鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟及設(shè)計思路
2019-01-10 16:03 陜西鋼結(jié)構(gòu) 華邦建設(shè)
一、判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)
鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)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(jié)構(gòu)。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相一致的。
二、結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置
在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中概念設(shè)計是重點(diǎn)，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的破壞機(jī)理、力學(xué)關(guān)系、工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)現(xiàn)象所獲得的設(shè)計思想，從全局的角度來控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。運(yùn)用概念設(shè)計可以在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思。所得結(jié)構(gòu)方案往往概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。同時，它也是判斷計算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面(木行)架、網(wǎng)架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。
結(jié)構(gòu)選型時，應(yīng)考慮它們不同的特點(diǎn)。在輕鋼工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節(jié)點(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)體系。高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應(yīng)單純?yōu)榱私?jīng)濟(jì)去選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(jié)構(gòu)體系。
結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征，荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮。一般的說要剛度均勻，力學(xué)模型清晰。盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，使其以直接的線路傳遞到基礎(chǔ)。柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻，其形心要盡量靠近側(cè)向力(風(fēng)震)的作用線。否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線。
框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置，有時可以調(diào)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(yù)估截面
結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對構(gòu)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(cè)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(fù)雜計算。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(gòu)造規(guī)定預(yù)估。
對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，規(guī)范中對截面的構(gòu)造要求有很大的不同。如鋼結(jié)構(gòu)所特有的組成構(gòu)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(gòu)件截面形式的選擇沒有固定的要求，應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟(jì)美觀的截面。
四、結(jié)構(gòu)分析
目前鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計中，結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析。
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(jié)構(gòu)提供了條件。并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件：
典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形。
簡單結(jié)構(gòu)通過手算進(jìn)行分析。
復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行程序并做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。
五、工程判定
要正確使用結(jié)構(gòu)軟件，還應(yīng)對其輸出結(jié)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(jù)"工程判定"選擇修改模型重新分析，還是修正計算結(jié)果。
不同的軟件會有不同的適用條件。此外，工程設(shè)計中的計算和精確的力學(xué)計算本身常有一定距離，為了獲得實(shí)用的設(shè)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(gòu)造"的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，"適用條件、概念及構(gòu)造"是比定量計算更重要的內(nèi)容。
工程師們不應(yīng)該過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件。注重概念設(shè)計和工程判定是避免這種工程災(zāi)難的方法。
六、構(gòu)件設(shè)計
構(gòu)件的設(shè)計首先是材料的選擇。通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟(jì)考慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面。
構(gòu)件設(shè)計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗(yàn)算截面。這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配。
當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些軟件可以將驗(yàn)算時不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級。并自動重新分析驗(yàn)算，直至通過。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。但是，初學(xué)鋼至少應(yīng)注意兩點(diǎn)：
1、軟件在做構(gòu)件(主要是柱)的截面驗(yàn)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(diǎn)連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件，結(jié)構(gòu)師應(yīng)該逐個檢查。
2、當(dāng)預(yù)估的截面不滿足時，加大截面應(yīng)該分兩種情況區(qū)別對待。
(1)、強(qiáng)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(yīng)加大板件厚度，而應(yīng)考慮加大截面的高度，否則，會很不經(jīng)濟(jì)。
使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設(shè)計功能，很難考慮上述強(qiáng)度與剛度的區(qū)分，實(shí)際上，常常并不合適。
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