摘要：隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，很多大跨度場(chǎng)館、高層建筑、構(gòu)筑物、中小型建筑都采用了鋼結(jié)構(gòu)。本文僅對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟和思路做了簡(jiǎn)單介紹，為了出色的完成一項(xiàng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)人員熟悉鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及熟練運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件，另外，對(duì)于工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)建筑還應(yīng)充分考慮工藝專業(yè)特殊要求。

　　關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟,概念設(shè)計(jì),節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，很多大跨度場(chǎng)館、高層建筑、構(gòu)筑物、中小型建筑都采用了鋼結(jié)構(gòu)。無可置疑，鋼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)越條件，如鋼材的組織均勻、強(qiáng)度高、彈性模量高、塑性和韌性好，適于承受沖擊和地震荷載，鋼材的密度與強(qiáng)度之比較小，而且鋼結(jié)構(gòu)便于機(jī)械化生產(chǎn)，是工程結(jié)構(gòu)中工業(yè)化程度最高的一種。但是，也不能否認(rèn)，鋼結(jié)構(gòu)還存在著缺陷和隱患。對(duì)于鋼材本身的材質(zhì)問題以及耐候性、耐火性、耐腐蝕性，還存在著大量的研究課題。同時(shí)，大量的事故表明，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于強(qiáng)度高，所用截面相對(duì)小，也就容易失去穩(wěn)定，這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的適用性、合理性、可靠性等方面進(jìn)行多加論證，下面就對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題做以探討。

　　一﹑判斷結(jié)構(gòu)是否適合采用鋼結(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(dòng)、高溫車間、密封性要求高、要求能活動(dòng)或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。從當(dāng)前的發(fā)展情況看，大致可分為普通鋼結(jié)構(gòu)和輕型鋼結(jié)構(gòu)。其中普通鋼結(jié)構(gòu)包括采用大截面和厚板的結(jié)構(gòu)，如高層鋼結(jié)構(gòu)、重型廠房和某些公共建筑等;輕型鋼結(jié)構(gòu)主要指采用輕型屋而和墻而的門式鋼架房屋、某些多層建筑、壓型鋼板薄壁拱殼屋蓋等。此外，還有網(wǎng)架、網(wǎng)殼等空間結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)在橋梁、工業(yè)構(gòu)架等方而也有廣泛應(yīng)用。

　　二﹑結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

　　在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都應(yīng)該強(qiáng)調(diào)“概念設(shè)計(jì)”，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對(duì)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(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理去試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。運(yùn)用概念設(shè)計(jì)可以在早期有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、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。鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面(木行)桁架、網(wǎng)架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。其計(jì)算理論與應(yīng)用技術(shù)大都成熟，但亦有部分難題沒有解決。

　　結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)考慮具體工程的特點(diǎn)。在輕鋼工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或移動(dòng)荷載時(shí)，就不宜采用門式剛架。一當(dāng)建筑及工藝流程允許時(shí)，在框架中布置支撐會(huì)比簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)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(jì)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?jiǎng)偠染鶆?力學(xué)模型清晰;盡可能限制大荷載或移動(dòng)荷載的影響范圍，使其以最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)力結(jié)構(gòu)應(yīng)有多道防線，如有支撐框架結(jié)構(gòu)，柱子至少應(yīng)能單獨(dú)承受1/4的總水平力。

　　框架結(jié)構(gòu)樓層平面次梁的布置，有時(shí)可以調(diào)整其荷載傳遞方向。通常為了減小次梁截面，沿短向布置次梁，但是這會(huì)使主梁截面加大，減少了樓層凈高，此時(shí)如果沿長(zhǎng)向布置次梁，雖然次梁截面加大，但結(jié)構(gòu)整體效果可能會(huì)更好。

　　三﹑截面的選擇

　　結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對(duì)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)向支撐的間距當(dāng)按1/b限值確定時(shí)，可滿足鋼梁整體穩(wěn)定的要求。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。柱截面按長(zhǎng)細(xì)比(λ)預(yù)估。通常取值范圍在50<λ<150，一般初選值可在100左右。截面型式可根據(jù)柱截面不同的受力狀態(tài)，選擇鋼管或H型鋼等。

　　對(duì)應(yīng)不同類型的鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)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，在普通鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范和輕型鋼結(jié)構(gòu)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,結(jié)構(gòu)工程師應(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(jì)中，結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析，條件允許時(shí)考慮P一△，P一8。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)都需要使用結(jié)構(gòu)分析軟件：典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊(cè)之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形;簡(jiǎn)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。我們現(xiàn)在用的結(jié)構(gòu)分析軟件大多為sap2000、PKPM系列軟件等，對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算模型也可以用到一些更加簡(jiǎn)便的小軟件進(jìn)行分析，如探索者CAD、世紀(jì)旗云結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具箱等等，利用它們可以讓設(shè)計(jì)人員做到事半功倍。

　　五﹑工程判定

　　要正確使用結(jié)構(gòu)軟件,還應(yīng)對(duì)其輸出結(jié)果的做“工程判定” 。比如,評(píng)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(jì)算結(jié)果不同的軟件會(huì)有不同的適用條件。初學(xué)者應(yīng)充分明了。此外,工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算和精確的力學(xué)計(jì)算本身常有一定距離,為了獲得實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，有時(shí)會(huì)用誤差較大的假定，但對(duì)這種誤差，會(huì)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(jì)中，“適用條件、概念及構(gòu)造”是比定量計(jì)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)軟件美國(guó)一位學(xué)者曾警告說：“誤用計(jì)算機(jī)造成結(jié)構(gòu)破壞而引起災(zāi)難只是一個(gè)時(shí)間的問題。”注重概念設(shè)計(jì)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(jì)

　　構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)使用單一鋼種，以便于工程管理。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面。當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時(shí)，可選擇Q345;當(dāng)穩(wěn)定起控制作用時(shí)，宜選擇Q235。

　　構(gòu)件設(shè)計(jì)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(jì)算的彈性方法并不匹配。

　　當(dāng)前的結(jié)構(gòu)分析軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。一些軟件可以將驗(yàn)算時(shí)不滿足的構(gòu)件，從給定的截面庫(kù)里選擇加大一級(jí)，并自動(dòng)重新分析驗(yàn)算，直至通過，這就是常說的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一。例如sap2000、PKPM系列軟件等就可以提供這種功能，它雖然可以提高結(jié)構(gòu)工程師的工作效率，但是設(shè)計(jì)人員至少應(yīng)注意2點(diǎn)：

　　(1)軟件在做構(gòu)件(主要是柱)的截面驗(yàn)算時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的取值有時(shí)會(huì)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(gè)問題。所以，尤其對(duì)于節(jié)點(diǎn)連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該逐個(gè)檢查。

　　(2)當(dāng)預(yù)估截面不滿足時(shí)，加大截面應(yīng)該分兩種情況區(qū)別對(duì)待：①?gòu)?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(huì)很不經(jīng)濟(jì)。這在初學(xué)者中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)問題。例如在一個(gè)輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員沒有考慮到這一點(diǎn)，為滿足柱頂位移要求，而調(diào)整鋼柱板材厚度，以至于最終柱斷面調(diào)整為20mm厚的鋼板，已經(jīng)不能稱之為輕型門式剛架結(jié)構(gòu)了。這樣使得材料沒有充分發(fā)揮出本身的承載作用，而且造成了浪費(fèi)。

　　我們?cè)O(shè)計(jì)中大多使用的軟件是PKPMCAD計(jì)算軟件，使用軟件的前述自動(dòng)加大截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)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。所以必須通過人為的修改才能更加合理。

　　七﹑節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對(duì)節(jié)點(diǎn)的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)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(diǎn)分剛接，鉸接和半剛接。初學(xué)者宜選擇可以簡(jiǎn)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(diǎn)做法及計(jì)算公式。

　　連接的不同對(duì)結(jié)構(gòu)影響甚大。比如，有的剛接節(jié)點(diǎn)雖然承受彎矩沒有問題，但會(huì)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動(dòng),不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定。會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工程變形大于計(jì)算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果。

　　連接節(jié)點(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計(jì)和實(shí)際受力設(shè)計(jì)2種常用的方法，初學(xué)者可偏安全選用前者。設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)計(jì)者查用，比較方便。也可以使用結(jié)構(gòu)分析軟件的后處理部分來自動(dòng)完成。

　　具體設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：

　�、俸附樱瑢�(duì)焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)范有強(qiáng)制規(guī)定，應(yīng)嚴(yán)格遵守。焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng)。E43對(duì)應(yīng)Q235，E50對(duì)應(yīng)Q345.Q235與Q345連接時(shí)，應(yīng)該選擇低強(qiáng)度的E43，而不是E50。焊接設(shè)計(jì)中不得任意加大焊縫。 焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近。其他詳細(xì)內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定。②栓接，鉚接形式，在建筑工程中，現(xiàn)已很少采用。普通螺栓抗剪性能差，可在次要結(jié)構(gòu)部位使用。高強(qiáng)螺栓，使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。根據(jù)受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型。兩者計(jì)算方法不同。高強(qiáng)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(shè)計(jì)中應(yīng)慎重使用。自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。國(guó)外在低層墻板式住宅中,也常用于主結(jié)構(gòu)的連接。③連接板，可簡(jiǎn)單取其厚度為梁腹板厚度加4mm，然后驗(yàn)算凈截面抗剪、抗拉等。④粱腹板，應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪，承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓。同時(shí)兼顧施工時(shí)的安裝就位的凈空尺寸等等因素。⑤節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場(chǎng)焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)無法安裝是初學(xué)者長(zhǎng)犯的錯(cuò)誤。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位與臨時(shí)固定。⑥節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平 比如鋼管連接節(jié)點(diǎn)的相貫線的切口需要數(shù)控機(jī)床等設(shè)備才能完成。

　　八﹑圖紙編制

　　鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出圖分設(shè)計(jì)圖和施工詳圖兩階段,設(shè)計(jì)圖為設(shè)計(jì)單位提供,施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)設(shè)計(jì)圖編制,有時(shí)也會(huì)由設(shè)計(jì)單位代為編制。由于近年鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目增多和設(shè)計(jì)院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾,有設(shè)計(jì)能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參與設(shè)計(jì)圖編制的情況也很普遍。

　　(一)設(shè)計(jì)圖

　　設(shè)計(jì)圖是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù) 深度及內(nèi)容應(yīng)完整但不冗余。在設(shè)計(jì)圖中，對(duì)于設(shè)計(jì)依據(jù)、荷載資料(包括地震作用)、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設(shè)計(jì)要求(包括制造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)的等級(jí)、涂裝及運(yùn)輸?shù)?、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面選用以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等均應(yīng)表示清楚.以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現(xiàn)設(shè)計(jì)的意圖主要材料應(yīng)列表表示。

　　(二)施工詳圖

　　施工詳圖又稱加工圖或放樣圖等。深度須能滿足車間直接制造加工。不完全相同的另構(gòu)件單元須單獨(dú)繪制表達(dá)，并應(yīng)附有詳盡的材料表。

　　設(shè)計(jì)圖及施工詳圖的內(nèi)容表達(dá)方法及出圖深度的控制,目前比較混亂，各個(gè)設(shè)計(jì)單位之間及其與鋼結(jié)構(gòu)公司之間不盡相同。

　　九﹑結(jié)束語

　　作為一名專業(yè)設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的設(shè)計(jì)產(chǎn)品是我們的職責(zé)，文本通過鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的探討，指出了在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意的問題，可為專業(yè)設(shè)計(jì)人員提供借鑒。