浅谈钢结构设计特点

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　　摘 要：钢结构是指以钢材为主要材料制作成受力建筑构件的建筑结构体系，钢结构体系有多种形式，用于建筑结构的主要包括钢框排） 架体系、 钢支撑框架体系、 钢框架－混凝土剪力墙体系、 主体桁架体系、 巨型结构加支结构体系、 网壳结构体系等。
　　关键词： 设计 特点 技术 钢结构
　　伴随着科学技术尤其是冶金技术的进步，更多的新型建筑材料和高强耐候建筑用钢材品种的出现， 规格化、 工厂化的制作使钢结构在建筑结构中越来越被广泛利用，如新建的大部分厂房均采用门式刚架或普钢排架，大量的商场、 超市采用钢框型结构，大跨度、大空间建筑更是绝大多数采用钢结构网架或空间桁型，而钢混结构更多的
　　应用在高层及超高层建筑当中。钢结构无可置疑地成为了二十一世纪建筑结构的总体趋势。同时， 钢结构基础理论研究和钢结构工程设计得到快速发展。 许多国家相关钢结构方面的规范、 规程的制定和完善都是根据钢结构在建筑结构中的实际应用。国家先后颁布了钢结构 设 计 规 范 （GB50017-2003） 、 冷 弯 薄 壁 型 钢 结 构 技术 规 范(GB50018-2002） 。高层民用建筑钢结构技术规程 （JGJ99-98） 等一批指导钢结构设计的规程规范对我国钢结构事业的健康快速发展起到
　　了发挥了巨大的作用。
　　二、 钢结构设计中的规定
　　1 、钢结构设计制图的一般规定
　　钢结构设计制图分为钢结构设计图和钢结构施工详图两个阶段。 钢结构设计图由具有设计资质的设计单位完成， 设计图的内容和深度应满足编制钢结构施工图的要求： 钢结构施工详图 （即钢结构加工制作图） 一般由具有钢结构专项设计资质的加工制作单位完成， 也可由具有该资质的其他单位完成。若设计合同未指明要求设计钢结
　　构施工详图， 则钢结构设计内容仅为钢结构设计图。
　　1.1 钢结构设计图
　　（1）设计说明的内容： 设计依据、 荷载资料、 资料项目类别、 工程概况、 所用钢材牌号和质量等级 （必要时提出物理、 力学性能和化学成分要求） 及连接件 （含焊接材料） 的型号、 规格、 焊缝质量等级、 端面刨平顶紧部位、 除锈等级、 防腐及防火措施、施工中应遵循的施工规范和注意事项。必要时设计说明还应包括： 设计 0.000 标高所对应的绝对标高值、 图纸中标高及尺寸的单位、 结构的安全等级和设计使用年限、 抗震设防类别、 抗震设防烈度 （设计基本地震加速度及设计地震分组） 。
　　（2）钢柱脚平面布置图及详图应表达钢柱脚与下部混凝土构件（或其它结构构件） 的连接构造详图。必要时应绘制钢柱脚锚栓平面布置图或钢柱脚基础平面布置图。
　　（3） 结构平面 （包含各层楼面、 屋面） 布置图应注明定位关系、 标高、 构件 （可用单线条绘制） 的位置及编号、 节点详图索引号等； 必要时应绘制檩条、 墙梁等布置图和关键剖面图； 空间网架应绘制上、 下弦杆布置图和关键剖面图。
　　（4） 构件与节点详图简单的钢梁、柱可用统一详图和列表法表示，注明构件钢材牌号、 尺寸、 规格、 加劲肋做法， 连接节点详图，施工、 安装要求；格构式梁、 柱、 支撑应绘制平面、 剖面 （必要时加绘立面） 、 定位尺寸、 总尺寸、分尺寸、 注明单个构件型号、 规格， 组装节点和其他构件连接详图。
　　1.2 钢结构施工详图
　　根据钢结构设计图编制组成结构构件的每个零件的放大图， 标准细部尺寸、 材质要求、 加工精度、 施工工艺流程要求、 焊接质量等级等， 宜对零件进行编号； 并考虑运输和安装能力确定构件的分段和拼装节点。
　　1.3 钢结构计算书 （内部归档） 的一般规定（1） 采用手算的结构计算书， 应给出构件平面布置简图和计算简图；结构计算书内容宜完整、 清楚， 计算步骤要条理分明， 引用数据有可靠依据， 采用计算图表及不常用的计算公式应注明来源出处， 构件编号、 计算结果应与图纸一致。
　　（2） 当采用计算机程序计算时， 应在计算书中注明所采用的计算程序名称、代号、 版本及编制单位， 计算程序必须经过有效审定（或鉴定） ， 电算结果应经分析认可； 总体输入信息、 计算模型、 几何简图、 荷
　　载简图和结果输出应整理成册。
　　（3） 采用结构标准图或重复利用图时， 宜根据图集的说明并结合具体工程进行必要的核算工作， 且应作为钢结构计算书的内容。
　　（4） 所有计算书应校审， 并由设计、 校对、 审核人在计算书封面上签字， 作为技术文件归档。
　　1.4 对钢结构设计制图的几点建议
　　（1） 钢结构设计制图的图面表达，一般分为三个层次：结构平面布置图、 结构剖面图、 构件与节点详图。结构平面布置图主要表达钢结构构件的平面布置，内容包括钢结构构件的平面定位关系、 钢结构构件的截面及内力 （构件的内力兼有指导连接设计的功能） 等； 对于较复杂的钢结构， 结构平面布置图宜配置构件截面与内力表， 并对构件进行编号， 构件截面及内力等内
　　容在构件截面与内力表中表达，而结构平面布置图表达结构构件的平面定位关系、 结构构件的编号等。结构剖面图主要表达钢结构构件的截面及内力（或构件编号） 等。构件与节点详图主要表达构件间的详细连接构造。结构平面布置图、 剖面图是写意性的， 以明确地表达出结构构件的布置、 定位关系、 标高等信息为原则；结构构件的定位尺寸应根据构件的主次分层次给出， 对重要设备的定位尺寸宜单独给出， 构件可以用单线条 （一般是粗线条） 表示。 节点图是写实性的，是构件之间连接构造（或钢结构构件与下部混凝土构件等的连续构造）的详细表达， 应真实地表现出结构构件连接构造的实际情况， 构件应按比例形象地绘制。对于柱脚形式较多的情况，有必要给出柱脚锚栓平面布置图或钢柱脚基础平面布置图。
　　（2）平面布置图、 剖面图、 节点图三个层次的图面表达的环境 （如定位尺寸关系、 标高等） 应保持一致， 就像从不同的视角和远近去观察事务一样；节点图应根据平面布置图、 剖面图给出定位尺寸关系、标高等， 节点图本身的其他详细尺寸应另加辅助尺寸加以表达。
　　（3） 节点图的选择 （或索引） 应具有明确性、代表性和指导性。 钢结构构件与其它结构 （如下部混凝土构件等） 的连续构造， 应由节点图明确详尽地给定； 钢结构构件之间连接构造的节点图， 应能代表性地表现出同类连接构造在， 能对钢结构施工详图的编制具有指导作用， 并能确定施工详图的细部尺寸。节点图宜集中给出， 节点应按顺序编号。
　　三、 钢结构的特点及钢结构设计应考虑的因素
　　3.1 钢结构的特点
　　（1） 建筑钢材材质均匀， 是理想的弹塑性材料。钢结构的实际受力状态和工程力学计算的结果比较符合，因此钢结构可以进行可靠地优化设计。
　　（2） 建筑材质强度高， 钢结构重量轻。因此钢结构构件可以在工厂制作， 不受现场条件的制约， 条件具备时可方便地到现场安装。同时建筑钢材强度高， 钢结构重量轻， 使钢结构的适应性强， 可以建造
　　高层或大跨度等建筑。
　　（3） 建筑钢材塑性和韧性好。因此钢结构设计应合理地利用钢材的塑性和韧性， 使钢结构具有优良的抗震性能和抗疲劳性能。
　　（4） 钢结构的耐腐蚀性差。因此钢结构必须进行防护，一般的防护措施是在钢结构表面涂刷防腐涂料。在涂刷涂料之前， 钢结构表面应彻底除锈。 除锈质量的好坏直接影响钢结构的防腐效果，因此除锈等级的确定要合适。

　　（5） 钢结构不耐火。因此受高温辐射的钢结构必须进行防护， 采取隔热措施； 对有防火要求的钢结构， 应按规定采取防火措施。只有认识和理解钢结构的特点， 才能在设计中充分发挥其优点，克服其缺点。 单纯地认为只要是钢结构， 就是可靠的、 性能优良的， 这样的观点是片面的。
　　3.2 钢结构设计注意事项
　　3.2.1 钢结构设计应考虑的具体因素
　　（1） 在保证结构安全可靠的前提下，实行功能兼并， 即一个构件同时承担多种功能， 考虑结构的空间作用。 例如可由屋面檩条兼屋面支撑的系杆， 利用屋面檩条作为屋架下弦隅撑的支承梁等。
　　（2） 充分利用钢材的强度潜力。宜尽量多采用受拉杆件、 少采用受压杆件的结构， 并尽量减小受压杆件的计算长度。对轻型结构可考虑采用薄壁杆件结构， 例如天窗架、 轻型屋架可考虑采用薄壁方钢管结构等。
　　（3） 避免形成应力集中现象。在低温条件下工作的结构或直接承受力荷载作用的结构，对应力集中的不利影响十分敏感， 往往是引起脆性破坏的根源。故在设计中应采取相应的措施以减小应力集中现象。如可采用性能优良的钢材， 避免截面的突然改变 （截面改变处设过渡段或采取加强构造措施， 不能仅由静力计算决定） ， 避免出现不规则的槽孔、 凹角 （转角处由圆弧过渡） 等。
　　（4） 树立等强设计的概念。 组成结构的各杆件 （或构件） 及其连接的承载能力应与整个结构的承载能力相适应， 避免出现薄弱环节。
　　（5） 对管开截面应进行封闭， 使其内部避免锈蚀， 并增加其局部刚度。
　　3.2.2 钢结构设计应考虑施工的因素
　　钢结构设计是一个综合的过程，而施工是设计产品实现的最终环节， 设计应考虑施工的因素。 特别是要考虑到钢结构工程的现场安装工作量在， 现场安装质量的好坏直接影响设计产品的质量。
　　（1） 确定结构形式时， 应考虑制造的方便和可能性， 采用便于连接而可靠的结构形式。结构的安装连接应采用传力可靠、 制作方便、连接简单、 易于固定、 便于调整的构造形式。
　　（2） 尽量减少构件编号和材料规格品种， 便于材料订货和组织生产，同时增加材料的利用率。
　　（3） 在有利于受力的前提下， 连接板的形状要规格， 便于切割。
　　（4） 尽量不出现热加工件。热加工件费工， 且热加工使钢材性能受损、 加工质量较难控制。
　　（5） 合理地布置焊缝。焊缝的布置尽可能对称于构件重心， 使其受力合理， 减少焊接变形和焊接应力； 现场焊缝的布置要便于构件安装、 便于焊缝施焊、 便于质量检查； 避免焊缝的立体交叉和在一处集中大量焊缝。对于角钢截面， 角钢肢尖应采用与其肢背不同的焊脚尺寸。
　　（6） 要满足制造操作的极限要求。
　　（7）安装连接采用焊接时，应先用安装螺栓将构件固定而后焊接， 便于安装、同时有利于夹紧以保证焊接质量。一个节点的安装螺栓 （孔） 不宜少于两个 （一个孔用于安装纤， 一个孔用于安装螺栓） 。
　　（8） 在保证连接安全可靠的前提下， 采用较小的焊脚尺寸和较长
　　的焊缝长度，以减少焊缝的体积量。
　　（9） 对受力较大的柱， 端部宜采用刨平顶紧的构造，以减少柱脚
　　焊缝的焊脚尺寸。
　　（10） 利用支托传递反力的构件， 支托板的厚度应留有富裕量，以
　　防偏离 （构件间可留有空隙） 。
　　（11） 支撑的布置应能保证安装时构件之间的稳定性， 否则应在设计文件中规定安装时设置必要的临时支撑。
　　3.2.3 钢结构设计应考虑钢结构节点构造设计的因素节点构造设计在钢结构设计中占有非常重要的地位。有些观点认为钢结构设计就是内力计算加节点连接构造， 这说明了节点构造设计的重要性。钢结构是由成品钢材 （板材或型材） 制造的，而钢材本身
　　的质量是有保证的， 这样钢结构的质量很大程度上决定于节点连接的质量。节点连接设计要构造简单、 受力明确、 传力可靠、 易于实现。节点构造设计的原则是节点的破坏不应先于构件的破坏。节点破坏的形式有： 连接件 （含连接焊缝、 连接螺栓等） 的破坏、 节点板的破坏 （含强度破坏、 失稳） 等形式。节点的破坏往往是脆断性的， 这是在设计中应尽力避免的。设计文件中规定“应按构件的内力增加10%进行节点连接设计” 、 “对于内力较小的构件其连接焊缝长度不小于 120mm”等内容都粗略地反映这一设计原则。正确地贯彻这一设计原则的方法是： 根据构件的实际承载能力（而不是根据其计算内力） 来确定其连接设计。
　　设计中应避免任意加大杆 （或单体构件） 的截面。认为只要杆件有足够的强度， 结构就有足够的可靠度， 这样的观点是片面的，有时是危险的。 评价一个结构的可靠度，要全面考察组成该结构的各个环节。 设计中往往对结构计算和构件截面选择关注得多， 而对节点构造（特别是柱脚构造及其连结计算）设计关注得少。
　　总之， 钢结构的设计过程是一个综合过程，要把钢结构视为有生命的体系 （有序号的结构、 精确的联系、 协调的配合、 完美的功能） ， 从构思、 建模、 构造、 计算、制造、 安装、 维护各个环节把握其本质问题，根据工程的具体行独立、 创造性的设计； 在设计的各个环节贯彻国家的技术经济政策， 做到技术先进、 经济合理、 安全适用、 确保质量； 在设计文件中准确、 形象地表现设计意图。
　　

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