建筑鋼結構設計技術

1、思路建筑鋼結構設計技術張偉趙利國(城市建設研究院遼寧分院，遼寧，大連，116000)【摘要】鋼結構設計簡單步驟和設計【關鍵詞】鋼結構；設計；步驟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、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結構。1結構選型與結構布置在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調(diào)的是＼lI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(jù)從整體結構體

2、系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想，從傘局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、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(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)2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

3、鋼截面等。根據(jù)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(jù)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。柱截面接長細比預估通常50丸150，簡單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等初學者需注意，對應不同的結構，規(guī)范中對截面的構造要求有很大的不同

4、。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(jù)構件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟美觀的截面。3鋼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PAp5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

5、得內(nèi)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4構件設計構件的設計首先是材料的選擇比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn)通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理經(jīng)濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面當強度起控制作用時?？蛇x擇Q345；穩(wěn)定控制時。宜使用Q235構件設計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面這和結構內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配當前的結構軟件。都提供截面驗算的后處理功能

6、。由于程序技術的進步。一些軟件可以將驗算時不通過的構件，從給定的截面庫里選擇加大一級并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。但是，初學鋼至少應注意兩點：41軟件在做構件r主要是柱)的截面驗算時，計算長度系數(shù)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。結構師應該逐個檢查42當上面第(三)條中預估的截面不

7、滿足時，加大截面應該分兩種情況區(qū)別對待。421強度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中?？箯澆粷M足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度。422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(jīng)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，常常并不合適。5節(jié)點設計連接節(jié)點的設計是鋼結構設計中重要的內(nèi)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常常出現(xiàn)的一種情況是，最終

8、設計的節(jié)點與結構分析模型中使用的形式不完全一致，這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(chǎn)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(shù)據(jù)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

9、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(nèi)容：51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FA3對應Q235E50對應Q345Q235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(nèi)容可查規(guī)范關于焊縫構造方面的規(guī)定52栓接：鉚接形式。在建筑工程中?，F(xiàn)已很少采用普通螺栓

10、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88s和109s兩個強度等級根據(jù)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。設計中應慎重使用。自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接國外在低層墻板式住宅中。也常用于主結構的連接53連接板：可簡單取其厚度為粱腹板厚度加4mm然后驗算凈截面抗剪等54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

11、55節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現(xiàn)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(xiàn)場定位與臨時固定。56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)點的相貫線的切口需要數(shù)控機床等設備才能完成6圖紙編制鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖為設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據(jù)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

12、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。61設計圖：是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù)深度及內(nèi)容應完整但不冗余在設計圖中。對于設計依據(jù)、荷載資料(包括地震作用)、技術數(shù)據(jù)、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?shù)?、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(xiàn)設計的意圖。主要材料應列表表示62施工詳圖：又稱加工圖或放樣圖等深度

13、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(nèi)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(jù)規(guī)范規(guī)定編制萬方數(shù)據(jù)?130?旦旦建筑鋼結構設計技術張偉趙利國(城市建設研究院遼寧分院，遼寧，大連，116000)摘要1鋼結構設計簡單步服和設計思路關鍵詡]鋼結構設計步驟鋼結構通常用于高腰、大

14、跨度、體型提雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫直在悶、密封性要求南、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結構。1結構選型與結構布置在鋼結構設計的援個過穩(wěn)中都應該被強調(diào)的是“概念設計飛它在結構逃裂與布置階段允其3重要.對一些難以作出精確現(xiàn)性分析或規(guī)租來規(guī)定的問題，lJ依據(jù)從軀體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機臻、震魯、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想，從今局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、

15、比較，勺選擇.所得結構方案往往易于孚算、概念清晰、定性正確，并可滋免結構分析階段不必婆的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可.與否的主要依據(jù).2預伯被麗結構布置結束后，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(jù)荷載與支康情況，其截面高度通常在躊度的11201150之間選擇。翼緣寬度根據(jù)疑問側向支撐的問距按Ib限值確定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復雜計算，這種

16、方法很受歡迎.確定了截面尚度和翼緣寬度后，其極件厚度可按規(guī)施中周部穩(wěn)定的構造規(guī)定預偽.校戳麗撩長細比預的通常501150，簡單選擇值在1∞附近.根據(jù)軸心受壓、雙向受灣或.向受彎的不同，可選擇鋼管或民型鋼截劇等.初學者需注意，對應不同的結構，規(guī)被中對截麗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)范中的限應有很大的區(qū)別.除此之外，構仲裁麗形式的選擇沒有固定的要求，結構工穆師應該根據(jù)構件的受力情況

17、，合理的選拷安全經(jīng)濟美觀的截面.3鋼緒構分析目前鋼結構實際設計中，結構分析通常為錢彈性分析，條件允許時考慮P.，pli.新近的…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儒搖使用軟件:典型結構可查力學習E冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形.簡單紡構通過孚算進行分析.復雜結構才德要輩輩模運行程序并做詳細的結構分析.4構件設計構件的設計首先是材料的選擇，比較常用的是Q235(類似A3

18、)和Q345(類似16Mn).通常主結構使用.…鋼種以便于工程管理.經(jīng)濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截麗.當強度起控制作用時，可選捺Q34Sj穩(wěn)定控制時，宜使用Q235.構件設計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈鸚傲的方法來驗算截面j率和結構內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配.~前的結構軟件，都提供截麗驗算的厲處理功能。由于程序技術的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構件，從給定的截面庫恩選擇加大一級，并自動:m新分析驗算，1軍菇通過，如sap200

19、0等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一.它減少了結構師的很多工作最.但是，初學鋼繭少應注意網(wǎng)點g4.1軟件在做構件主要是柱)的截面驗算時，計算長度系數(shù)的取邊有時會不符合規(guī)范的規(guī)定，目前所有的程序都不能完余解決這個問題。所以，尤其對于節(jié)點連接情況復雜成交截面的構件，結構師應該逐個檢查.4.2當上面第(::::)條中預佑的截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區(qū)別對待.4.2.1強度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗穹不滿足加大翼緣厚

20、靡，抗剪不滿足加大腹板厚度.4.2.2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，沓則，會很不經(jīng)濟.使用軟件的前述自動加大截麗的優(yōu)化設計功能，很難考慮上述強度與剛庶的1j旨，設計守主冊[2中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者盜用，比較方便.也可以使用締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(nèi)容:5.1焊接:對焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)抱有強制規(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

21、衛(wèi)50對應Q34S.Q23S與Q345連接時，應該選擇低強度的巴43，而不是因O.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(nèi)容可查規(guī)施關于焊縫構造方面的規(guī)定.5.2檢按:哪接形式，在建筑工程中，現(xiàn)巳很少來用.瞥涌蝴梭抗剪性能楚，可在次要結構部位使用.高強螺栓，使用日益廣泛，常用8島和10加兩個強度等級.根據(jù)受力特點分承型和摩擦m.兩者計算方法不同.高強螺栓最小規(guī)格M12.常用M16時M30.超大規(guī)格的螺

22、梭性能不穩(wěn)定，設計中應慎黛使用。自攻螺絲用于板材與薄攘型鋼間的次要連接.國外在低層墻板式住宅中，也常用于.i:結構的連接.5.3連接板:可簡單取其厚度為魏腹板厚度加4mm.然后驗算J爭截00抗剪等.5.4梁腹板:應$盤算檢孔處腹板的凈截面抗剪.承壓型商強螺栓連接還需驗算孔續(xù)局部承鼠5.5節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間，設計步驟鋼結構通常用于高腰、大跨度、體型提雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫直在悶、密封性要求南、

23、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結構。1結構選型與結構布置在鋼結構設計的援個過穩(wěn)中都應該被強調(diào)的是“概念設計飛它在結構逃裂與布置階段允其3重要.對一些難以作出精確現(xiàn)性分析或規(guī)租來規(guī)定的問題，lJ依據(jù)從軀體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機臻、震魯、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想，從今局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較，勺選擇.所得結構方案往往易于孚算、概念清晰、定性正確，并可滋免結構分

24、析階段不必婆的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可.與否的主要依據(jù).2預伯被麗結構布置結束后，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(jù)荷載與支康情況，其截面高度通常在躊度的11201150之間選擇。翼緣寬度根據(jù)疑問側向支撐的問距按Ib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.確定了截面尚度和翼緣寬度后，其極件厚度可按規(guī)施中周部穩(wěn)定的構

25、造規(guī)定預偽.校戳麗撩長細比預的通常501150，簡單選擇值在1∞附近.根據(jù)軸心受壓、雙向受灣或.向受彎的不同，可選擇鋼管或民型鋼截劇等.初學者需注意，對應不同的結構，規(guī)被中對截麗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)范中的限應有很大的區(qū)別.除此之外，構仲裁麗形式的選擇沒有固定的要求，結構工穆師應該根據(jù)構件的受力情況，合理的選拷安全經(jīng)濟美觀的截面.3鋼緒構分析目前鋼結構實際設計中，結構分析

26、通常為錢彈性分析，條件允許時考慮P.，pli.新近的…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儒搖使用軟件:典型結構可查力學習E冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形.簡單紡構通過孚算進行分析.復雜結構才德要輩輩模運行程序并做詳細的結構分析.4構件設計構件的設計首先是材料的選擇，比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn).通常主結構使用.…鋼種以便于工程管理.經(jīng)濟考

27、慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截麗.當強度起控制作用時，可選捺Q34Sj穩(wěn)定控制時，宜使用Q235.構件設計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈鸚傲的方法來驗算截面j率和結構內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配.~前的結構軟件，都提供截麗驗算的厲處理功能。由于程序技術的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構件，從給定的截面庫恩選擇加大一級，并自動:m新分析驗算，1軍菇通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一.它減少了結構師的很多工作最.但是，初

28、學鋼繭少應注意網(wǎng)點g4.1軟件在做構件主要是柱)的截面驗算時，計算長度系數(shù)的取邊有時會不符合規(guī)范的規(guī)定，目前所有的程序都不能完余解決這個問題。所以，尤其對于節(jié)點連接情況復雜成交截面的構件，結構師應該逐個檢查.4.2當上面第(::::)條中預佑的截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區(qū)別對待.4.2.1強度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗穹不滿足加大翼緣厚靡，抗剪不滿足加大腹板厚度.4.2.2變形超限，通常不應加大板件厚度，而應

29、考慮加大截面的高度，沓則，會很不經(jīng)濟.使用軟件的前述自動加大截麗的優(yōu)化設計功能，很難考慮上述強度與剛庶的1j旨，設計守主冊[2中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者盜用，比較方便.也可以使用締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(nèi)容:5.1焊接:對焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)抱有強制規(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衛(wèi)50對應Q34S.Q23S與Q345連接時，應該選擇低強度的巴43，而不

30、是因O.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(nèi)容可查規(guī)施關于焊縫構造方面的規(guī)定.5.2檢按:哪接形式，在建筑工程中，現(xiàn)巳很少來用.瞥涌蝴梭抗剪性能楚，可在次要結構部位使用.高強螺栓，使用日益廣泛，常用8島和10加兩個強度等級.根據(jù)受力特點分承型和摩擦m.兩者計算方法不同.高強螺栓最小規(guī)格M12.常用M16時M30.超大規(guī)格的螺梭性能不穩(wěn)定，設計中應慎黛使用。自攻螺絲用于板材與薄攘型鋼間的次要連接.國

31、外在低層墻板式住宅中，也常用于.i:結構的連接.5.3連接板:可簡單取其厚度為魏腹板厚度加4mm.然后驗算J爭截00抗剪等.5.4梁腹板:應$盤算檢孔處腹板的凈截面抗剪.承壓型商強螺栓連接還需驗算孔續(xù)局部承鼠5.5節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間，&構件吊裝順序等。構件運到現(xiàn)場無法安裝是初學者長祀的錯誤.此外，還應盡可能使工人能方便的選行現(xiàn)場定位與l臨時固定。5.6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

32、的切口簿要數(shù)控機床等設備才能完成6閣紙編制鋼結構設計出回分設計圖和施工詳閣兩階段，設計圖為設計單位提供，施工詳閣通常由鋼結構制造公司根據(jù)設計閣編制，有時也會刷設計單位代為編制.由于近年鋼締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詞參與設計固編制的情況也很普遍.6.1設計圄:是提供制造廠編制施工詳圓的依據(jù).深度及內(nèi)容應完整但不冗余，在設計閨中，對于設計依據(jù)、街載資料(包括地震作用〉、技術數(shù)據(jù)、材料選用及材質要求、設計

33、要求(包括制造和安裝、焊縫質黛檢驗的等級、涂裝及運輸?shù)?、結構布置、構件截麗選用以及結構的主要節(jié)點構造等均應表示清楚，以利于施工詳閣的順利偏制，并能正確體現(xiàn)設計的意回.主要材料應列我表習茸.6.2施工詳閣:又稱加工閣成放樣閣等.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.設計閣及施工詳闊的內(nèi)容褒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