对钢结构设计的思考

毕冉升

摘要：随着建筑产业的不断发展，钢结构建筑已经成为我国城市建设的主流。本文深入分析和探讨了钢结构设计原则、钢结构的特点、钢结构设计思路和步骤及钢结构设计过程中应注意的问题。

关键词：钢结构；设计原则；注意问题

1钢结构设计原则

近年来，在钢结构设计中经常出现失稳事故，造成严重的人员伤亡与经济损失，主要原因在于以下两方面：（1）由于空间网架、网壳结构等新型钢结构的不断出现，造成相关设计者没有足够的时间去了解掌握这些新型结构设计；（2）由于钢结构设计者缺乏相关设计经验，对钢结构和构件的整体稳定性概念理解不够清晰，成为钢结构设计中经常出现的薄弱环节。因此，稳定性成为钢结构设计中一个突出的问题，如果处理不好此类问题，将会造成不可估量的损失。根据稳定性问题在实际钢结构设计中的特点，以及在未来更好地保证钢结构设计中的构件不会丧失稳定性，设计过程中应严格遵守以下三条基本原则：（1）保证整体结构细部构造和构件的稳定计算，二者必须相互配合、相互统一；（2）在进行结构布置时，必须从整个体系和组成部分的稳定性要求出发，进行全面考虑；（3）必须保证结构计算简图和实际计算方法所依据的简图一致，这对框架结构的稳定计算起着相当关键的作用。

2钢结构的特点分析

（1）功能优越。在钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体、构件、节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。建筑与结构的设计与功能只有做到一体化，才能使建筑更富功能化，以便随后的各个设计环节进行下去，创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。如中国建筑设计研究院场馆方案的外观即为建筑结构，形象完美纯净，功能与结构达到了完美的统一。还有日本株式会社建筑事务所设计的折叠式方案，屋顶由悬臂的钢架结构支承，可在30min内完成开闭动作，确保全年比赛及活动不受天气影响。

（2）生态环保。发展钢结构对于资源、能源都非常短缺的我国意义尤为重大，因为中国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。钢材是一种高强度、高效能材料，具有很高的再循环价值，即使边角料也有价值，不需要制模施工。目前国际上引人瞩目的新型住宅产品已引入我国，其环保节能的特点主要体现在两个方面。该类型住宅采用全封闭式保温隔热防潮系统，温度变化小、热损失低，不论冬夏都有着舒适的居住环境。室外在O℃时，室内仍可保持在17℃以上，而在室外温度达到30℃的情况下，室内温度仅为21℃左右。

3钢结构设计思路和步骤

3.1钢结构的形式与布置

钢结构主要有框架、平面架、网架、索膜、轻钢以及塔桅等结构形式。通常情况下，每一形式都有其自己的特点，在选型的时候要结合具体情况充分考虑它们的特点，面对具体问题要具体分析。例如对于那些屋面覆盖跨度较大的建筑，可选择以构件受拉为主的悬索或索膜结构；在建筑轻钢工业厂房时，需要有较大的悬挂荷载或移动荷载，此时我们需要选择与之相适应的网架，放弃门式钢架。在钢结构设计中，关于钢结构的布置必须根据相关体系特征、荷载分布情况及其性质进行综合考虑。

3.2截面的选择

对构件截面進行初步估算，主要就是对梁面和支撑断面形状与尺寸的假定。钢粱的截面高度通常根据荷载和支座的具体情况来定，一般是1/20～1/50之间的跨度选择。对于翼缘的宽度，为了回避钢粱整体稳定的复杂计算，可根据梁间侧向支柱的间距按照1/b限值加以确定。柱截面需要根据长细比进行预估，通常来说x的选择值在100左右。

3.3结构分析

目前在钢结构实际设计过程中，通常结构分析为线性弹性分析，条件允许时考虑P-△，P-8。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能，这为更精确地分析结构提供了有利条件。除此之外，并不是所有的结构都需要使用软件，对于复杂的结构需要建模运行程序并作详细的结构分析。

对于简单结构，可通过手算进行分析，而对于典型结构，可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。结构分析时应充分考虑建筑物的稳定性、安全性，例如考虑多层建筑钢结构体系，当纯框架侧移不满足时，可以采用带支撑的框架，即在框架体系中，沿结构的纵、横两个方向布置一定数量的支撑。沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接，形成一个支撑芯筒。竖向支撑桁架起剪力墙的作用，能获得比纯框架结构大得多的抗侧力刚度，可以明显减小建筑物的层间位移。

3.4构件设计

关于构件设计首先应该考虑的是对材料进行合理选择。目前比较常用的钢结构材料是Q235和Q345。从经济的角度考虑，则可选择不同强度钢材的截面组合；从便于工程管理的角度考虑，主结构通常采用单一钢种。近年来，由于程序技术的进步，一些结构软件可以对整个结构进行全面优化，因此我们只需对优化后的截面进行调整直至合理，同时注意模型的建立以及一些计算长度的参数定义即可。

3.5节点的设计

连接节点的常用方法包括等强设计与实际受力设计两种，基于安全性考虑，可以采用等强设计法，设计出焊缝、螺栓连接等。作为设计构建中的核心，结构焊接主要有直角焊接、斜角焊接两种。通常而言，节点设计的主要内容包括焊接、栓接、连接板以及梁腹板，除此之外，还要考虑现场定位、临时固定施工过程中的便利性。应该严格按照相关规范，合理选择焊接焊缝的尺寸及形式。焊条的选用应和被连接金属材质相适应。E43对应Q235、E50对应0345，0235与Q345连接时，应该选择低强度的E43而不是E50。根据传力特点的不同，节点可分为刚接、铰接和半刚接，在选用节点时，必须正确判断节点的连接形式，做到整个设计的安全与合理。

3.6图纸的编制

钢结构的设计出图由设计图和施工详图两个阶段组成：（1）设计图：是提供制造厂编制施工详图的依据。在设计图中，对于设计依据、荷载资料、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求、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）施工详图：通常也称为加工图或放样图等。深度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，并应附有详尽的材料表。

4钢结构设计过程中注意的问题

（1）整体分析与优化设计。在钢结构设计过程中，要尽量选择与实际工作状况相符的整体分析模型，对计算模型不得随意简化，比如不得随便把空间问题简化为平面问题。除此之外，为了获得理想的设计结构，在设计过程中可以采取优化设计的理念，并将次构件的作用尽可能考虑进来，同时满足钢结构设计的安全性与经济性，降低工程成本。

（2）严格控制整体刚度。一般来说，稳定条件、强度条件等并非决定钢结构构件截面设计的主要因素，而结构的整体刚度条件才是首要考虑的因素，尤其对于一些薄壁构件形成的大跨度结构来说更是如此。因此，设计过程中要注意对结构的整体分析，保证设计效果。

（3）保证计算模型的精确性与结构的可靠性。钢结构材料属于相对比较理想的弹塑性体，其组织体现出一定的均匀性，接近各向同性，与现阶段很多计算方法、基本概念的要求完全相符。同时，钢结构构件的连接模型比较符合实际情况，计算过程中的不确定性相对较小，因此计算模型的精确性、结构的可靠性等必须有所保证。

（4）节点构造相对十分复杂。在钢结构设计过程中，钢结构构件之间的连接与构造比较复杂，因此在设计过程中要注意并充分考虑这一点。设计节点时要综合考虑受力情况、建筑要求、构件截面形式、连接方法等各方面因素，再确定出合理、适用的节点构造形式。

5结语

随着世界先进的钢结构设计理念和设计思想的涌入，进一步促进了我国钢结构的发展。尽管从某种程度上来说，与发达国家相比我国钢结构设计水平与其存在着较大的差距，但是随着我国经济的快速发展以及相关研究工作者的不懈努力，我们有理由相信，在不久的将来中国钢结构水平将迈向一个新的台阶，达到高质量、高水平、高水准的设计目标。