鋼結構工程的設計思路？
鋼結構通常用於高層、大跨度、體型復雜、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壹致的。
(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. 對壹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系與分體系之間的力學關系、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制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。
鋼結構通常有框架、平面(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。
結構選型時,應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業廠房中,當有較大懸掛荷載或移動荷載,就可考慮放棄門式剛架而采用網架。基本雪壓大的地區,屋面曲線應有利於積雪滑落(切線50度內需考慮雪載 ),如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網殼。總雪載釋放近壹半。降雨量大的地區相似考慮。建築允許時,在框架中布置支撐會比簡單的節點剛接的框架有更好的經濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建築中,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系。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系特征,荷載分布情況及性質等綜合考慮.壹般的說要剛度均勻.力學模型清晰.盡可能限制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.
框架結構的樓層平面次梁的布置,有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁,但是這會使主梁截面加大,減少了樓層凈高,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) 預估截面
結構布置結束後,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,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後,其板件厚度可按規範中局部穩定的構造規定預估。
柱截面按長細比預估. 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型鋼截面等.
初學者需註意,對應不同的結構,規範中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,構件截面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面。
(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.
新近的壹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.
復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壹定距離, 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.美國壹位學者曾警告說:“誤用計算機造成結構破壞而引起災難只是壹個時間的問題。”
註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). 通常主結構使用單壹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面. 當強度起控制作用時,可選擇Q345; 穩定控制時,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面.這和結構內力計算的彈性方法並不匹配.
當前的結構軟件,都提供截面驗算的後處理功能。由於程序技術的進步,壹些軟件可以將驗算時不通過的構件,從給定的截面庫裏選擇加大壹級.並自動重新分析驗算,直至通過,如sap2000等。這是常說的截面優化設計功能之壹。它減少了結構師的很多工作量。 但是,初學鋼至少應註意兩點:
1.軟件在做構件(主要是柱)的截面驗算時,計算長度系數的取定有時會不符合規範的規定.目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以,尤其對於節點連接情況復雜或變截面的構件,結構師應該逐個檢查.
2.當上面第(三)條中預估的截面不滿足時,加大截面應該分兩種情況區別對待。
(1) 強度不滿足,通常加大組成截面的板件厚度,其中,抗彎不滿足加大翼緣厚度,抗剪不滿足加大腹板厚度。
(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,會很不經濟。
使用軟件的前述自動加大截面的優化設計功能,很難考慮上述強度與剛度的區分,實際上,常常並不合適。
(七) 節點設計
連接節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之壹.在結構分析前,就應該對節點的形式有充分思考與確定.常常出現的壹種情況是,最終設計的節點與結構分析模型中使用的形式不完全壹致,這必須避免. 按傳力特性不同,節點分剛接,鉸接和半剛接. 初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者.常用的參考書[2]有豐富的推薦的節點做法及計算公式.
連接的不同對結構影響甚大.比如,有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題,但會產生較大轉動, 不符合結構分析中的假定. 會導致實際工程變形大於計算數據等的不利結果.
連接節點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法, 初學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後處理部分來自動完成.
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,規範有強制規定,應嚴格遵守. 焊條的選用應和被連接金屬材質適應.E43對應Q235,E50對應Q345. Q235與Q345連接時,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範關於焊縫構造方面的規定.
2.栓接:
鉚接形式,在建築工程中,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兩個強度等級.根據受力特點分承壓型和摩擦型.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,設計中應慎重使用。
自攻螺絲用於板材與薄壁型鋼間的次要連接. 國外在低層墻板式住宅中,也常用於主結構的連接.
3.連接板: 可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm. 然後驗算凈截面抗剪等.
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.節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外,還應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。
6.節點設計還應考慮制造廠的工藝水平. 比如鋼管連接節點的相貫線的切口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,設計圖為設計單位提供,施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據設計圖編制,有時也會由設計單位代為編制。由於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,對於設計依據、荷載資料(包括地震作用)、技術數據、材料選用及材質要求、設計要求(包括制造和安裝、焊縫質量檢驗的等級、塗裝及運輸等)、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節點構造等均應表示清楚,以利於施工詳圖的順利編制,並能正確體現設計的意圖。主要材料應列表表示。
2.施工詳圖:又稱加工圖或放樣圖等.深度須能滿足車間直接制造加工.不完全相同的另構件單元須單獨繪制表達,並應附有詳盡的材料表.
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