钢结构设计之我见

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摘要：钢结构具有构件截面小、自重轻、抗震性能好、强度高，塑性、韧性、结构延性好；制作简单，施工工期短，质量可靠，工厂化程度高；结构开间大，布置灵活等优点。随着经济的不断发展和科学技术的进步，钢结构在我国的应用范围在不断扩大。

关键词：钢结构；结构设计；建筑设计

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

1 钢结构选型与结构布置

钢结构通常有框架、平面(桁)架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架；基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落，降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑要比简单的刚接节点框架有更好的经济性。而对屋面覆盖跨度较大的建筑，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外榧的形式，宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。

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。一般的说要刚度均匀，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，柱子至少应能单独承受1／4的总水平力。

框架结构中次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常的做法为减小截面而沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减小了楼层净高，顶层边柱有时也会吃不消，如把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保全主梁和柱子。

2 钢结构的稳定设计

稳定性是钢结构设计中的一个突出问题， 在各种类型的钢结构设计中， 都会遇到稳定问题。钢结构中的稳定问题也是钢结构设计中亟待解决的主要问题， 一旦出现钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失， 甚至会造成人员的伤亡， 这方面的教训也很多。所以我们在钢结构设计中， 一定要把好这一关。目前， 钢结构中出现的失稳事故大多是由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚， 对如何保证结构稳定缺少明确的认识， 造成结构设计中出现不应有的薄弱部位。因此， 在设计中应该明确钢结构稳定的一些基本概念， 才能更好地处理钢结构的稳定问题。

3围护结构中檩条的设计

檩条通常是风荷载作用下对工况起控制作用，设计时常忽略验算风吸力作用下的稳定，导致大风时很容易失稳破坏。为了保证风吸力作用下的整体稳定，通常在檩条之间设置拉条。计算中已考虑拉条的作用而施工图中忽略了布置拉条或拉条布置不当都将导致檩条失稳破坏。正确的拉条布置位置是根据计算结果在檩条上下翼缘附近，在上下稳定均需要拉条约束时，也可设一根拉条从一檩条的下翼缘处连接于相邻檩条的上翼缘处。在实际工程设计中有些设计者对屋面或墙架最上端檩条的侧向支撑， 如拉条、斜拉条、撑杆能正确设置， 但对中间墙面或屋面， 如门窗洞口、屋面风机开孔处、屋面天窗(采光窗)等处， 经常只设拉条， 而漏设斜拉条和撑杆等， 根本无法将拉条上的拉力传至承重结构上。其根本原因是对拉条、斜拉条、撑杆的传力作用及途径不清楚， 同时也是对规范条文只知其然， 不知其所以然， 从而给围护结构的设计带来安全隐患。

4隅撑的设计

设置隅撑是保证梁柱构件整体稳定的主要措施，隅撑间距是梁柱计算时确定的，大小规格也需通过计算确定。若因特殊原因不能设置隅撑， 应采取可靠措施保证梁柱翼缘不会因失稳而屈曲，否则存在安全隐患。所以在轻钢结构和多高层框架结构的一些关键部位均要设计隅撑。

5 构件的抗扭设计

对于一般钢结构构件(除箱形截面外)，其抗扭的能力是较弱的， 截面面积完全相同的工字形截面和箱形截面梁， 其扭转常数之比为1：500，最大扭转剪应力之比近于30：1。且受扭构件的受力状态复杂，除因弯矩产生的弯曲正应力、剪应力外，还要承受因扭转产生的正应力和剪应力，处于这种复杂受力状况的构件支座处理也很困难。因此在实际的工程设计中， 通常是从结构布置上尽量避免使构件受扭， 或采取各种有效的措施阻止其受扭。若无法避免时宜采用闭合式的箱形截面梁。

6节点设计

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考虑。有时出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中设定的形式不完全一致，如果你不能确定这种不一致带来的偏差在工程许可范围内(5%)，就必须避免。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。常用的钢结构设计手册推荐了丰富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的弯矩没有问题，但会产生较大转动，不符合结构分析中的假定，会导致实际工程变形大于计算数据等不利结果。

连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法，初学者可偏安全选用前者。钢结构设计手册中通常有焊缝和螺栓连接的表格等供设计者查用，比较方便，也可以用结构软件的后处理部分来自动完成。

具体设计包括以下内容：

（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，应该选择应选择低强度的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件重心接近。其他详细内容看查看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。普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。高强度螺栓使用日益广泛。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。高强螺栓最小规格为M12，常用M16～M30。超大规格的螺栓性能不稳定，应慎重使用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接，在低层墙板式住宅中也常用于主结构的连接，难以解决的是自攻过程中防腐层的破坏问题。

（3）连接板：需要验算栓孔削弱处的净截面抗剪等。连接板厚度可简单取为梁腹板厚度加4mm，则除短梁或有较大集中荷载的梁除外，常不需要验算抗剪。

（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要验算孔壁局部承压。

（5）节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者常犯的错误。此外，还应尽可能使用工人能方便地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可能需要数控机床等设备才能完成。

7钢结构建筑的防火设计

钢结构是不耐火的结构。钢结构在火灾烈焰下，构件温度迅速升高，而钢材的屈服强度和弹性模量却急剧下降，结构变形迅速增大，最终导致结构倒塌。为此，需要对钢结构中的梁、柱、支撑等承重构件和组合楼盖体系的压型钢板作防火处理，常见的钢结构有防火板包裹，防火喷涂，复合防火等。目前应用最多、是工业最方便的是喷涂防火涂料。防火涂料成本占钢结构工程成本的2O％ ，只有开发出耐火钢材或价格更低的防火材料，才能改变防火成本居高不下的局面。

结束语

随着我国经济以及建设的发展，钢结构将得到越来越广泛的应用，会出现更加新颖和有特点的结构形式，这就需要我们广大结构设计人员在钢结构的设计过程中不断完善与加强，从而推进我国钢结构应用的发展与进步。