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钢结构设计手册

【钢结构设计】如何学习钢结构设计?——邵工给大家的几点钢结构设计建议

by 邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer |2017年12月25日 | 经验分享
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我是邵工,是一名钢结构设计师。

我国钢结构行业已经走出了一条“引进、消化、创新”具有特色的发展道路,其中网架结构、大跨 结构、桥梁工程等在近几年得到迅速发展。随着钢结构建筑市场的不断发展,建筑施工领域的需求也越来越高。

学好钢结构设计,首先需要掌握三门基础学科:结构力学、材料力学、钢结构设计原理。

结构力学

结构力学

任何武功都是需要从打基础开始学起,掌握基础,才能精通各种钢结构形式(网壳、网架、索膜结构、张弦梁等)。

此外,还需要掌握钢结构的特点。

一、钢结构的特点

钢结构具有以下优点:

  • 一是钢结构可工 厂化制作.减少现场施工的工作量,施工周期 短;
  • 二是由于钢结构自重轻、结构荷载小, 减少了地基处理的工作量和费用;
  • 三是钢结 构利于抗震,给投资方带来较好的经济效益 和社会效益;
  • 四是钢结构由于其材料本身的 性能好,强度高,与钢筋混凝土结构相比结 构断面小,在厂房布置中可以节省一部分空 间,更容易满足工艺灵活布置的要求。

钢结构构件的特点是截面多样性:

  • 一方面,钢材的各向匀质性使得它可以被加工成各种形状,这与木材的各向非匀质性区别显著:同为线性结构构件,钢结构的截面多样性是木结构所无法比拟的,杆件结构中连接构件几乎全部是钢也说明了这一点;
  • 另一方面,钢结构构件的截面形状也对连接设计产生强烈的影响。在受力范围允许的情况下,不同型钢的选择可以导致不同形式的连接。

此外,掌握钢结构稳定设计也是非常重要的。

二、钢结构稳定设计的原则

钢结构设计的难点在于稳定设计,钢结构稳定设计应遵循以下三项基本原则:

(1)结构整体布置必须考虑整个体系以及各组成部分的稳定性要求

目前,结构 大多数是按照平面体系来设计的,如桁架、 框架都是如此。保证这些平面结构不出现平 面失稳,需要从结构整体布置来考虑,即必 须设置必要的支撑构件。也就是说,结构构 件的平面内和平面外的稳定计算必须和结 构布置相一致。

(2)结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致

目前设计单层和多层框架结构时,经常不进行框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时,计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系 数应通过框架整体稳定分析得出,这样才能 使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而, 实际框架多种多样,而设计中为了简化计算 工作,需要设定一些典型条件。按照这些假 定,框架各柱的稳定参数及杆件稳定计算的 常用方法,往往是依据一定的简化假设或者 典型情况得出的,设计者必须明确所设计的 结构符合这些假设时才能正确应用。

(3)结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合,使二者具有一致性。

结构计算和构造设计相符合,一直是结构设计中大家都十分关注的问题。对要求传递弯矩和 不传递弯矩的节点连接,应分别赋予它足够的刚度和柔度,对桁架节点应尽量减少杆件 偏心,这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是,当涉及稳定性能时,构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。

三、钢结构设计中应注意的问题

3.1、概念设计分析及方案的确定

在读书的时候,学校的老师非常强调“概念设计”

(1) 在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”,它在结构选型与布置阶段尤其重要。

对一些难以做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布置及细部。

运用概念设计可以在早期迅速、有效 地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、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。

(2)支撑系统是保证结构整体稳定的基础,对于整个结构体系至关重要。

人字型支撑具有传力明确,构造简单, 空间刚度大的优点,采用矩形钢管截面拉力压力均可承受,且截面抵抗矩大,受力性能好。

(3)钢结构帽子刚度和下部混凝土框架 的刚度不宜相差过大,以免形成头重脚轻。

上部钢结构体形大,高度高,柱脚应慎重处理使钢结构和混凝土结构实现合理传递荷 载。尤其是风荷载和地震荷载,尽可能减小对下部混凝土结构的影响。

3.2、钢结构的结构布置与截面估算问题

钢结构的结构布置应根据体系特征、荷载分布情况及性质综合考虑,一般要刚度均匀,力学模型清晰,尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围以最直接的线路传递到基础。

柱问抗侧支撑的分布均匀,其形心要尽量靠近侧向力作用线。

结构布置结束后,需对构件截面作初步估算主要 是梁柱和支撑的断面形状与尺寸的估算。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。

软件在做构件(重点是柱)的截面验算时,长度系数的取定有时 会不符合规范的规定所以对于复杂的节点连接或变截面构件,结构师应该逐个检查。

3.3、钢结构设计中应注意的具体问题

  • (1)柱间支撑不要设置在有门、安装孔及胶带输送机栈桥与主厂房连接处,否则将影响使用或必须把柱问支撑换位置。
    柱间支撑

    柱间支撑

  • (2)主梁 与柱、次梁之间连接螺栓不要过多,否则将 给施工带来很大麻烦。
    梁柱节点

    梁柱节点

  • (3)抗风柱与钢梁的连接尽量采用弹簧板连接,因为中间跨的梁 安装后下挠比较大,山墙的梁若用螺栓与抗风柱连接,会造成屋面不平。
  • (4)屋面檩条布置图和钢梁的详图要认真核对,常发现屋 面檩条布置图与钢梁详图檩条数量不符。
  • (5)多层钢结构厂房楼梯踏步设计不合理, 钢梯与钢梁连接,钢梁上还有混凝土楼板, 导致最后一个踏步过高,影响使用。
  • (6)高 强螺栓的位置要合理,要考虑扭断器及扭矩 扳手的旌工空间,不要因为安装空间太小, 扭断器及扭矩扳手无法使用,导致高强螺栓 梅花头无法拧断或高强螺栓无法拧紧。
  • (7) 主厂房采用通长条形窗时,檩托板加劲肋不 要朝向窗口方向,否则将导致条形窗无法通 过。

四、推荐书籍

  • 沈祖炎, 陈扬骥, 陈以一. 钢结构基本原理.第2版[M]. 中国建筑工业出版社, 2005.
  • 《轻型钢结构设计指南》委员会. 轻型钢结构设计指南:实例与图集-第2版[M]. 中国建筑工业出版社, 2005.
  • 《钢结构设计手册》委员会. 钢结构设计手册.上册[M]. 中国建筑工业出版社, 2004.
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邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer

建筑一网(www.jianzhu1.com)是一群同济大学毕业建筑和土木相关专业毕业的研究生和博士组成的技术团体。我们自2011年始即开始从事结构设计和研究工作, 积累了大量的研究成果和创新技术,并整理了对中国规范、FIDIC合同、欧洲规范和美国规范的总结笔记。此外, 团队还在结构产品领域有所研究,并推出了超薄夹层、板桁架、无檩网架、装配式厂房和装配式酒店等相关装配式产品。

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