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鋼結構網架設計注意事項有哪些?

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鋼結構網架設計注意事項有哪些?鋼結構網架設計的八大要點


(一)判斷結構是否適合用鋼結構

鋼結構通常用於高層、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。直觀的說:大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建築等。這是和鋼結構自身的特點相一致的。


(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被強調的是“概念設計”,它在結構選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出理性分析或規範未規定的問題,可依據從整體結構體係與分體係之間的力學關係、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製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於手算、概念清晰、定性正確,並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。(無論結構軟件如何強大,紮實的結構概念和力學分析,及可靠的手算能力,才是過硬的素質。)

鋼結構通常有框架、平麵(木行)架、網架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。

其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實用的設計方法,比如網殼的穩定等。

結構選型時,應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業廠房中,當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架。屋麵上雪壓大的地區,屋麵曲線應有利於積雪滑落(切線50度內需考慮雪載),如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網殼。總雪載釋放近一半。降雨量大的地區相似考慮。建築允許時,在框架中布置支撐會比簡單的節點剛接的框架有更好的經濟性。而屋麵覆蓋跨度較大的建築中,可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體係。高層鋼結構設計中,常采用鋼混凝土組合結構,在地震烈度高或很不規則的高層中,不應單純為了經濟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構體係。我國半數以上的此類高層為前者。對抗震不利。(把受力單元盡可能的向結構外圍布置,是充分利用材料性能的關鍵,就像中空的竹子一樣,所以外強內弱很重要。)

結構的布置要根據體係特征,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。盡可能限製大荷載或移動荷載的影響範圍,使其以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。

框架結構的樓層平麵次梁的布置,有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截麵沿短向布置次梁,但是這會使主梁截麵加大,減少了樓層淨高,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。


(三)預估截麵

結構布置結束後,需對構件截麵作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷麵形狀與尺寸的假定。

鋼梁可選擇槽鋼、軋製或焊接h型鋼截麵等。根據荷載與支座情況,其截麵高度通常在跨度的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。確定了截麵高度和翼緣寬度後,其板件厚度可按規範中局部穩定的構造規定預估。

柱截麵按長細比預估。 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型鋼截麵等。


(四)結構分析

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。


(六)構件設計

構件設計中,現行規範使用的是彈塑性的方法來驗算截麵。這和結構內力計算的彈性方法並不匹配。

當前的結構軟件,都提供截麵驗算的後處理功能。由於程序技術的進步,一些軟件可以將驗算時不通過的構件,從給定的截麵庫裏選擇加大一個級。並自動重新分析驗算,直至通過,如sap2000等。這是常說的截麵優化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。但是,初學者至少應注意兩點:

1、軟件在做構件(主要是柱)的截麵驗算時,計算長度係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,尤其對於節點連接情況複雜或變截麵的構件,結構師應該逐個檢查。

2、當上麵第(三)條中預估的截麵不滿足時,加大截麵應該分兩種情況區別對待。

(1) 強度不滿足,通常加大組成截麵的板件厚度,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,而應考慮加大截麵的高度,否則,會很不經濟。

使用軟件的前述自動加大截麵的優化設計功能,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

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,設計的節點與結構分析模型中使用的形式不完全一致。按傳力特性不同,節點分剛接,鉸接和半剛接。初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。常用的參考書[2]有豐富的推薦的節點做法及計算公式。

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於計算數據等的不利結果。

連接節點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法, 初學者可偏an全選用前者。設計手冊中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者查用,比較方便。也可以使用結構軟件的後處理部分來自動完成。

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,規範有強製規定,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。 焊縫的應盡量與被連接構件接近。其他詳細內容可查規範關於焊縫構造方麵的規定。

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。

自攻螺絲用於板材與薄壁型鋼間的次要連接。 國外在低層牆板式住宅中,也常用於主結構的連接。

3、連接板: 可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm。 然後驗算淨截麵抗剪等。

4、梁腹板: 應驗算栓孔處腹板的淨截麵抗剪。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、節點設計還應考慮製造廠的工藝水平。 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)圖紙編製

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製造公司根據設計圖編製,有時也會由設計單位代為編製。由於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製的情況也很普遍。

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