鋼結構設計簡單步驟和設計思路

2022-08-19 06:27:03 字數 3489 閱讀 7126

結構的布置要根據體系特徵,荷載分布情況及性質等綜合考慮.一般的說要剛度均勻.力學模型清晰.

盡可能限制大荷載或移動荷載的影響範圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎. 柱間抗側支撐的分布應均勻.其形心要盡量靠近側向力(風震)的作用線.

否則應考慮結構的扭轉. 結構的抗側應有多道防線. 比如有支撐框架結構,柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力.

框架結構的樓層平面次梁的布置,有時可以調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,減少了樓層淨高,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) 預估截面

結構布置結束後,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。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時,可迴避鋼梁的整體穩定的複雜計算,這種方法很受歡迎。

確定了截面高度和翼緣寬度後,其板件厚度可按規範中區域性穩定的構造規定預估。

柱截面按長細比預估. 通常50<λ<150, 簡單選擇值在100附近。根據軸心受壓、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,規範中對截面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區域性穩定問題。在普鋼規範和輕鋼規範中的限值有很大的區別。

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構件的受力情況,合理的選擇安全經濟美觀的截面。

(四) 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p-δ,p-δ.

新近的一些有限元軟體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。並不是所有的結構都需要使用軟體:

典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形.

簡單結構通過手算進行分析.

複雜結構才需要建模執行程式並做詳細的結構分析.

(五) 工程判定

要正確使用結構軟體,還應對其輸出結果的做"工程判定"。比如,評估各向週期、總剪力、變形特徵等。根據"工程判定"選擇修改模型重新分析,還是修正計算結果.

不同的軟體會有不同的適用條件.初學者應充分明了.此外,工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離, 為了獲得實用的設計方法,有時會用誤差較大的假定, 但對這種誤差, 會通過"適用條件、概念及構造"的方式來保證結構的安全.

鋼結構設計中,"適用條件、概念及構造"是比定量計算更重要的內容.

工程師們不應該過分信任與依賴結構軟體.美國一位學者曾警告說:「誤用計算機造成結構破壞而引起災難只是乙個時間的問題。」

注重概念設計和工程判定是避免這種工程災難的方法.

(六) 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於工程管理.

經濟考慮,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,可選擇q345; 穩定控制時,宜使用q235.

構件設計中,現行規範使用的是彈塑性的方法來驗算截面.這和結構內力計算的彈性方法並不匹配.

當前的結構軟體,都提供截面驗算的後處理功能。由於程式技術的進步,一些軟體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.並自動重新分析驗算,直至通過,如sap2000等。

這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構師的很多任務作量。 但是,初學鋼至少應注意兩點:

1.軟體在做構件(主要是柱)的截面驗算時,計算長度係數的取定有時會不符合規範的規定.目前所有的程式都不能完全解決這個問題。

所以,尤其對於節點連線情況複雜或變截面的構件,結構師應該逐個檢查.

2.當上面第(三)條中預估的截面不滿足時,加大截面應該分兩種情況區別對待。

(1) 強度不滿足,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,通常不應加大板件厚度,而應考慮加大截面的高度,否則,會很不經濟。

使用軟體的前述自動加大截面的優化設計功能,很難考慮上述強度與剛度的區分,實際上,常常並不合適。

(七) 節點設計

連線節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一.在結構分析前,就應該對節點的形式有充分思考與確定.常常出現的一種情況是,最終設計的節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]有豐富的推薦的節點做法及計算公式.

連線的不同對結構影響甚大.比如,有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題,但會產生較大轉動, 不符合結構分析中的假定. 會導致實際工程變形大於計算資料等的不利結果.

連線節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線的**等供設計者查用,比較方便. 也可以使用結構軟體的後處理部分來自動完成.

具體設計主要包括以下內容:

1.焊接: 對焊接焊縫的尺寸及形式等,規範有強制規定,應嚴格遵守.

焊條的選用應和被連線金屬材質適應.e43對應q235,e50對應q345. q235與q345連線時,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線構件重心接近.其他詳細內容可查規範關於焊縫構造方面的規定.

2.栓接:

鉚接形式,在建築工程中,現已很少採用.

普通螺栓抗剪效能差, 可在次要結構部位使用.

高強螺栓,使用日益廣泛.常用8.8s和10.

9s兩個強度等級.根據受力特點分承壓型和摩擦型.兩者計算方法不同.

高強螺栓最小規格m12. 常用m16~m30. 超大規格的螺栓效能不穩定,設計中應慎重使用。

自攻螺絲用於板材與薄壁型鋼間的次要連線. 國外在低層牆板式住宅中,也常用於主結構的連線.

3.連線板: 可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm. 然後驗算淨截面抗剪等.

4.梁腹板: 應驗算栓孔處腹板的淨截面抗剪.承壓型高強螺栓連線還需驗算孔壁區域性承壓.

5.節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現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場定位與臨時固定。

6.節點設計還應考慮製造廠的工藝水平. 比如鋼管連線節點的相貫線的切口需要數控工具機等裝置才能完成.

(八) 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製造公司根據設計圖編制,有時也會由設計單位代為編制。由於近年鋼結構專案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司參與設計圖編制的情況也很普遍。

1.設計圖: 是提供製造廠編制施工詳圖的依據.

深度及內容應完整但不冗餘. 在設計圖中,對於設計依據、荷載資料(包括**作用)、技術資料、材料選用及材質要求、設計要求(包括製造和安裝、焊縫質量檢驗的等級、塗裝及運輸等)、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節點構造等均應表示清楚,以利於施工詳圖的順利編制,並能正確體現設計的意圖。主要材料應列表表示。

2.施工詳圖:又稱加工圖或放樣圖等.深度須能滿足車間直接製造加工.不完全相同的另構件單元須單獨繪製表達,並應附有詳盡的材料表.

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