关于钢结构设计要点的思考

关于钢结构设计要点的思考
摘要：建筑钢结构设计虽然有章可循，但设计中仍有很多需要注意的问题，我们必须熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，才能设计出既安全又合格的建筑作品。

本文提出了当前我国钢结构设计中存在的问题，分析了钢结构设计要点。

关键词：钢结构设计要点问题
Abstract: Although the building steel structure design rules to follow, but there are still many problems that need attention inthe design, we must skillfully master the specification, and has a good structure of the concept, to design a safe andqualified architectural works. This paper presents the currentproblems in China’s steel structure design and analysis ofsteel structure design points.Keywords: steel structure, the design features of the problem
建筑钢结构的优点多多，相比较传统的混凝土结构和砌体结构等，它性能稳定，质量轻强度高，抗震性能好，施工时可以在厂房进行加工再到现场装配，不仅装配的完整度好精密度高，而且能够大大的加快施工进度缩短工期。

同时它还被称为“绿色建筑”，基础造价低，材料可回收和再生，节能、省地、节水。

作为一种绿色环保建筑，近年来，钢结构住宅已被建设部列为重点推广项目。

由于炼钢技术与成型制造工艺日趋发展，这就给运用钢结构工程带来新的生机，工程建设也不断的增加，因此，也就不断完善了钢结构设计和施工方面的技术。

一、当前我国钢结构设计中存在的问题
1、设计质量下降
当前设计院的设计任务相当繁重，所承揽的工艺及综合专业部分设计收费较高，而钢结构部分却是难啃的硬骨头，费工费力收费低，不愿意承接钢结构设计任务，或者缺乏钢结构的设计经验，故往往将钢结构部分分包给另一单位。

一些无资质的单位，拿到工程后，用买来的图标搞设计，使设计质量存在重大隐患。

当前设计市场比较混乱，对设计质量缺乏法制管理，缺乏严格的检查和监督，所出现多项倒塌事故无不与设计资质有关。

如不规范市场，严格资质管理，会造成严重后果。

2、设计深度不够
设计院将自己的设计任务转驾给加工企业，造成质量下降。

不少设计单位，钢结构的设计水平比较低，承担工程的设计者多为刚毕业不久的学生，缺乏实践经验，更缺乏钢结构的设计知识，盲目照搬规范，套程序，对关键技术不进行研究，对所设计的成果心中没底，设计院只做到了“方案设计”或初步设计的深度，将施工图交给加工厂，加工厂缺乏计算软件，又将施工图任务转包出去，由于这些分包单位缺乏专业配套知识，对设计总体要求不明确，往往所做出的图纸
不符合原设计要求，存在严重的质量隐患。

有的加工厂为了节约钢材，降低造价，盲目进行钢材优化，结果造成工程质量事故。

3、盲目照搬设计方案
由于国外结构工程师对我国地震和风荷载的特殊情况了解得不深，故设计方案在抗震设计方面很不合理，如“鸟巢”，采用了钢结构屋盖和砼看台完全脱开方案，几万吨的巨大钢桁架所产生的地震荷载由钢结构柱传至柱底，而数千吨的巨大柱底水平力由与看台基础脱开的巨型钢柱脚传递，结果造成用钢量达到五万吨，相当同类体育场用钢量的四倍，这是抗地震设计极不合理的方案，如将数万吨的钢结构产生的地震力传给砼看台，可以减少大量的钢材，在保持原建筑风貌不变的情况下，可使庞大笨重的钢结构减少钢材用量两万多吨。

4、设计未充分考虑施工
一些设计人员出于经济利益，整天埋在办公室的图纸堆里，理论脱离实际，不深入现场，不了解施工。

严重者会给施工带来极大困难，总的造价大量增加。

如×工程设计要求屋盖最后合拢的温度为14 度±4 度，但本工程合拢时正值盛夏，中午时钢材表面温度达到55 度，为满足14度合拢要求，曾提出“深挖井、添冰块、喷冰水”的区域降温的方案。

5、“设计规范”不能满足当前设计的需要
随着我国钢结构应用的迅速发展，钢铁行业已研制开发出优质中厚钢板，目前可大量供应工程应用，并于2000 年颁布了行业标准《YB4104- 2000》，这种牌号的Q235GJ、Q345GJ 优质厚钢板有着良好的综合性能，如低厚板效应、良好的延性和冲击韧性、焊接性能和抗撕裂性能，能满足抗震设计钢结构用厚板的各种需要，其性能已优于日本SN50钢、美国A572- 50 级钢。

新的国标《GB/T19879- 2005》新增加了390MPa、420MPa、460MPa 三个强度级别，当前的“钢结构设计规范”都一直未对上述钢材新标准变化做出积极的反应，也为提出任何修改补充条文。

致使设计与钢材新产品间的矛盾日益突出，许多设计人员不敢采用新品种钢材，建议立即着手修订有关规范以满足设计急需。

二、钢结构设计要点分析
1、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。

构件设计中, 现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。

这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。

当前的结构软件, 都提供截面验算的后处理功能。

由于程序技术的进步, 一些软件可以将验算时不通过的构件, 从给定的截面库里选择加大一级。

并自动重新分析验算, 直至通过, 如sap2000 等。

这是常说的截面优化设计功能之一。

它减少了结构师的很多工作量。

2、节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。

在结构分析前, 就应该对节点的形式有充分思考与确定。

常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致, 这必须避免。

按传力特性不同, 节点分刚接, 铰接和半刚接。

初学者宜选择可以简单定量分析的前两者。

常用的参考书有丰富的推荐的节点做法及计算公式。

连接的不同对结构影响甚大。

比如, 有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题, 但会产生较大转动, 不符合结构分析中的假定。

3、具体设计
具体设计主要包括以下内容:
（1）焊接: 对焊接焊缝的尺寸及形式等, 规范有强制规定, 应严格遵守, 焊条的选用应和被连接金属材质适应。

E43 对应Q235, E50 对应Q345, Q235 与Q345 连接时, 应该选择低强度的E43, 而不是E50。

焊接设计中不得任意加大焊缝。

焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近。

其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。

（2）栓接:铆接形式, 在建筑工程中, 现已很少采用, 通螺栓抗剪性能差, 可在次要结构部位使用, 高强螺栓, 使用日益广泛。

常用8.8s 和10.9s 两个强度等级。

根据受力特点分承压型和摩擦型。

两者计算方法不同, 高强螺栓最小规格M12。

常用M16～M30。

超大规格的螺栓性能不稳定, 设计中应慎重使用。

自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。

国外在低层墙板式住宅中, 也常用于主结构的连接。

（3）连接板: 可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm。

然后验算净截面抗剪等。

（4）梁腹板: 应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。

承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。

（5）节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。

构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。

此外, 还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。

（6）节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。

比如钢管连接节点的相贯线
的切口需要数控机床等设备才能完成。

4、图纸编制
钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段, 设计图为设计单位提供, 施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制, 有时也会由设计单位代为编制。

由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾, 有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。

（1）设计图: 是提供制造厂编制施工详图的依据。

深度及内容应完整但不冗余, 在设计图中, 对于设计依据、荷载资料( 包括地震作用) 、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求( 包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等) 、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚, 以利于施工详图的顺利编制, 并能正确体现设计的意图。

主要材料应列表表示。

（2）施工详图: 又称加工图或放样图等。

深度须能满足车间直接制造加工。

不完全相同的另构件单元须单独绘制表达, 并应附有详尽的材料表, 设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制, 目前比较混乱, 各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。

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