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4常見(jiàn)問(wèn)題
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鋼結構設計簡(jiǎn)單步驟
鋼結構設計簡(jiǎn)單步驟
(一) 判斷結構是否適合用鋼結構
鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車(chē)起重量大、有較大振動(dòng)、要求能活動(dòng)或經(jīng)常裝拆的結構。直觀(guān)的說(shuō):大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、雕塑、倉棚、工廠(chǎng)、住宅、山地建筑和臨時(shí)建筑等。這是和鋼結構自身的特點(diǎn)相一致的。
(二) 結構選型與結構布置
結構選型及布置是對結構的定性,由于其涉及廣泛,應該在經(jīng)驗豐富的工程師指導下進(jìn)行。此處僅簡(jiǎn)單介紹. 詳請參考相關(guān)專(zhuān)業(yè)書(shū)籍.
在鋼結構設計的整個(gè)過(guò)程中都應該被強調的是"概念設計",它在結構選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規范未規定的問(wèn)題,可依據從整體結構體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想,從全局的角度來(lái)確定控制結構的布置及細部構造措施。 在早期迅速、有效地進(jìn)行構思、比較與選擇,所得結構方案往往易于手算、力學(xué)行為清晰、定性正確,并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時(shí),它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。
林同炎教授在《結構概念和體系》一書(shū)中介紹了用整體概念來(lái)規劃結構方案的方法,以及結構總體系和個(gè)分體系間的相互力學(xué)關(guān)系和簡(jiǎn)化近似設計方法。
鋼結構通常有框架、平面桁架、網(wǎng)架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結構形式。
其理論與技術(shù)大都成熟。亦有部分難題沒(méi)有解決,或沒(méi)有簡(jiǎn)單實(shí)用的設計方法,比如網(wǎng)殼的穩定等。
結構選型時(shí),應考慮不同結構形式的特點(diǎn)。在工業(yè)廠(chǎng)房中,當有較大懸掛荷載或大范圍移動(dòng)荷載,就可考慮放棄門(mén)式剛架而采用網(wǎng)架。基本雪壓大的地區,屋面曲線(xiàn)應有利于積雪滑落(切線(xiàn)50度外不需考慮雪載 ),如亞?wèn)|水泥廠(chǎng)石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼,總雪載和坡屋面相比釋放近一半。降雨量大的地區相似考慮。建筑允許時(shí),在框架中布置支撐會(huì )比簡(jiǎn)單的節點(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中,可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體系。高層鋼結構設計中,常采用鋼混凝土組合結構,在地震烈度高或
很不規則的高層中,不應單純?yōu)榱私?jīng)濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型SRC柱,核心為支撐框架的結構體系。我國半數以上的此類(lèi)高層為前者,對抗震不利。
結構的布置要根據體系特征,荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮.一般的說(shuō)要剛度均勻.力學(xué)模型清晰.盡可能限制大荷載或移動(dòng)荷載的影響范圍,使其以最直接的線(xiàn)路傳遞到基礎. 柱間抗側支撐的分布應均勻.其形心要盡量靠近側向力(風(fēng)、震)的作用線(xiàn). 否則應考慮結構的扭轉. 結構的抗側應有多道防線(xiàn). 比如有支撐框架結構,柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力.
框架結構的樓層平面次梁的布置,有時(shí)可以調整其荷載傳遞方向以滿(mǎn)足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁,但是這會(huì )使主梁截面加大,減少了樓層凈高,頂層邊柱也有時(shí)會(huì )吃不消,此時(shí)把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。
(三) 預估截面
結構布置結束后,需對構件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。
鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據荷載與支座情況,其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時(shí),可回避鋼梁的整體穩定的復雜計算,這種方法很受歡迎。 確定了截面高度和翼緣寬度后,其板件厚度可按規范中局部穩定的構造規定預估。
柱截面按長(cháng)細比預估. 通常50<λ<150, 簡(jiǎn)單選擇值在80附近。根據軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同,可選擇鋼管或H型鋼截面等。
對應不同的結構,規范對截面的構造要求有很大的不同,如鋼結構所特有的組成構件的板件的局部穩定問(wèn)題,在普鋼規范和輕鋼規范中的限值有很大的區別。
除此之外,構件截面形式的選擇沒(méi)有固定的要求,結構工程師應該根據構件的受力情況,合理的選擇安全經(jīng)濟美觀(guān)的截面。
(四) 結構分析
目前鋼結構實(shí)際設計中,結構分析通常為線(xiàn)彈性分析,條件允許時(shí)考慮P-Δ,p-δ.
新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線(xiàn)性及鋼材的彈塑性能.這為更精確的分析結構提供了條件。并不是所有的結構都需要使用軟件:
典型結構可查力學(xué)手冊之類(lèi)的工具書(shū)直接獲得內力和變形.
簡(jiǎn)單結構通過(guò)手算進(jìn)行分析.
復雜結構才需要建模運行程序并做詳細的結構分析.
(五) 工程判定
要正確使用結構軟件,還應對其輸出結果的做"工程判定"。比如,評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據"工程判定"選擇修改模型重新分析,還是修正計算結果.
不同的軟件會(huì )有不同的適用條件.初學(xué)者應充分明了.此外,工程設計中的計算和精確的力學(xué)計算本身常有一定距離,
為了獲得實(shí)用的設計方法,有時(shí)會(huì )用誤差較大的假定, 但對這種誤差, 會(huì )通過(guò)"適用條件、概念及構造"的方式來(lái)保證結構的安全.
鋼結構設計中,"適用條件、概念及構造"是比定量計算更重要的內容.
工程師們過(guò)分信任與依賴(lài)結構軟件有可能帶來(lái)結構災難,注重概念設計、工程判定和構造措施有助于避免這種災難.
(六) 構件設計
構件設計首先是材料的選擇. 比較常用的是Q235和Q345. 當強度起控制作用時(shí),可選擇Q345; 穩定控制時(shí),宜使用Q235.通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理. 經(jīng)濟考慮,也可以選擇不同強度鋼材的焊接組合截面(翼緣Q345,腹板Q235). 另外,焊接結構宜選擇Q235B或Q345B。
當前的結構軟件,都提供截面驗算的后處理功能。部分軟件可以將不通過(guò)的構件,從給定的截面庫里選擇加大一級自動(dòng)重新驗算,直至通過(guò),如sap2000等。這是常說(shuō)的截面優(yōu)化設計功能之一,它減少了很多工作量。 但是,我們至少應注意兩點(diǎn):
1.軟件在做構件(主要是柱)的截面驗算時(shí),計算長(cháng)度系數的取定有時(shí)會(huì )不符合規范的規定.目前所有的程序都不能完全解決這個(gè)問(wèn)題。所以,尤其對于節點(diǎn)連接情況復雜或變截面的構件,我們應該逐個(gè)檢查.
2.當上面第(三)條中預估的截面不滿(mǎn)足時(shí),加大截面應該分兩種情況區別對待。
(1) 強度不滿(mǎn)足,通常加大組成截面的板件厚度,其中,抗彎不滿(mǎn)足加大翼緣厚度,抗剪不滿(mǎn)足加大腹板厚度。
(2) 變形超限,通常不應加大板件厚度而應考慮加大截面的高度,否則會(huì )很不經(jīng)濟。
使用軟件的前述自動(dòng)加大截面的優(yōu)化設計功能,很難考慮上述強度與剛度的區分,實(shí)際上,除常用于網(wǎng)架設計外,其他結構形式常常并不合適。
(七) 節點(diǎn)設計
連接節點(diǎn)的設計是鋼結構設計中重要的內容之一.在結構分析前,就應該對節點(diǎn)的形式有充分思考與確定.有時(shí)出現的一種情況是,最終設計的節點(diǎn)與結構分析模型中使用的形式不完全一致,如果你不能確信這種不一致帶來(lái)的偏差差在工程許可范圍內(5%),就必須避免。 按傳力特性不同,節點(diǎn)分剛接,鉸接和半剛接.
初學(xué)者宜選擇可以簡(jiǎn)單定量分析的前兩者.常用的參考書(shū)[2]有豐富的推薦的節點(diǎn)做法及計算公式.
連接的不同對結構影響甚大.比如,有的剛接節點(diǎn)雖然承受彎矩沒(méi)有問(wèn)題,但會(huì )產(chǎn)生較大轉動(dòng), 不符合結構分析中的假定. 會(huì )導致實(shí)際工程變形大于計算數據等的不利結果.
連接節點(diǎn)有等強設計和實(shí)際受力設計兩種常用的方法, 初學(xué)者可偏安全選用前者.設計手冊[2]中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者查用,比較方便. 也可以使用結構軟件的后處理部分來(lái)自動(dòng)完成.
具體設計主要包括以下內容:
1.焊接: 對焊接焊縫的尺寸及形式等,規范有強制規定,應嚴格遵守. 焊條的選用應和被連接金屬材質(zhì)適應.E43對應Q235,E50對應Q345. Q235與Q345連接時(shí),應該選擇低強度的E43,而不是E50.
焊接設計中不得任意加大焊縫. 焊縫的重心應盡量與被連接構件重心接近.其他詳細內容可查規范關(guān)于焊縫構造方面的規定.
2.栓接:
鉚接形式,在建筑工程中,現已很少采用.
普通螺栓抗剪性能差, 可在次要結構部位使用.
高強螺栓,使用日益廣泛.常用8.8s和10.9s兩個(gè)強度等級.根據受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型.兩者計算方法不同. 高強螺栓最小規格M12. 常用M16~M30. 超大規格的螺栓性能不穩定,應慎重使用。
自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接. 在低層墻板式住宅中也常用于主結構的連接. 難以解決的是自攻過(guò)程中防腐層的破壞問(wèn)題。
3.連接板: 需驗算栓孔削弱處的凈截面抗剪等. 連接板厚度可簡(jiǎn)單取為梁腹板厚度加4mm,則除短梁或有較大集中荷載的梁外,常不需驗算抗剪。
4.梁腹板: 應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪.承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓.
5.節點(diǎn)設計必須考慮安裝螺栓、現場(chǎng)焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現場(chǎng)無(wú)法安裝是初學(xué)者長(cháng)犯的錯誤。此外,還應盡可能使工人能方便的進(jìn)行現場(chǎng)定位與臨時(shí)固定。
6.節點(diǎn)設計還應考慮制造廠(chǎng)的工藝水平. 比如鋼管連接節點(diǎn)的相貫線(xiàn)的切口可能需要數控機床等設備才能完成.
(八) 圖紙編制
鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段,設計圖由設計單位提供,施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據設計圖編制,有時(shí)也會(huì )由設計單位代為編制。由于近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的矛盾,有設計能力的鋼結構公司參與設計圖編制的情況也很普遍。
1.設計圖: 是提供制造廠(chǎng)編制施工詳圖的依據. 深度及內容應完整但不冗余.
在設計圖中,對于設計依據、荷載資料(包括地震作用)、技術(shù)數據、材料選用及材質(zhì)要求、設計要求(包括制造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗的等級、涂裝及運輸等)、
結構布置、構件截面選用以及結構的主要節點(diǎn)構造等均應表示清楚,以利于施工詳圖的順利編制,并能正確體現設計的意圖。主要材料應列表表示。
2.施工詳圖:又稱(chēng)加工圖或放樣圖等.深度須能滿(mǎn)足車(chē)間直接制造加工.不完全相同的另構件單元須單獨繪制表達,并應附有詳盡的材料表.
設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制,目前比較混亂,各個(gè)設計單位之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。 初學(xué)者可參考他人的優(yōu)秀設計并參考相關(guān)的工具書(shū),并依據規范規定編制。