钢结构设计思路

作者：王金顺

摘要：介绍了钢结构的设计,指出钢结构的概念设计在结构选型与布置阶段非常重要。

关键词：建筑科学;钢结构设计;概念设计;结构选型;结构布置;结构分析

中图分类号TU8392 文献标识码A 文章编号1000-4866(2007)04-0009-01

1判断结构是否适合用钢结构

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。直观地说,如大厦、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。

2结构选型与结构布置

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。运用概念设计所得结构方案往往易于手算、概念清晰,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。

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。一般地说要刚度均匀、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。

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,顶层边柱有时也会吃不消,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。

3预估截面

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形钢截面等。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。

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形钢截面等。

对于不同的结构,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。

4结构分析

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,这为更精确地分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件: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,复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。

5构件设计

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。

应用当前的结构软件,至少应注意2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,应该逐个检查。

②当上面(预估截面)预估的截面不满足时,加大截面应该分2种情况区别对待:强度不满足通常加大组成截面的板件厚度,抗弯不满足加大翼缘厚度,抗剪不满足加大腹板厚度;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。

作者简介

王金顺,男,1988年毕业于中国矿业大学,现在大同煤矿集团设计研究公司工作。