鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入門及簡易方法

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入門及簡易方法

【摘要】 給大家推薦一個用于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的資料。雖說不是大師的杰作，卻不遜于

大師的文章。大師的作品對于具有一定專業(yè)水平的人是很有用途的，而對

于初學(xué)者卻過于高深莫測。該資料特別適合剛從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人員。

【關(guān)鍵詞】 鋼結(jié)構(gòu)適用范圍及選型、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單步驟和設(shè)計(jì)思路

一、鋼結(jié)構(gòu)適用范圍及選型

1.鋼結(jié)構(gòu)適用的范圍

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：超高層建筑、體育館、歌劇

院、大橋、電視塔、工業(yè)廠房和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相一致的。

請參考相關(guān)專業(yè)書籍。由于結(jié)構(gòu)選型涉及廣泛，做結(jié)構(gòu)選型及布置應(yīng)該根據(jù)工程的具體

要求來進(jìn)行。

2.鋼結(jié)構(gòu)的選型

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個過程中，都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是"概念設(shè)計(jì)"，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(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)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(yùn)用概念設(shè)計(jì)可以在早期迅速、有效地進(jìn)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(yùn)算。同時，它也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

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(shí)用的設(shè)計(jì)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(diǎn)。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。基本雪壓大的地區(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），如采用三心圓網(wǎng)殼。總雪載釋放近一半。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(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)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。

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(dú)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。

3.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面選取

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(jì)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。在鋼結(jié)構(gòu)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(jì)美觀的截面。

二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單步驟和設(shè)計(jì)思路

1.設(shè)計(jì)計(jì)算的手段

目前鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)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(jìn)行分析。復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行程序并做詳細(xì)

的結(jié)構(gòu)分析。

2.計(jì)算結(jié)果的判定

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(jì)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(jì)中的計(jì)算和精確

的力學(xué)計(jì)算本身常有一定距離，為了獲得實(shí)用的設(shè)計(jì)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(jì)中，"適

用條件、概念及構(gòu)造"是比定量計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)和工程判定是避免這種工程災(zāi)難的方法。

3.判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層建筑、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：超高層公共建筑、大跨

度的公共建筑、橋梁、電視塔、倉棚、工業(yè)廠房和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相

一致的。

4.結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是"概念設(shè)計(jì)"，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(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)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(yùn)用概念設(shè)計(jì)可以在早期迅速、有效地進(jìn)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(yùn)算。同時，它也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

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(shí)用的設(shè)計(jì)方法，比如網(wǎng)

殼的穩(wěn)定等。

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。

5. 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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。

連接的不同對結(jié)構(gòu)影響甚大。比如，有的剛接節(jié)點(diǎn)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(shí)際工程變形大于計(jì)算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果。

連接節(jié)點(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計(jì)和實(shí)際受力設(shè)計(jì)兩種常用的方法，初學(xué)者可偏安全選用前者。鋼結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)手冊中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)計(jì)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(jì)主要包括以下內(nèi)容：

5.1焊接：對焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)范有強(qiáng)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(qiáng)度的E43，而不是E50.

焊接設(shè)計(jì)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。

5.2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(qiáng)螺栓，使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個強(qiáng)度等級。根據(jù)受力特點(diǎn)分承壓型

和摩擦型。兩者計(jì)算方法不同。高強(qiáng)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(jì)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。

5.3連接板：可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm.然后驗(yàn)算凈截面抗剪等。

5.4梁腹板：應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部

承壓。

5.5節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(yùn)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(jìn)行現(xiàn)場定位與臨時

固定。

5.6節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節(jié)點(diǎn)的相貫線的切口需要數(shù)控

機(jī)床等設(shè)備才能完成。

6.構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟(jì)考慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面。

當(dāng)強(qiáng)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(jì)中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗(yàn)算截面。這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)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(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些軟件可以

將驗(yàn)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(yàn)算，直至通過，

如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。但是，

初學(xué)鋼至少應(yīng)注意兩點(diǎn)：

6.1軟件在做構(gòu)件（主要是柱）的截面驗(yàn)算時，計(jì)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(diǎn)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。

6.2當(dāng)上面預(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(qiáng)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(jì)。

使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，很難考慮上述強(qiáng)度與剛度的區(qū)分，實(shí)際

上，常常并不合適。

7.圖紙編制

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出圖分設(shè)計(jì)圖和施工詳圖兩階段，設(shè)計(jì)圖為設(shè)計(jì)單位提供，主要是原理圖和

桿件示意圖。施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)制造公司，根據(jù)設(shè)計(jì)圖來進(jìn)行具體的深化設(shè)計(jì)內(nèi)容。

現(xiàn)在的深化設(shè)計(jì)程序和先進(jìn)，可以同時完成所有桿件的加工、制作等內(nèi)容。有時也會由設(shè)計(jì)

單位代為編制。由于近年鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目增多和設(shè)計(jì)院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾，有設(shè)計(jì)能力的

鋼結(jié)構(gòu)公司參與設(shè)計(jì)圖編制的情況也很普遍。

7.1設(shè)計(jì)圖：是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù)。深度及內(nèi)容應(yīng)完整但不冗余。在設(shè)計(jì)

圖中，對于設(shè)計(jì)依據(jù)、荷載資料（包括地震作用）、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設(shè)計(jì)

要求（包括制造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)的等級、涂裝及運(yùn)輸?shù)龋⒔Y(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面選用

以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等均應(yīng)表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現(xiàn)設(shè)計(jì)

的意圖。主要材料應(yīng)列表表示。

7.2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(gòu)件單元須單獨(dú)繪制表達(dá)，并應(yīng)附有詳盡的材料表。

設(shè)計(jì)圖及施工詳圖的內(nèi)容表達(dá)方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設(shè)計(jì)單位之