判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)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(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點相一致的。

結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該被強調(diào)的是“概念設(shè)計”,它在結(jié)構(gòu)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(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設(shè)計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。運用概念設(shè)計可以在早期迅速、有效地進行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。（無論結(jié)構(gòu)軟件如何強大，扎實的結(jié)構(gòu)概念和力學(xué)分析，及可靠的手算能力，才是過硬的素質(zhì)。）

鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面(木行)架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。

其理論與技術(shù)大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實用的設(shè)計方法，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。結(jié)構(gòu)選型時，應(yīng)考慮它們不同的特點。在輕鋼工業(yè)廠房中，當(dāng)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(wǎng)架。屋面上雪壓大的地區(qū)，屋面曲線應(yīng)有利于積雪滑落（切線50度內(nèi)需考慮雪載），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼?？傃┹d釋放近一半。降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節(jié)點剛接的框架有更好的經(jīng)濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)體系。高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應(yīng)單純?yōu)榱私?jīng)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(jié)構(gòu)體系。我國半數(shù)以上的此類高層為前者。對抗震不利。（把受力單元盡可能的向結(jié)構(gòu)外圍布置，是充分利用材料性能的關(guān)鍵，就像中空的竹子一樣，所以外強內(nèi)弱很重要。）

結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征,荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮。一般的說要剛度均勻。力學(xué)模型清晰。盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ)。柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻。其形心要盡量靠近側(cè)向力(風(fēng)震)的作用線。否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線。比如有支撐框架結(jié)構(gòu),柱子至少應(yīng)能單獨承受1/4的總水平力。

框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置,有時可以調(diào)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。

預(yù)估截面

結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對構(gòu)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(jù)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(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。

柱截面按長細(xì)比預(yù)估。通常50<λ<150,簡單選擇值在100附近。根據(jù)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(xué)者需注意，對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，規(guī)范中對截面的構(gòu)造要求有很大的不同。如鋼結(jié)構(gòu)所特有的組成構(gòu)件的板件的局部穩(wěn)定問題。在普鋼規(guī)范和輕鋼規(guī)范中的限值有很大的區(qū)別。

除此之外，構(gòu)件截面形式的選擇沒有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟美觀的截面。

結(jié)構(gòu)分析

目前鋼結(jié)構(gòu)實際設(shè)計中,結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)提供了條件。并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件:

典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形。

簡單結(jié)構(gòu)通過手算進行分析。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運行程序并做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

工程判定

要正確使用結(jié)構(gòu)軟件，還應(yīng)對其輸出結(jié)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(jù)“工程判定”選擇修改模型重新分析,還是修正計算結(jié)果。

不同的軟件會有不同的適用條件。初學(xué)者應(yīng)充分明了。此外,工程設(shè)計中的計算和精確的力學(xué)計算本身常有一定距離, 為了獲得實用的設(shè)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(gòu)造"的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中,“適用條件、概念及構(gòu)造”是比定量計算更重要的內(nèi)容。

工程師們不應(yīng)該過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件。美國一位學(xué)者曾警告說：“誤用計算機造成結(jié)構(gòu)破壞而引起災(zāi)難只是一個時間的問題。”

注重概念設(shè)計和工程判定是避免這種工程災(zāi)難的方法。

構(gòu)件設(shè)計

構(gòu)件的設(shè)計首先是材料的選擇。比較常用的是Q235和Q345。通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟考慮,也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。當(dāng)強度起控制作用時,可選擇Q345; 穩(wěn)定控制時,宜使用Q235。

構(gòu)件設(shè)計中,現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配。

當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件,都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進步,一些軟件可以將驗算時不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級。并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。但是，初學(xué)者至少應(yīng)注意兩點：

1、軟件在做構(gòu)件(主要是柱)的截面驗算時,計算長度系數(shù)的取定有時會不符合規(guī)范的規(guī)定。目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以,尤其對于節(jié)點連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件,結(jié)構(gòu)師應(yīng)該逐個檢查。

2、當(dāng)上面第(三)條中預(yù)估的截面不滿足時，加大截面應(yīng)該分兩種情況區(qū)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(yīng)加大板件厚度，而應(yīng)考慮加大截面的高度，否則，會很不經(jīng)濟。

使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設(shè)計功能，很難考慮上述強度與剛度的區(qū)分，實際上，常常并不合適。

節(jié)點設(shè)計

連接節(jié)點的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前,就應(yīng)該對節(jié)點的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是,最終設(shè)計的節(jié)點與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致,這必須避免。按傳力特性不同,節(jié)點分剛接,鉸接和半剛接。初學(xué)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(jié)點做法及計算公式。

連接的不同對結(jié)構(gòu)影響甚大。比如,有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒有問題,但會產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動, 不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定。會導(dǎo)致實際工程變形大于計算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果。

連接節(jié)點有等強設(shè)計和實際受力設(shè)計兩種常用的方法, 初學(xué)者可偏安全選用前者。設(shè)計手冊中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)計者查用,比較方便。也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來自動完成。

具體設(shè)計主要包括以下內(nèi)容:

1、焊接: 對焊接焊縫的尺寸及形式等,規(guī)范有強制規(guī)定,應(yīng)嚴(yán)格遵守。焊條的選用應(yīng)和被連接 金屬材質(zhì)適應(yīng)。E43對應(yīng)Q235,E50對應(yīng)Q345。Q235與Q345連接時,應(yīng)該選擇低強度的E43,而不是E50。

焊接設(shè)計中不得任意加大焊縫。焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近。其他詳細(xì)內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定。

2、栓接:

鉚接形式,在建筑工程中，現(xiàn)已很少采用。

普通螺栓抗剪性能差, 可在次要結(jié)構(gòu)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(jù)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(guī)格m12。常用m16～m30。超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定,設(shè)計中應(yīng)慎重使用。

自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。國外在低層墻板式住宅中,也常用于主結(jié)構(gòu)的連接。

3、連接板: 可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm。然后驗算凈截面抗剪等。

4、梁腹板: 應(yīng)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(jié)點設(shè)計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運到現(xiàn)場無法安裝是初學(xué)者長犯的錯誤。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。

6、節(jié)點設(shè)計還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口需要數(shù)控機床等設(shè)備才能完成。