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        鋼結構設計時需注意的問題及事項

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        瀏覽:- 發布日期:2017-05-03 17:11:24【

        一、鋼結構的特點及適用范圍

        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、體型復雜、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、棧橋和臨時建筑等。

        二、結構選型與結構布置

        在鋼結構設計的整個過程中都應該強調的是”概念設計”,它在結構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范未規定的問題,可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想,從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、定性正確,并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時,它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。

        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。

        結構的布置要根據體系特征,荷載分布情況及性質等綜合考慮.一般的說要剛度均勻.力學模型清晰.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. 柱間抗側支撐的分布應均勻.其形心要盡量靠近側向力(風震)的作用線. 否則應考慮結構的扭轉. 結構的抗側應有多道防線. 比如有支撐框架結構,柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力.

        三、預估截面

        結構布置結束后,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復雜計算,這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后,其板件厚度可按規范中局部穩定的構造規定預估。

        柱截面按長細比可按規范要求進行預估. 通常50<λ<150, 簡單選擇值在100附近。根據軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同,可選擇鋼管或H型鋼截面等.

        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構提供了條件。并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.

        復雜結構才需要建模運行程序并做詳細的結構分析.

        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.

        不同的軟件會有不同的適用條件.設計者應充了解.此外,工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離, 為了獲得實用的設計方法,有時會用誤差較大的假定, 但對這種誤差, 會通過”適用條件、概念及構造”的方式來保證結構的安全. 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

        構件的設計首先是材料的選擇. 比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn). 通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理. 經濟考慮,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; 穩定控制時,宜使用Q235.

        當前的結構軟件,都提供截面驗算的后處理功能。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,從給定的截面庫里選擇加大一級.并自動重新分析驗算,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范的規定.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復雜或變截面的構件,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) 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,通常不應加大板件厚度,而應考慮加大截面的高度,否則,會很不經濟。

        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,常常并不合適。

        七、節點設計

        連接節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一.在結構分析前,就應該對節點的形式有充分思考與確定.常常出現的一種情況是,最終設計的節點與結構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,節點分剛接,鉸接和半剛接.

        連接的不同對結構影響甚大.比如,有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題,但會產生較大轉動, 不符合結構分析中的假定. 會導致實際工程變形大于計算數據等的不利結果.

        具體設計主要包括以下內容:

        1.焊接: 對焊接焊縫的尺寸及形式等,規范有強制規定,應嚴格遵守. 焊條的選用應和被連接金屬材質適應.E43對應Q235,E50對應Q345. Q235與Q345連接時,應該選擇低強度的E43,而不是E50.

        焊接設計中不得任意加大焊縫. 焊縫的重心應盡量與被連接構件重心接近.其他詳細內容可查規范關于焊縫構造方面的規定.

        2.栓接:

        鉚接形式,在建筑工程中,現已很少采用.

        普通螺栓抗剪性能差, 可在次要結構部位使用.

        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. 高強螺栓最小規格M12. 常用M16~M30. 超大規格的螺栓性能不穩定,設計中應慎重使用。

        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,也常用于主結構的連接.

        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.節點設計還應考慮制造廠的工藝水平. 比如鋼管連接節點的相貫線的切口需要數控機床等設備才能完成.

        八、圖紙編制

        鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段,設計圖為設計單位提供,施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據設計圖編制,有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的矛盾,有設計能力的鋼結構公司參與設計圖編制的情況也很普遍。

        1.設計圖: 是提供制造廠編制施工詳圖的依據. 深度及內容應完整但不冗余. 在設計圖中,對于設計依據、荷載資料(包括地震作用)、技術數據、材料選用及材質要求、設計要求(包括制造和安裝、焊縫質量檢驗的等級、涂裝及運輸等)、結構布置、構件截面選用以及結構的主要節點構造等均應表示清楚,以利于施工詳圖的順利編制,并能正確體現設計的意圖。主要材料應列表表示。

        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,并應附有詳盡的材料表.

        設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制,目前比較混亂,各個設計單位之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。


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