淺談鋼結(jié)構(gòu)施工設(shè)計

王軍峰

河北冶金建設(shè)集團有限公司第五工程分公司（050000）

淺談鋼結(jié)構(gòu)施工設(shè)計

王軍峰

河北冶金建設(shè)集團有限公司第五工程分公司（050000）

鋼結(jié)構(gòu)房屋因其自重輕、工期短、易于拆裝等優(yōu)點越來越多地應(yīng)用于民用及工業(yè)建筑中，這里對鋼結(jié)構(gòu)房屋的設(shè)計進行介紹。

鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計；分析

鋼結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載大、有較大振動、密封性要求高、能經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。比如大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建筑等。

鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、管架網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。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，當有較大懸掛荷載或移動荷載時，就可考慮放棄門式剛架而采用鋼屋架。

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。鋼結(jié)構(gòu)一般來說材質(zhì)均勻，力學(xué)模型清晰，因此，應(yīng)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，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)扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線。

框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置,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使結(jié)構(gòu)布置更合理。

1 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、工字鋼、軋制或焊接H型鋼等。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、單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。

設(shè)計者需注意，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，合理地選擇安全經(jīng)濟美觀的截面。

2 結(jié)構(gòu)分析

目前，在鋼結(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效應(yīng)。

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，或直接選用圖集。

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，做詳細的結(jié)構(gòu)分析。

3 構(gòu)件設(shè)計

構(gòu)件設(shè)計首先是材料的選擇，比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16 Mn)，通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便工程管理，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(wěn)定控制時,宜使用Q235。

構(gòu)件設(shè)計中，現(xiàn)行規(guī)范使用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。

當前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗算后的處理功能。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，并自動重新分析驗算，直至通過。這就是常說的截面優(yōu)化設(shè)計功能之一。它減少了設(shè)計師很多工作量。

4 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)點的形式有充分考慮與確定，必須避免最終設(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的情況，按傳力特性不同，節(jié)點分剛接、鉸接和半剛接。

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、形式等,規(guī)范有強制規(guī)定，應(yīng)嚴格遵守。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。常用強度等級有8.8 s和10.9 s兩個。根據(jù)受力特點高強螺栓可分為承壓型和摩擦型。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4 mm。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。還應(yīng)盡可能使工人能方便地進行現(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)點相貫線的切口需要數(shù)控機床等設(shè)備才能完成。