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建筑钢结构设计要八布局

发布日期:2017-3-16   浏览次数:877

建筑钢结构工程是一个非常复杂的系统工程,从前期的钢结构设计到钢结构施工验收,都要遵循一定的流程。那么钢结构设计要怎么布局来设计钢结构建筑呢?

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建筑钢结构工程是一个非常复杂的系统工程,从前期的钢结构设计到钢结构施工验收,都要遵循一定的流程。那么钢结构设计要怎么布局来设计钢结构建筑呢?

 

()判断结构是否适合用钢结构

 

钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、要求能活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。

 

()结构选型与结构布置

 

结构选型及布置是对结构的定性,由于其涉及广泛,应该在经验丰富的工程师指导下进行。此处仅简单介绍.详请参考相关专业书籍.

 

在钢结构设计的整个过程中?#21152;?#35813;被强调的是"概念设计",它在结构选型与布置阶段尤其重要.对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题,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?#33539;?#25511;制结构的布置及细部构造措施。在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择,所得结构方案往往易于手算、力学?#24418;?#28165;晰、定性正确,并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时,它也是判断计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《结构概念和体系》一书中介绍了用整体概念来规划结构方案的方法,以及结构总体系和个分体?#23548;?#30340;相互力学关系和简化近似设计方法。

 

钢结构通常有框架、平面桁架、网架()、索膜、轻钢、塔桅等结构形式。

 

其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决,或没有简单实用的设计方法,比如网壳的稳定等。

 

结构选型时,应考虑不同结构形式的特点。在工业厂房中,当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载,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(切线50度外不需考虑雪载),如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳,总雪载和坡屋面相比释放近一半。降雨量大的地区相似考虑。建筑?#24066;?#26102;,在框架中布置支撑会比简单的节点刚接?#30446;?#26550;有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中,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?#21496;?#27982;去选择不利抗震的核心?#24067;?#22806;框的形式。宜选择周边巨型SRC柱,核心为支撑框架的结构体系。我国半数以?#31995;?#27492;类高层为前者,对抗震不利。

 

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?#20132;?#30784;.柱间抗侧支?#35834;?#20998;布应均匀.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?#30446;?#20391;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.

 

框架结构的楼层平面次梁的布置,有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为?#24605;?#23567;截面沿短向布置次梁,但是这会使主?#33322;?#38754;加大,减少了楼层净高,顶层边柱也有时会吃不消,此时把次梁支撑在较短的主?#33655;?#21487;以牺牲次梁保住主梁和柱子.

 

()预估截面

 

结构布置结束后,需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支?#35834;?#30340;断面形?#20174;?#23610;寸的假定。

 

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?#35834;?#38388;距按l/b限?#31561;范?#26102;,可回避钢梁的整体稳定的复杂计算,这?#22336;?#27861;很受欢迎。?#33539;?#20102;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<150,简单选择值在80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.

 

?#26434;?#19981;同的结构,规范对截面的构造要求有很大的不同,如钢结构所特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固定的要求,结构工程师应该根据构件的受力情况,合理的选择安全经济美观的截面。

 

()结构分析

 

目前钢结构?#23548;?#35774;计中,结构分析通常为线弹性分析,条件?#24066;?#26102;考虑P-Δ,p-δ.

 

新近的一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。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.

 

复杂结构?#21028;?#35201;建模运行程序并做详细的结构分析.

 

()工程判定

 

要正?#32933;?#29992;结构软件,还应对其输出结果的做"工程判定"。比如,评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据"工程判定"选择修改模型重新分析,还是修正计算结果.

 

不同的软件会有不同的适用条件.初学者应充分明了.此外,工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离,为了获得实用的设计方法,有时会用误差较大的假定,但对这种误差,会通过"适用条件、概念及构造"的方式来保证结构的安全.钢结构设计中,"适用条件、概念及构造"是比定量计算更重要的内容.

 

工程师们过分信任与?#35272;?#32467;构软件有可能带来结构灾难,注重概念设计、工程判定和构造措施有助于避免这种灾难.

 

()构件设计

 

构件设计首先是材?#31995;?#36873;择.比较常用的是Q235Q345.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管理.经济考虑,也可以选择不同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Q235BQ345B

 

当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。部分软件可以将不通过的构件,从给定的截面库里选择加大一级自动重新验算,直至通过,如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一,它减少了很多工作量。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,计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定.目?#20843;?#26377;的程序都不能完全解决这个问题。所以,尤其?#26434;?#33410;点连接情况复杂或变截面的构件,我们应该逐个检查.

 

2.当?#21414;?#31532;()条?#24615;?#20272;的截面不满足时,加大截面应该分两种情况区别对待。

 

(1)强度不满足,通常加大组?#23665;?#38754;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能,很难考虑上述强度与刚度的区分,?#23548;?#19978;,除常用于网架设计外,其他结构形式常常并不合适。

 

()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分思?#21152;肴范?/font>.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使用的形式不完全一致,如果你不能确信这种不一致带来的偏差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.常用的参考书[2]有丰富的推荐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弯矩没?#24418;?#39064;,但会产生较大转动,不符合结构分析中的假定.会导致?#23548;?#24037;程变形大于计算数据等的不利结果.

 

连接节点有等强设计和?#23548;适?#21147;设计两种常用的方法,初学者可偏安全选用前者.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,比较方便.也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成.

 

具体设计主要包括以下内容:

 

1.焊接:?#38498;?#25509;焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应?#32454;?#36981;守.焊条的选用应和被连接金属材?#36866;视?/font>.E43?#26434;?/font>Q235,E50?#26434;?/font>Q345.Q235Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50.

 

焊接设计中不得?#25105;?#21152;大焊缝.焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近.其他详细内容可查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.

 

高强螺栓,使用日益广泛.常用8.8s10.9s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?#21644;猓?#24120;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.节点设计必须考?#21069;?#35013;螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊?#20843;承?#31561;。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?#26500;?#20154;能方便的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?#35206;?#33021;完成.

 

()图纸编制

 

钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计?#21152;?#35774;计单位提供,施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制,有时也会由设计单位代为编制。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参与设计图编制的情况也很普遍。

 

1.设计图:是提供制造厂编制施工详图的依据.深度及内容应完整但不冗余.在设计图中,?#26434;?#35774;计依据、荷载资料(包括地震作用)、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求(包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等)、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚,以利于施工详图的顺利编制,并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表?#23613;?/font>

 

2.施工详图:又称加工图或放样图等.深度须能满足?#23548;?#30452;接制造加工.不完全相同的另构件单元须单独绘制表达,并应附有详尽的材料表.

 

设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度?#30446;?#21046;,目前比较混乱,各个设计单位之间及其与钢结构公?#23616;?#38388;不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书[3],并依据规范规定编制。

 

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