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钢结构设计的八大要点

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钢结构设计的简单步骤与设计思路

(1)判断结构是否适合钢结构

钢结构通常用于高层、大跨度、形状复杂、荷载或吊车起重量大、振动较大、高温车间、密封要求高、要求可移动或经常拆装的结构。直观地说:建筑物、体育馆、歌剧院、桥梁、电视塔、谷仓、工厂、住宅楼和临时建筑。这与钢结构本身的特点是一致的。

(2)结构选型及布置

这里有一个简短的介绍。详情请参阅相关专业书籍。由于结构选型涉及面广,结构选型和布置应在有经验的工程师指导下进行。

在钢结构设计的全过程中,应重视概念设计,这在结构选型和布置阶段尤为重要。对于一些难以进行精确合理分析或规范未作规定的问题,可根据整体之间的力学关系得出的设计思路,从整体上确定控制结构的布置和具体措施结构体系及其子系统、破坏机理、震害、试验现象和工程经验。概念设计可以在早期快速有效地进行构思、比较和选择。所得结构方案易于手工计算,概念清晰,质量正确,避免了结构分析阶段不必要的繁琐计算。同时也是判断计算机内力分析输出数据是否可靠的主要依据。无论结构软件多么强大,坚实的结构概念和力学分析,以及可靠的手工计算能力,都是优秀的品质。

钢结构通常有框架、平(木)架、格(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构形式。

其理论和技术大多比较成熟。还有一些问题尚未解决,或者没有简单实用的设计方法,如网壳的稳定性。

在选择结构时,应考虑它们的不同特点。在轻钢工业厂房中,当有较大的悬挂荷载或移动荷载时,可考虑放弃门式刚架,采用网架结构。屋面曲线应利于降雪(切线50度国内需考虑雪荷载),如灰岩混凝土大棚采用三心网壳。几乎一半的积雪被释放。对降雨量大的地区也有类似的考虑。当建筑物允许时,框架中的支撑比简单的连接框架更经济。在屋面覆盖跨度较大的建筑物中,可选用带受拉构件的悬索或索膜结构体系。在高层钢结构设计中,常采用钢-混凝土组合结构。在地震烈度较高或地震烈度不规则的高层建筑中,不宜简单地选择不利于抗震的核心筒和外框形式。建议选择周边巨型型钢混凝土柱,其核心是支撑框架结构体系。前者是中国此类高层建筑的一半以上。这不利于抗震。(充分利用材料性能的关键是尽量将应力单元布置在结构的外部,就像空心竹一样,所以外部的强度和内部的薄弱环节非常重要。)

结构的布置应根据系统的特点、荷载分布和性能综合考虑。一般来说,刚度应该是均匀的。机械模型很清楚。尽量限制大荷载或动荷载的影响范围,使其能以最直接的直线传递到地基。柱间横向支撑的分布应均匀。形状中心应尽可能靠近侧向力作用线(风致地震)。否则,应考虑结构的扭转。结构的反面应该有多道防线。例如,对于支撑框架结构,柱应能够单独承受总水平力的至少四分之一。

(3)预测断面

结构布置完成后,对构件截面进行初步估算。主要是对梁、柱和支座的截面形状和尺寸的假定。

钢梁可以由槽钢、轧制或焊接的H型钢等制成,根据荷载和承载条件,截面高度通常选择在跨度的1/20-1/50之间。根据梁间横向支撑间距的L/B限值确定翼缘宽度,可避免钢梁整体稳定性的复杂计算。这种方法很流行。在确定截面高度和翼缘宽度后,可根据规范中局部稳定结构的规定预测板厚。

柱的截面由长细比预测。通常50<lambda<150,简单选择值在100左右。根据轴压的不同,可选择双向弯曲或单向弯曲,也可选择钢管或H型钢。

初学者应该注意的是,对于不同的结构,代码中的横截面构造要求是完全不同的。例如,钢板作为钢结构的一种特殊构件,其局部稳定性问题。浦钢规范和轻钢规范的限值有很大的差别。

此外,对截面形式的选择也没有固定的要求。结构工程师应根据构件受力情况,合理选择安全、经济、美观的截面。

(4)结构分析

目前,在钢结构的实际设计中,结构分析通常是线弹性分析。在条件允许的情况下,考虑P-_和P-_。

目前一些有限元软件可以部分考虑钢的几何非线性和弹塑性。这为更精确地分析结构提供了条件。并非所有结构都需要软件:

典型的结构可以通过参考机械手册等参考书直接获得。

通过手工计算分析了该结构的简单性。

复杂结构需要进行详细的建模和分析。

(5)工程判断

为了正确使用结构软件,还应对其输出结果进行“工程判断”。例如,评价循环、总剪力、变形特性等。根据“工程判断”,选择修正模型进行再分析或修正计算结果。

不同的软件有不同的应用条件。初学者应该有充分的意识。另外,工程设计中的计算与精确的力学计算往往有一定的距离。为了获得实用的设计方法,有时采用大误差假设,但对于这种误差,将采用“适用条件、概念和结构”来保证结构的安全性。在钢结构设计中,“适用条件、概念和结构”比定量计算更为重要。

工程师不应该过于信任和依赖结构化软件。一位美国学者曾警告说,“滥用电脑造成结构破坏,引发灾难只是时间问题。”

注重概念设计和工程判断是避免此类工程灾害的途径。

(6)部件设计

构件设计首先是材料的选择。通常使用q235(类似于a3)和q345(类似于16mn)。为了便于工程管理,通常在主体结构中采用单一钢种。为了经济考虑,还可以选择不同强度的钢的组合截面。当强度起控制作用时,可选用Q345,当稳定性受到控制时,可选用Q235。

在构件设计中,现行规范采用弹塑性法对截面进行验算。这与结构内力计算的弹性方法不匹配。

现有的结构软件为截面检测提供了后处理功能。由于编程技术的进步,一些软件可以选择从给定的节库中增加无法通过检查计算的组件数量。并自动重新分析校核计算,直至通过,如SAP2000。这是截面优化设计的功能之一。它减少了架构师的大量工作量。不过,初学者至少要注意两点:

1。软件在检测构件(主要是柱)截面时,其有效长度系数的确定有时不符合规范。目前,所有的程序都不能完全解决这个问题。因此,特别是对于节点复杂或截面可变的构件,结构工程师应逐一进行检查。

2。当上述第(3)条预测的截面不满足要求时,应在两种情况下区别对待扩大的截面。

(1)强度不满足时,通常增加构件的截面厚度。其中弯曲不足以增加翼缘厚度,剪切不足以增加腹板厚度。

(2)当变形超过极限时,不应增加板厚,而应考虑截面高度,否则将非常不经济。

在软件中使用上述自动放大段优化设计功能时,很难考虑强度和刚度的区别。事实上,这通常是不合适的。

(7)节点设计

节点设计是钢结构设计的重要内容之一。在进行结构分析之前,应充分考虑和确定节点的形式。通常,节点的最终设计与结构分析模型中使用的形式不一致,这是必须避免的。根据不同的传动特性,将关节分为刚性关节、铰接关节和半刚性关节。初学者应该选择前两个可以简单定量分析的。常用的参考书[2]中有大量推荐的节点做法和计算公式。

不同的连接方式对结构有很大的影响。例如,一些刚性节点虽然承受弯矩没有问题,但会产生较大的转动,这与结构分析中的假设不符。实际工程变形大于计算值将导致不利的结果。

节点强度设计和实际受力设计有两种常用方法。初学者可以安全地选择前者。设计手册通常包含焊接和螺栓连接形式,供设计人员参考,这样更方便。也可以使用结构软件的后处理部分自动完成。

具体设计主要包括以下内容:

1。焊接:焊缝尺寸和形式有强制性规定,应严格遵守。焊条的选用应与连接金属的材质相适应。E43对应于Q235,E50对应于Q345。在连接q235和q345时,我们应该选择低强度的e43而不是e50。

焊接设计中不得任意扩大焊缝。焊缝的重心应尽可能接近连接部件的重心。其他细节见焊接结构规范。

2。抽薹:

铆接在建筑工程中应用较少。

普通螺栓抗剪性能差,可用于小型结构件。

高强度螺栓的应用越来越广泛。通常使用8.8S和10.9S强度等级。根据受力特点可分为压力型和摩擦型。这两种计算方法是不同的。高强度螺栓的最低规格为m12。常用M16-M30。超大规格螺栓性能不稳定,设计时应慎重使用。

钢板与薄壁型钢的二次连接采用自攻螺钉。在国外的低层墙板住宅中,也常用作主体结构的连接。

三。连接板:梁腹板的厚度可以简单地取为梁腹板厚度加上4 mm。然后对净截面进行抗剪验算。

4。梁腹板:应检查螺栓孔腹板的净截面抗剪强度。对于高强度螺栓连接,还应检查孔壁上的局部压力。

5。接头设计必须考虑螺栓安装、现场焊接和构件吊装顺序的施工空间。对于初学者来说,不能在现场安装组件是一个长期的错误。此外,工人应能尽可能容易地定位和临时固定。

6。接头设计还应考虑制造厂的技术水平。例如,钢管接头相贯线的切割需要数控机床等设备来完成。

(八)图纸编制

钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图为设计单位提供,施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制,有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾,有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。

1、设计图: 是提供制造厂编制施工详图的依据。深度及内容应完整但不冗余。在设计图中,对于设计依据、荷载资料(包括地震作用)、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求(包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等)、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚,以利于施工详图的顺利编制,并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。

2、施工详图:又称加工图或放样图等。深度须能满足车间直接制造加工。不完全相同的另构件单元须单独绘制表达,并应附有详尽的材料表。

设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制,目前比较混乱,各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书,并依据规范规定编


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