布置来考虑，即必须设置必要的支撑构件。也就是说，结构构件的平面内和平面外的稳定计算必须和结构布置相一致。
（2）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致。目前设计单层和多层框架结构时，经常不进行框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数应通过框架整体稳定分析得出，这样才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。按照这些假定，框架各柱的稳定参数及杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须明确所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
（3）结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者具有一致性。结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都十分关注的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋予它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心，这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。
三、钢结构设计中应注意的问题
1、钢结构设计分析。（1）构件没计。构件的设计首先是材料的选择，比较常用的是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。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。（2）节点设计。连接节点的没汁是钢结构设汁中重要的内容之一。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。同时，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。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。（3）具体设计。具体设计主要包括以下内容：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。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。其他详细内容可查关于焊缝构造方面的规范规定；栓接：铆接形式，在建筑工程中，现已很少采用，通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用，高强螺栓，使用日益广泛；连接板：可简单取其厚度为粱腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪等；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。
2、概念设计分析及方案的确定。（1）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。对一些难以做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。（2）支撑系统是保证结构整体稳定的基础，对于整个结构体系至关重要，人字型支撑具有传力明确，构造简单，空间刚度大的优点，采用矩形钢管截面拉力压力均可承受，且截面抵抗矩大，受力性能好。（3）钢结构帽子刚度和下部混凝土框架的刚度不宜相差过大，以免形成头重脚轻。上部钢结构体形大，高度高，柱脚应慎重处理使钢结构和混凝土结构实现合理传递荷载。尤其是风荷载和地震荷载，尽审能减小对下部混凝土结构的影响，是一个很重要的问题。
3、钢结构设计中应注意的具体问题。（1）柱间支撑不要设置在有门、安装孔及胶带输送机栈桥与主厂房连接处，否则将影响使用或必须把柱间支撑换位置。（2）主梁与柱、次梁之间连接螺栓不要过多，否则将给施工带来很大麻烦。（3）航风柱与钢梁的连接尽量采用弹簧板连接，因为中间跨的梁安装后下挠比较大，山墙的梁若用螺栓与抗风柱连接，会造成屋面不平。（4）屋面檩条布置圖和钢梁的详图要认真核对，常发现崖面檩条布置图与钢梁详图檩条数量不符。（5）多层钢结构厂房楼梯踏步设计不合理，钢梯与钢梁连接，钢梁上还有混凝土楼板，导致最后一个踏步过高，影响使用。（6）高强螺栓的位置要合理，要考虑扭断器及扭矩扳手的施工空间，不要因为安装空间太小，扭断器及扭矩扳手无法使用，导致高强螺栓梅花头无法拧断或高强螺栓无法拧紧。（7）主厂房采用通长条形窗时，檩托板加劲肋不要朝向窗口方向，否则将导致条形窗无法通过。
4、钢结构的结构布置与截面估算问题。钢结构的结构布置应根据体系特征、荷载分布情况及性质综合考虑，一般要刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围以最直接的线路传递到基础；柱间抗侧支撑的分布均匀，其形心要尽量靠近侧向力作用线。为更精确分析结构条件，正确使用结构分析软件，应对其输出结果做“工程判定”。根据“工程判定”选择修改模型重新分析还是修正其计算结果。同时，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的断面形状与尺寸的估算。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。软件在做构件（重点是柱）的截面验算时，长度系数的取定有时会不符合规范的规定所以对于复杂的节点连接或变截面构件，结构师应该逐个检查。
总之，钢结构设计质量的高低、设计是否优化会对整个工程会产生直接的影响，钢结构设计阶段技术创新、选材配套、设计优化是促进建筑钢结构走向产业化的关键阶段。虽然说在钢结构设计、施工中存在的诸多问题，但只要通过设计人员的精心设计，施工人员的精心施工，完全可以使钢结构工程更趋技术先进、安全适用、经济合理、确保质量。
参考文献
[1l GB50017—2003，钢结构设计规范[S]，
[2] 建设部工程质量安全监督与行业发展司与中国建筑标准设计研究所合编.《全国民用建筑工程设计技术措施）.2003年2月第一版.