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钢结构设计简单步骤和设计思路

宣布时间:2017/1/19 11:26:51      点击次数:2793
  (一) 判断结构是否适适用钢结构
  钢结构通常用于高层、大跨度、体型庞大、荷载或吊车起重量大、有较大振动、要求能运动或经常装拆的结构。直观的说:大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、雕塑、仓棚、工厂、住宅、山地建筑和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。
  (二) 结构选型与结构部署
  结构选型及部署是对结构的定性,由于其涉及广泛,应该在经验富厚的工程师指导下进行。此处仅简单介绍. 详请参考相关的书籍.
  在钢结构设计的整个历程中都应该被强调的是"看法设计",它在结构选型与部署阶段尤其重要. 对一些难以作出准确理性分析或规范未划定的问题,可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想,从全局的角度来确定控制结构的部署及细部结构措施。 在早期迅速、可行地进行构想、比力与选择,所得结构方案往往易于手算、力学行为清晰、定性正确,并可制止结构分析阶段不须要的繁琐运算。同时,它也是判断盘算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。
  林同炎教授在《结构看法和体系》一书中介绍了用整体看法来计划结构方案的要领,以及结构总体系和个分体系间的相互力学关系和简化近似设计要领。
  钢结构通常有框架、平面桁架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构形式。
  其理论与技术多数成熟。亦有部门难题没有解决,或没有简单实用的设计要领,好比网壳的稳定等。
  结构选型时,应考虑差异结构形式的特点。在工业厂房中,当有较大悬挂荷载或大规模移动荷载,就可考虑放弃门式刚架而接纳网架。基本雪压大的地域,屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50度外不需考虑雪载 ),如亚东水泥厂石灰石仓棚接纳三心圆网壳,总雪载和坡屋面相比释放近一半。降雨量大的地域相似考虑。建筑允许时,在框架中部署支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面笼罩跨度较大的建筑中,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,常接纳钢混凝土组合结构,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倒霉抗震的焦点筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱,焦点为支撑框架的结构体系。我国半数以上的此类高层为前者,反抗震倒霉。
  结构的部署要凭据体系特征,荷载漫衍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规模,使其以较直接的线路通报到基础. 柱间抗侧支撑的漫衍应均匀.其形心要尽量靠近侧向力(风、震)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. 好比有支撑框架结构,柱子至少应能单独蒙受1/4的总水平力.
  框架结构的楼层平面次梁的部署,有时可以调整其荷载通报偏向以满足差异的要求。通常为了减小截面沿短向部署次梁,但是这会使主梁截面加大,减少了楼层净高,顶层边柱也有时会吃不用,此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子.
  (三) 预估截面
  结构部署结束后,需对构件截面作开端估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。
  钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。凭据荷载与支座情况,其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度凭据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时,可回避钢梁的整体稳定的庞大盘算,这种要领很受接待。 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结构划定预估。
  柱截面按长细比预估. 通常50<λ<150, 简单选择值在80四周。凭据轴心受压、双向受弯或单向受弯的差异,可选择钢管或H型钢截面等.
  对应差异的结构,规范对截面的结构要求有很大的差异,如钢结构所有的组成构件的板件的局部稳定问题,在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。
  除此之外,构件截面形式的选择没有牢固的要求,结构工程师应该凭据构件的受力情况,合理的选择**经济美观的截面。
  (四) 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.
  新近的一些有限元软件可以部门考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更准确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件:
  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.
  庞大结构才需要建模运行法式并做详细的结构分析.
  (五) 工程判定
  要正确使用结构软件,还应对其输出结果的做"工程判定"。好比,评估各向周期、总剪力、变形特征等。凭据"工程判定"选择修改模型重新分析,照旧修正盘算结果.
  差异的软件会有差异的适用条件.初学者应充实明了.此外,工程设计中的盘算和准确的力学盘算自己常有一定距离, 为了获得实用的设计要领,有时会用误差较大的假定, 但对这种误差, 会通过"适用条件、看法及结构"的方式来保证结构的**. 钢结构设计中,"适用条件、看法及结构"是比定量盘算更重要的内容.
  工程师们太过信任与依赖结构软件有可能带来结构灾难,注重看法设计、工程判定和结构措施有助于制止这种灾难.
  (六) 构件设计
  构件设计首先是质料的选择. 比力常用的是Q235和Q345. 当强度起控制作用时,可选择Q345; 稳定控制时,宜使用Q235.通常主结构使用单一钢种以便于工程治理. 经济考虑,也可以选择差异强度钢材的焊接组合截面(翼缘Q345,腹板Q235). 另外,焊接结构宜选择Q235B或Q345B。
  当前的结构软件,都提供截面验算的后处置功效。部门软件可以将不通过的构件,从给定的截面库里选择加大壹级自动重新验算,直至通过,如sap2000等。这是常说的截面优化设计功效之一,它减少了许多事情量。 但是,我们至少应注意两点:
  1.软件在做构件(主要是柱)的截面验算时,盘算长度系数的取定有时会不切合规范的划定.目前所有的法式都不能完全解决这个问题。所以,尤其对于节点连接情况庞大或变截面的构件,我们应该逐个检查.
  2.当上面第(三)条中预估的截面不满足时,加大截面应该分两种情况区别看待。
  (1) 强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度,其中,抗弯不满足加大翼缘厚度,抗剪不满足加大腹板厚度。
  (2) 变形超限,通常不应加大板件厚度而应考虑加大截面的高度,否则会很不经济。
  使用软件的前述自动加大截面的优化设计功效,很难考虑上述强度与刚度的区分,实际上,除常用于网架设计外,其他结构形式经常并不合适。
  (七) 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实思考与确定.有时泛起的一种情况是,*终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,如果你不能确信这种纷歧致带来的偏差差在工程许可规模内(百分之5),就须制止。 按传力特性差异,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[2]有富厚的推荐的节点做法及盘算公式.
  连接的差异对结构影响甚大.好比,有的刚接节点虽然蒙受弯矩没有问题,但会发生较大转动, 不切合结构分析中的假定. 会导致实际工程变形大于盘算数据等的倒霉结果.
  连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的要领, 初学者可偏**选用前者.设计手册[2]中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用,比力方便. 也可以使用结构软件的后处置部门来自动完成.
  具体设计主要包罗以下内容:
  1.焊接: 对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制划定,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. 焊缝的中点应尽量与被连接构件中点接近.其他详细内容可查规范关于焊缝结构方面的划定.
  2.栓接:
  铆接形式,在建筑工程中,现已很少接纳.
  普通螺栓抗剪性能差, 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两个强度品级.凭据受力特点分承压型和摩擦型.两者盘算要领差异. 高强螺栓*小规格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. 难以解决的是自攻历程中防腐层的破坏问题。
  3.连接板: 需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外,常不需验算抗剪。
  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验算孔壁局部承压.
  5.节点设计须考虑安装螺栓、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牢固。
  6.节点设计还应考虑制造厂的工艺水平. 好比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气完成.
  (八) 图纸体例
  钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图由设计单元提供,施工详图通常由钢结构制造公司凭据设计图体例,有时也会由设计单元代为体例。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加入设计图体例的情况也很普遍。
  1.设计图: 是提供制造厂体例施工详图的依据. 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(包罗地震作用)、技术数据、质料选用及材质要求、设计要求(包罗制造和安装、焊缝质量检验的品级、涂装及运输等)、结构部署、构件截面选用以及结构的主要节点结构等均应体现清楚,以利于施工详图的顺利体例,并能正确体现设计的意图。主要质料应列表体现。
  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,并应附有详尽的质料表.
  设计图及施工详图的内容表达要领及出图深度的控制,目前比力杂乱,各个设计单元之间及其与钢结构公司之间不尽相同。 初学者可参考他人的设计并参考相关的工具书,并依据规范划定体例。
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