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鋼結構設計时需注意的问题及事项

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浏覽:- 发布日期:2017-05-03 17:11:24【

一、鋼結構的特點及適用範圍

鋼結構具有輕質高強、塑性和韌性好、制作簡便、施工周期短、耐熱性較好,耐火性差、耐腐蝕性差、低溫冷脆傾向等特點因此鋼結構通常用于高層、大跨度、體型複雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。如:大跨度廠房、棧橋和臨時建築等。

二、結構選型與結構布置

在鋼結構設計的整个过程中都应该强调的是”概念设计”,它在结构选型与布置阶段尤其重要. 对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题,可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想,从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确,并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时,它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

鋼結構通常有門架、框架、平面桁架、網架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。

结构的布置要根据体系特征,荷载分布情况及性质等综合考虑.一般的说要刚度均匀.力学模型清晰.尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围,使其以最直接的线路传递到基础. 柱间抗侧支撑的分布应均匀.其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线. 否则应考虑结构的扭转. 结构的抗侧应有多道防线. 比如有支撑框架结构,柱子至少应能单独承受1/4的总水平力.

三、預估截面

結構布置結束後,需對構件截面作初步估算和計算。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。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時,可回避鋼梁的整體穩定的複雜計算,這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度後,其板件厚度可按規範中局部穩定的構造規定預估。

柱截面按长细比可按规范要求进行预估. 通常50<λ<150, 简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等.

除此之外,構件截面形式的選擇沒有固定的要求,結構工程師應該根據構件的受力情況,合理的選擇安全經濟美觀的截面。

四、結構分析

目前鋼結構實際設計中,結構分析通常爲線彈性分析,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.這爲更精確的分析結構提供了條件。並不是所有的結構都需要使用軟件:

典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形.

簡單結構通過手算進行分析.

複雜結構才需要建模運行程序並做詳細的結構分析.

五、工程判定

要正確使用結構軟件,還應對其輸出結果的做”工程判定”。比如,評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據”工程判定”選擇修改模型重新分析,還是修正計算結果.

不同的软件会有不同的适用条件.设计者应充了解.此外,工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离, 为了获得实用的设计方法,有时会用误差较大的假定, 但对这种误差, 会通过”适用条件、概念及构造”的方式来保证结构的安全. 鋼結構設計中,”適用條件、概念及構造”是比定量計算更重要的內容.

注重概念設計和工程判定是避免這種工程災難的方法.

六、構件設計

构件的设计首先是材料的选择. 比较常用的是Q235(类似A3)和Q345(类似16Mn). 通常主结构使用单一钢种以便于工程管理. 经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面. 当强度起控制作用时,可选择Q345; 稳定控制时,宜使用Q235.

當前的結構軟件,都提供截面驗算的後處理功能。由于程序技術的進步,一些軟件可以將驗算時不通過的構件,從給定的截面庫裏選擇加大一級.並自動重新分析驗算,直至通過,如SAP2000、PKPM-STS等。這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。但是,設計者至少應注意兩點:

1.軟件在做構件(主要是柱)的截面驗算時,計算長度系數的取定有時會不符合規範的規定.目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以,尤其對于節點連接情況複雜或變截面的構件,結構師應該逐個檢查.

2.當上面第(三)條中預估的截面不滿足時,加大截面應該分兩種情況區別對待。

(1) 强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度,其中,抗弯不满足加大翼缘厚度,抗剪不满足加大腹板厚度。

(2) 变形超限,通常不应加大板件厚度,而应考虑加大截面的高度,否则,会很不经济。

使用軟件的前述自動加大截面的優化設計功能,很難考慮上述強度與剛度的區分,實際上,常常並不合適。

七、節點設計

连接节点的设计是鋼結構設計中重要的内容之一.在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定.常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免. 按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接.

连接的不同对结构影响甚大.比如,有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题,但会产生较大转动, 不符合结构分析中的假定. 会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果.

具體設計主要包括以下內容:

1.焊接: 对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守. 焊条的选用应和被连接金属材质适应.E43对应Q235,E50对应Q345. Q235与Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50.

焊接设计中不得任意加大焊缝. 焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近.其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定.

2.栓接:

鉚接形式,在建築工程中,現已很少采用.

普通螺栓抗剪性能差, 可在次要结构部位使用.

高强螺栓,使用日益广泛.常用8.8s和10.9s两个强度等级.根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同. 高强螺栓最小规格M12. 常用M16~M30. 超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用。

自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接. 国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接.

3.连接板: 可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm. 然后验算净截面抗剪等.

4.梁腹板: 应验算栓孔处腹板的净截面抗剪.承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压.

5.節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外,還應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。

6.节点设计还应考虑制造厂的工艺水平. 比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成.

八、圖紙編制

鋼結構設計出图分设计图和施工详图两阶段,设计图为设计单位提供,施工详图通常由鋼結構制造公司根据设计图编制,有时也会由设计单位代为编制。由于近年鋼結構项目增多和设计院鋼結構工程师缺乏的矛盾,有设计能力的鋼結構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.不完全相同的另構件單元須單獨繪制表達,並應附有詳盡的材料表.

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鋼結構公司之间不尽相同。


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