建筑钢结构设计

摘 要：改革开放之后工业的迅猛发展,使我国建筑行业的施工技术也创新不断,建筑钢结构技术的出现使我国建筑行业的发展得到了长足的进步.我国新近兴起的许多大型建筑中都采用钢结构进行施工.钢结构以其机械化、组织好、弹塑性和韧性优异、承载力和抗震结构佳广受施工单位欢迎.但是,建筑钢结构技术中的缺点也是不容我们忽视的,对于钢结构的材料本身就存在着缺陷,钢材的耐腐蚀性很低,一旦受损质量便得不到保证.而且钢材的耐火性能和耐腐蚀性能都有待提高.从以往大量的建筑事故中我们不难看出,钢结构的引以为傲的高强度却正引起了钢结构由于截面过小而导致的建筑稳定性差的问题.我们在施工建设中仍然要不断创新、不断寻找新措施改善钢结构建设技术.本文就亲身实践经验论述一下钢结构建设的设计以及施工步骤.

关 键 词：建筑；钢结构；设计

中图分类号：TU201.7文献标识码：A

1　判断结构是否适合用钢结构

对建筑工程施工时,首先要判断此建筑是否可以进行钢结构建设.以免进行施工准备或施工已经进行后还要重新进行设计施工,浪费大量的时间、人力和资金.建筑的钢结构建设通常适用于机械化程度高、建筑高度大、使用空间严酷（高温、封闭、震动）的建筑项目.

2　结构形式与结构布置

钢结构的设计过程主打“概念设计”牌,概念设计在钢结构的整个过程中都是异常重要的.它确定了整个建筑形态的方向,透过把握全局来进行项目灵感体验.通过力学关系的对比、钢材结构的优缺点整合和细节上的实际考量来达到钢结构前期设计的方案比较和甄选.目前,已经有一些针对计算数据正常与否的软件投入到工程的设计中,给设计提供了很大的帮助,避免人工手算失误的发生,还能解决结构分析阶段繁琐的数据计算.

建筑钢结构通常分为框架、平面(桁)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等几种结构.在对项目进行钢结构的选型确定时,一定要根据各项目特点的不同,分析实际情况进行设计.遇到有较大负重的荷载时要放弃门式钢架而采用钢结构网架形态.我国有雪地区,应把雪压也计算在工程结构设计中.屋顶要符合重力坠落曲线标准.大跨度的建筑要对覆盖屋顶构建进行拉索或索膜结构的建立.如果项目的经济允许,可对钢结构框架布置支撑结构,远期的经济性要比简单的钢结构节点框架好的多.采用钢筋混凝土结构外加巨型SRC柱的组合来应对地震带的建筑项目,尽量避免图一时资金投入少而采用核心筒外加框形式.

钢结构的设计应使结构受力路线清晰且可以以最接近直线的路线将受力传给地基支撑.钢结构在布置上要遵循结构刚度匀称,力学分布平稳,最大限度减少荷载的影响.钢结构抗力的支撑住间距要适中,且设置多道防线以背意外发生,核心撑柱的受力应至少占总受力的20%.

3　截面的选择

在对建筑项目进行完钢结构的形式确定后,就要开始着手下一步骤,钢结构截面的初步估算,截面的选择主要是针对钢结构构件的撑柱和撑面进行工程施工前的尺寸设定和形状检测设.

钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等.根据荷载与支座情况,其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择.翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时,可回避钢梁整体稳定的复杂计算.确定了截面高度和翼缘宽度后,其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估.

柱截面按长细比预估.通常50<λ<180,简单选择值在100附近.根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等.

钢结构构件在外形选择上没有固定的规范,一切遵循保质前提下灵感概念的迸发.

4　结构分析

目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-Δ,p-δ.有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,这为更精确的分析结构提供了条件.

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,简单结构通过手算进行分析,复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析.

5　构件设计

构建设计也要考虑材料的合理性,取材上一般选择Q235和Q345两种.由于对工程管理便捷的追求,刚结构设计主体时常把材料限定在一种材质上,但是如果出于经济情况上的考量,也有很多施工单位将不同材质钢构件强强组合的用于施工,强度上的要求以Q345为主,稳定性的要求上以Q235为主.

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,一些软件可以对整个结构进行截面优化,我们仅做的就是对优化后的截面稍加调整并进行程序自动验算,直至合理,如PKPM中的STS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.但要注意,利用结构软件设计一定要注意模型的建立和参数定义,尤其是柱及梁的平面内、外计算长度.

6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.应该注意的问题是最终的设计节点经常与结构模型中使用的形式不完全一致.按传力特性不同,节点有刚接、铰接和半刚接,有些人往往会会忽略掉后者,所以在选用节点时一定要正确判定节点的连接形式,从而做到设计的安全性、合理性.

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,我们可以比较方便的查阅相关设计手册中焊缝及螺栓连接数据.当然也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成.

对于焊接节点,对焊缝的尺寸及形式规范有强制规定,应严格遵守.如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.

对于栓接节点,普通螺栓抗剪性能差,可在次要结构部位使用.高强螺栓的使用日益广泛,常用8.8和10.9两个强度等级,根据受力特点分承压型和摩擦型,两者计算方法不同,规格常用M16~M30,超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用.

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.梁腹板应验算栓孔处腹板的净截面抗剪性能,承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压.

还要注意构件的现场安装可能性的问题,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.

7图纸编制

图纸的绘制,是钢结构施工的基本开始,有了精准的图纸再按图索骥,建设施工就很容易了.建筑的钢结构图纸由设计图和施工图两部分组成.先由专业设计单位进行结构设计再由钢结构的专业制造单位进行施工详图的绘制.但是近年来,由于专业钢结构工程师的供不应求和钢结构建设的与日俱增,很多钢结构制造单位也开始参与钢结构设计图纸的绘制.这已经是一个很普遍的现象,这里就不多加以赘述了.