詳細解說鋼結構設計步驟和設計思路
發布時間:2014-07-15
(一) 判斷結構是否適合用鋼結構
鋼結構通常用於高層、大跨度、體型複雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。直觀的說:大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建築等。這是和鋼結構自身的特點相一致的。【詳細說明塑鋼門窗五金配件保養法則】
(二) 結構選型與結構布置
此處僅簡單介紹. 詳請參考相關專業書籍.由於結構選型涉及廣泛,做結構選型及布置應該在經驗豐富的工程師指導下進行。 在
鋼結構設計的整個過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範未規定的問題,可依據從整體結構體係與分體係之間的力學關係、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想,從全局的角度來確定控製結構的布置及細部措施。 運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易於手算、概念清晰、定性正確,並可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時,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《結構概念和體係》一書中介紹了用整體概念來規劃結構方案的方法,以及結構總體係和個分體係間的相互力學關係和簡化近似設計方法。[20]
鋼結構通常有框架、平麵(木行)架、網架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。 其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實用的設計方法,比如網殼的穩定等。 結jie構gou選xuan型xing時shi,應ying考kao慮lv它ta們men不bu同tong的de特te點dian。在zai輕qing鋼gang工gong業ye廠chang房fang中zhong,當dang有you較jiao大da懸xuan掛gua荷he載zai或huo移yi動dong荷he載zai,就jiu可ke考kao慮lv放fang棄qi門men式shi剛gang架jia而er采cai用yong網wang架jia。基ji本ben雪xue壓ya大da的de地di區qu,屋wu麵mian曲qu線xian應ying有you利li於yu積ji雪xue滑hua落luo(切線50度內需考慮雪載 ),如(ru)亞(ya)東(dong)水(shui)泥(ni)廠(chang)石(shi)灰(hui)石(shi)倉(cang)棚(peng)采(cai)用(yong)三(san)心(xin)圓(yuan)網(wang)殼(ke)。總(zong)雪(xue)載(zai)釋(shi)放(fang)近(jin)一(yi)半(ban)。降(jiang)雨(yu)量(liang)大(da)的(de)地(di)區(qu)相(xiang)似(si)考(kao)慮(lv)。建(jian)築(zhu)允(yun)許(xu)時(shi),在(zai)框(kuang)架(jia)中(zhong)布(bu)置(zhi)支(zhi)撐(cheng)會(hui)比(bi)簡(jian)單(dan)的(de)節(jie)點(dian)剛(gang)接(jie)的(de)框(kuang)架(jia)有(you)更(geng)好(hao)的(de)經(jing)濟(ji)性(xing)。而(er)屋(wu)麵(mian)覆(fu)蓋(gai)跨(kua)度(du)較(jiao)大(da)的(de)建(jian)築(zhu)中(zhong),可(ke)選(xuan)擇(ze)構(gou)件(jian)受(shou)拉(la)為(wei)主(zhu)的(de)懸(xuan)索(suo)或(huo)索(suo)膜(mo)結(jie)構(gou)體(ti)係(xi)。高(gao)層(ceng)
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,不應單純為了經濟去選擇不利
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係。我國半數以上的此類高層為前者。對
抗震不利。[19]
結構的布置要根據體係特征,荷載分布情況及性質等綜合考慮.一般的說要剛度均勻.力學模型清晰.盡可能限製大荷載或移動荷載的影響範圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎. 柱間抗側支撐的分布應均勻.其形心要盡量靠近側向力(風震)的作用線. 否則應考慮結構的扭轉. 結構的抗側應有多道防線. 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. 框架結構的樓層平麵次梁的布置,有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截麵沿短向布置次梁,但是這會使主梁截麵加大,減少了樓層淨高,頂層邊柱也有時會吃不消,此時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) 預估截麵
結構布置結束後,需對構件截麵作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷麵形狀與尺寸的假定。 鋼梁可選擇槽鋼、軋製或焊接H型鋼截麵等。根據荷載與支座情況,其截麵高度通常在跨度的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,可回避鋼梁的整體穩定的複雜計算,這種方法很受歡迎。 確定了截麵高度和翼緣寬度後,其板件厚度可按規範中局部穩定的構造規定預估。 柱截麵按長細比預估. 通常50<λ<150, 簡單選擇值在100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型鋼截麵等. 初學者需注意,對應不同的結構,規範中對截麵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題。在普鋼規範和輕鋼規範中的限值有很大的區別。 除此之外,構件截麵形式的選擇沒有固定的要求,結構工程師應該根據構件的受力情況,合理的選擇安全經濟美觀的截麵。
(四) 結構分析
目前鋼結構實際設計中,結構分析通常為線彈性分析,條件允許時考慮P-Δ,p-δ. 新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及
鋼材的彈塑性能.這為更精確的分析結構提供了條件。並不是所有的結構都需要使用軟件: 典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形. 簡單結構通過手算進行分析. 複雜結構才需要建模運行程序並做詳細的結構分析.
(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.
不同的軟件會有不同的適用條件.初學者應充分明了.此外,工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離, 為了獲得實用的設計方法,有時會用誤差較大的假定, 但對這種誤差, 會通過"適用條件、概念及構造"的方式來保證結構的安全.
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. 工程師們不應該過分信任與依賴結構軟件.美國一位學者曾警告說:“誤用計算機造成結構破壞而引起災難隻是一個時間的問題。” 注重概念設計和工程判定是避免這種工程災難的方法.
(六) 構件設計
構件的設計首先是材料的選擇. 比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn). 通常主結構使用單一鋼種以便於工程管理. 經濟考慮,也可以選擇不同強度
鋼材的組合截麵. 當強度起控製作用時,可選擇Q345; 穩定控製時,宜使用Q235. 構件設計中,現行規範使用的是彈塑性的方法來驗算截麵.這和結構內力計算的彈性方法並不匹配.