钢结构设计思路和步骤

钢结构设计思路和步骤浅析

摘要：随着我国建筑产业的快速发展，钢结构建筑产物已经成为我国城市建设的主流建筑群体。相对传统的钢筋混凝土结构而言，钢结构体系自重相对较轻，具有较高的材料强度与较好的抗震性能，同时，钢结构工程安装施工过程相对简单方便，且施工周期较短，因此，其在建筑结构中被广泛应用。本文首先简单的阐述钢结构设计原则，然后针对钢结构的设计特点，详细介绍其设计思路和步骤，最后提出在钢结构设计过程中应该注意的相关事项，供相关研究人员参考。

关键词：钢结构；原则；设计思路；步骤

文章编号：1674-3954（2013）09-0068-02

引言

钢结构工程具有自重小、刚度大、基础造价低、抗震性能好等优点，通常用于高层（超高层）、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。因此，我们应熟悉钢结构设计原则及其相关设计思路和步骤。

1 钢结构设计原则

近年来，在钢结构设计中经常出现失稳事故，造成严重的人员伤亡与经济损失，主要原因是由于以下两方面造成：①由于空间网架、网壳结构等新型钢结构的不断出现，造成相关设计者没有足够

的时间去了解掌握这些新型结构的设计；②由于钢结构设计者缺乏相关设计经验，关于钢结构和构件的整体稳定性概念理解不够清晰，成为钢结构设计中经常出现的薄弱环节。因此，稳定性成为钢结构设计中一个突出的问题，如果处理不好此类问题，将会造成不可估计的损失。所以根据稳定性问题在实际的钢结构设计中的特点，以及未来更好的保证钢结构设计中构件不会丧失稳定性，设计过程中应严格遵守以下三条基本原则：①保证整体结构的细部构造和构件的稳定计算，二者必须相互配合，相互统一；②在进行结构布置时，必须从整个体系和组成部分的稳定性要求出发，进行全面考虑；③必须保证结构计算简图和实际计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算起着相当关键的作用。

2 钢结构设计思路和步骤

2.1钢结构的形式与布置

钢结构主要有框架、平面架、网架、索膜、轻钢以及塔桅等结构形式。通常情况下，每个形式都有其独特的特点，因此在选型的时候要结合具体情况充分考虑它们的特点，在面对具体问题时要具体分析。例如，对于那些屋面覆盖跨度较大的建筑时，可以选择以构件受拉为主的悬索或索膜结构；在建筑轻钢工业厂房时，需要有较大的悬挂荷载或移动荷载，此时我们需要选择与之相适应的网架，放弃门式钢架。在钢结构设计中，关于钢结构的布置必须根据相关体系特征、荷载分布情况及其性质进行综合考虑。在选择钢结

构悬挂结构时，应参考表1。

2.2截面的选择

对构件截面进行初步估算，主要就是对梁面和支撑断面的形状与尺寸的假定。钢梁的截面高度，通常根据荷载和支座的具体情况，一般是1/20～1/50之间的跨度选择。对于翼缘的宽度，为了回避钢梁整体稳定的复杂计算，可根据梁间侧向支柱的间距按照1/b限值加以确定。柱截面需要根据长细比进行预估，通常来说入的选择值在100左右。

2.3结构分析

目前在钢结构实际设计过程中，通常结构分析为线性弹性分析，条件允许时考虑p-△，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有利条件。除此之外，并不是所有的结构都需要使用软件：对于复杂结构，需要建模运行程序并做详、细的结构分析。

对于简单结构，可通过手算进行分析；而对于典型结构，可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。结构分析时应充分考虑建筑物稳定性、安全性，例如考虑多层建筑钢结构体系时，纯框架侧移不满足时，可以采用带支撑的框架，即在框架体系中，沿结构的纵、横两个方向布置一定数量的支撑。沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接，形成一个支撑芯筒。竖向支撑桁架起剪力墙的作用，能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚度，可以明显减

小建筑物的层间位移。

如下图所示：

2.4构件设计

关于构件的设计，首先应该考虑的是对材料进行合理选择。目前比较常用的钢结构材料是q235和q345。从经济的角度考虑，则可选择不同强度钢材的截面组合；从便于工程管理的角度考虑，主结构通常采用单一钢种。近年来，由于程序技术的进步，一些结构软件可以对整个结构进行全面优化，因此，我们只需对优化后的截面进行调整直至合理，同时注意模型的建立以及一些计算长度的参数定义即可。

2.5节点的设计

连接节点的常用方法包括等强设计与实际受力设计两种，基于安全性的考虑，可以采用等强设计法，可以设计出焊缝、螺栓连接等。作为设计构建中的核心，结构的焊接主要有直角焊接、斜角焊接两种。通常而言，节点设计的主要内容包括焊接、栓接、连接板以及梁腹板，除此之外，还要考虑现场定位、临时固定施工过程中的便利性。应该严格按照相关规范，合理选择焊接焊缝的尺寸及形式。焊条的选用应和被连接金属材质相适应。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。根据传力特点的不同，节点可分为刚接、铰接和半刚接，在选用节点时，必须要正确判断节点的连接形式，做到整个设计的安

全与合理。

2.6图纸的编制

钢结构的设计出图由设计图和施工详图两个阶段组成：

（1）设计图：是提供制造厂编制施工详图的依据。在设计图中，对于设计依据、荷载资料、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求、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：通常也称为加工图或放样图等。深度须能满足车间直接制造加工，不完全相同的构件单元须单独绘制表达，并应附有详尽的材料表。

3 钢结构设计过程中注意问题

（1）整体分析与优化设计。在钢结构设计过程中，要尽量选择与实际工作状况相符的整体分析模型，对于计算模型不得随意简化，比如不得随便把空间问题简化为平面问题。除此此外，为了获得理想的设计结构，在设计过程中可以采取优化设计的理念，并将次构件的作用尽可能考虑进来，同时满足钢结构设计的安全性与经济性，降低工程的成本。

（2）严格控制整体刚度。一般来说，稳定条件、强度条件等并非是决定钢结构构件的截面设计主要因素，而结构的整体刚度条件才是首要考虑因素，尤其是对于一些薄壁构件形成的大跨度结构来