钢结构的设计流程步骤

【摘 要】钢结构是由钢板、热轧型钢和冷加工的薄壁型钢制造而成,具有强度高、质量轻、韧性和塑性好、材质均匀、密封性好等特点,近年来在我国建筑行业中得到了广泛使用.在钢结构被广泛应用的今天,熟练掌握钢结构设计流程及步骤的相关知识,对整个建筑行业的发展和壮大都将起到重要的推动作用.

【关 键 词】钢结构；设计流程；步骤；探讨

钢结构在受力形式上突破了传统混凝土结构造型单一、自重大和跨度小等方面缺点,正逐渐取代了传统的混凝土框架结构和砖混结构建筑,被称为建筑行业中的朝阳产业.在钢结构的设计工作中,为保证优秀高效的专业设计,应当理清设计工作的流程思路,把握住设计步骤中的重难点.本文结合工作实际,介绍了钢结构的设计原则和方法,并着重就设计流程及步骤进行了探讨和研究.

一、钢结构的设计原则和方法

在钢结构的设计中应遵循的一般性原则为“技术先进、经济合理、安全适用、确保质量”.其中,钢结构的设计方法则主要可分为容许应力法和极限状态设计法这两种.

1.容许应力法

容许应力法（allowablestresethod）也被称为安全系数法或定值法.即采用影响钢结构设计的各种因素作为定值,然后采用一个凭经验选定的安全系数来考虑设计的各种因素变异的影响,以此对钢结构的安全度进行衡量.其表达方程式为：

其中,为标准荷载与构件截面尺寸所计算的应力,则是容许应力.容许应力法作为钢结构设计中的一种传统方法,具有计算简便的特点,目前在许多国家的不同的规范中仍在采用.但该设计方法不能定量度量钢结构的可靠度,目前在我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中,只有结构构件或连接的疲劳强度计算采用此方法.

2.极限状态设计法

极限状态设计法（limit-statedesignmethod）最早出现于20世纪50年代.该方法将变异性的设计参数采用概率分析引入了结构设计中,并根据应用概率分析的程度分为三种水准.即半概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法和全概率极限状态设计法.目前,我国钢结构设计方法主要采用的是近似概率极限状态设计法,也被称为概率极限状态设计法.

二、钢结构的主要设计流程及步骤

结构的选型和结构布置是设计整个过程中的重要步骤环节.钢结构形式的选择应充分考虑生产工艺、吊车吨位、建筑尺寸以及结构受力情况等各个方面选择最有效率、最符合制造水平、安全性好和造价低的结构形式.结构布置则主要可分为平面布置、竖向布置、支撑布置和维护结构布置等等.

（1）结构选型

钢结构的结构型式主要有轻钢、框架、网架（壳）、平面桁架、索膜等,在选型时应按照生产工艺和其各自不同的特点选择.例如轻钢工业厂房的钢结构,需要较大的移动荷载或者悬挂荷载时,可以选用网架型式；在雪压大的区域,屋面可使用网壳型式,能有利于积雪的滑落,降低屋面的总雪载；考虑选型经济性方面,如建筑结构允许使用框架型式具有更好的经济性等等.

（2）结构布置

结构布置应综合考虑荷载分布情况、结构体系特征以及性质等因素.一般性布置原则是能尽量限制移动荷载或者大荷载的影响范围,并且要求力度模型清晰、刚度均匀.

例如檩条和墙梁的布置中,檩条应等距布置,在确定檩条的间距时,应综合考虑屋面材料、檩条等因素计算确定；刚性系杆的布置应在每个温度区段或者分期建设的区段中,分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系,端部的支撑宜设置在温度区段端部的第一或第二个开间；柱间支撑布置时,其间距应根据房屋纵向受力情况和安装条件确定,通常取45～60米,当房屋高度较大时,柱间支撑还应分层设置.

当结构布置完成以后,需对钢结构构件的截面进行预计和估算,其中主要是对梁、柱等主要支撑构件截面尺寸与形状的检测定.对于不同的钢结构,设计规范中对截面的构造要求也有较大的不同.

钢梁通常选择轧制或焊接H型钢、槽钢等的截面,并依据支座和荷载的实际情况,截面高度可在跨度的1/20～1/50之间进行选择.翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按照l/b限值确定.在对截面高度和翼缘宽度确定以后,板件的厚度可按照规范中要求的局部稳定构造进行预估.

柱通常按照双向受弯、单向受弯或轴心受压这几种受力的区别,选择H型钢或者钢管截面.柱的截面则可通过长度和细度的比值预估,其值通常简单选择在80附近.

3.结构分析

通常普通的结构通过手算即可分析,复杂结构则需利用建模运行程序进行详细的结构分析.结构分析即为线弹性分析,当前各种有限元软件都具有分析钢材弹塑性和几何非线性的功能,这也为结构的更精确分析提供了条件.

4.工程判定

结构软件的准确使用,还需对输出结果进行工程判定.例如总剪力、各向周期、变形特征等参数,利用工程判定能修正计算结果,并对模型分析重新修改.利用工程判定能有效保证结构的安全,确保最终结构设计的准确.

5.构件的设计

构件的设计首先需根据结构强度、稳定、经济等因素对材料进行选择.其次在对截面的验算中,可利用适宜的设计软件减少一定的工作量,并对截面优化设计.在截面验算中,应着重注意以下几点：

（1）在对构件尤其是柱构件进行截面验算的过程中,容易出现长度系数的取定不符合规范的问题,针对这种情况应对变截面或者节点连接情况复杂的构件进行逐一检查.

（2）当预估截面强度不满足时,可适当加大截面的板件厚度；当抗弯不满足时,可加大翼缘的厚度；当抗剪不满足时,可加大腹板的厚度.

6.节点的设计

钢结构的节点设计应满足承载力的要求,还应具有必要的延展性,避免过大的约束应力和应力集中.同时,为了方便安装和加工,还需满足加工工艺性要求,注重合理构造.钢结构最基本的连接型式有铰接连接、支撑连接和刚性连接等.

（1）铰接连接：梁-梁,梁-柱的连接是钢结构设计的主要连接,其中多数为铰接式连接,如下图1所示.该连接主要使用单板、双板、端板、双角钢连接.

（2）支撑连接：支撑连接按照连接形式可以钢结构楼层面的水平支撑和柱间垂直支撑连接.连接主梁和次梁沿水平方向布置的水平支撑主要提供结构的侧向稳定性,并抵抗梁的侧向变形；连接主梁和柱间的垂直支撑则主要起到稳定空间的作用,将结构承受的水平力传给柱或地面.

（3）刚性连接：当被连接梁处于悬臂状态或梁-梁、梁-柱连接按刚性连接设计时,其连接节点应采用刚性连接.在刚性连接中,腹板承受剪力,翼缘承受弯矩.由于刚性连接受力较为复杂,在多少情况需对上下翼缘进行连接,因此刚性连接是费用较高和非常复杂的节点连接形式.

7.编制图纸

钢结构的设计出图主要可分为设计图和施工详图这两个阶段.

（1）设计图由设计单位所提供,是下一阶段施工详图编制的依据.在设计图中,对于技术数据、材料要求、结构布置、截面选用和节点构造等均应描述清楚,以体现设计的意图,并方便施工详图的顺利编制.

（2）施工详图通常由钢结构制造公司编制,有时也会由设计单位代为编制.施工详图应能满足工厂的直接加工制造,并且附有详细的材料表.

三、总结

钢结构建筑是我国十五期间的重点推广项目,随着我国建筑行业的发展,钢结构工程必然会得到更大的普及和发展,其中优秀、准确的钢结构设计是保证整个钢结构工程质量与进度的关键.我们应积极探索和研究钢结构设计的具体流程及步骤,把握住设计中的重难点,以真正做好钢结构的设计工作,为我国建筑行业的发展尽自己的一份绵薄之力.