钢结构设计过程分析

宁夏工业设计院 马寅杰

钢结构设计过程分析

宁夏工业设计院 马寅杰

一、钢结构分类

目前，一般将钢结构分为重钢结构、轻钢结构和设备钢结构三种。每种格结构都有各自的特点和用处。

1.重钢结构。重钢结构是指厂房行车起吊重量超过25 t，用钢量不小于50 kg/m2的钢结构，如石化厂房设施、轧钢炼钢车间、电厂厂房、大跨度的体育场馆、展览中心、高层或超高层钢结构等。

2.轻钢结构。轻钢结构是指主要承重结构为实腹门式刚架，具有轻型屋面和外墙，无吊车或吊车起重量不大于20 t，工作级别为中轻级的钢结构建筑。

3.设备钢结构。设备钢结构是指大型设备中的钢结构部分，如架桥机的塔架钢结构、NN2机的起重大梁、起重机车身、大型设备支架等，是一种对精密性、材质、连接等要求较高的精密钢结构。

二、钢结构设计过程

1.判别项目是否适合钢结构。在设计时，要综合考虑钢结构的特点以及工程造价等因素，判断项目工程是否适合钢结构。钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。

2.结构选型与结构布置。钢结构通常有框架、平面(桁)架、网架(壳)、索膜、轻钢和塔桅等结构形式。设计时要针对不同建筑的特点，选择合理经济的结构形式。 结构布置要综合考虑项目工程的体系特征、荷载分布情况及性质等多项因素。布置结构时，要求刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围。 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)作用线。

3.截面的选择。结构布置完成后，需对构件截面作初步估算，主要是对梁柱和支撑等的断面形状与尺寸进行假设预定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H形钢等。根据荷载与支座情况，钢结构的截面高度通常为跨度的1/20～1/50；翼缘宽度可按照梁间侧向支撑间距的1/b限值确定。截面高度和翼缘宽度确定后，板件厚度可按相关规范中关于局部稳定的构造规定进行预估。柱截面按长细比预估，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形钢等做梁柱。

4.结构分析。对于简单结构，可通过手算进行分析；典型结构可查力学手册之类的工具书，直接获得内力和变形；对于复杂结构，需要建模运行程序并作详细的结构分析。只有依据科学的假定，建立正确的计算模型，选择合适的计算工具进行计算，才能得到正确的计算结果。

5.构件设计。材料的选择对于构件设计非常重要。工程中比较常用的钢材料是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种，以便于工程管理；从经济方面考虑，也可以选择不同强度的钢材组合应用。选择不同强度钢材进行组合的一般规律是：当强度起控制作用时，可选择Q345；当刚度起控制作用时，宜使用Q235。相同牌号的钢材又分不同的质量等级，如A，B，C，D级等，应综合考虑焊接要求、受力特点、使用环境等因素，学则合适的钢材。

7.节点设计。节点设计是钢结构设计的重点之一。在结构分析前，确定节点的形式。节点设计主要包括以下内容。

（1）焊接设计。对焊接焊缝的尺寸及形式等应按照规定设计执行。选用的焊条应和被连接构件的材质相适应。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，其他详细内容可查阅关于焊缝构造方面的规定。

（2）栓接设计。在建筑工程中，因为普通螺栓的抗剪性能差，所以栓接现已很少应用于主受力构件，但仍可在次要结构部位使用，且多用高强螺栓。高强螺栓分承压型和摩擦型，应根据具体情况进行选择。

（3）连接板设计。构件端板厚度应根据支承条件按照规范要求计算；连接节点处的板件应按照规范验算其在拉、压、剪作用下的强度和稳定性；单壁式桁架节点板厚度可按照《钢结构设计规范》（GB50017–2003）中的选用表进行选取。

（4）梁腹板设计。应验算栓孔处腹板的净截面抗剪力，对于承压型高强螺栓连接，还需验算孔壁局部承压。

（5）防锈蚀与防火设计。由于钢结构对锈蚀和高温（火焰）具有敏感性，因此,必须做好其防锈蚀与防火设计。具体要求详见相应国家规范，特殊行业（如石化行业）还需满足行业规范要求。值得注意的一点是，设计时要考虑两种防护材料的调和性，即两种防护材料不能在接触后发生反应而丧失原性能，亦不能相互抵触而使某层材料脱落。

（6）图纸编制。图纸是工程施工的重要依据。在设计图中，设计依据、荷载资料、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求等均应表示清楚，并能正确体现设计的意图，以利于施工的顺利进行。在设计图纸中，主要材料应列表表示。

（7）施工详图。施工详图须能满足车间直接制造加工，不完全相同的构件单元须单独绘制表达，并应附有详细的材料表。

（8）其他要考虑的因素。节点设计必须考虑现场焊接的施工空间、螺栓安装、构件吊装顺序等，并进行详细说明，确保构件的顺利安装。此外，节点设计还应尽可能使工人方便进行现场定位与临时固定，还要兼顾制造厂的工艺水平。