钢结构设计步骤和设计思路.pdf

问题研究 第3 2 卷2 0 1 4 年第2 期 总第 1 7 0 期 钢结构设计步骤和设计思路 鲁大勇胡博修张金岭 鞍钢集团工程技术有限公司 鞍山 1 1 4 0 0 0 【 摘要】 文章讨论了 设计结构是否适合用钢结构， 结构选型与布置、 预估截面、 结构分析、 工程判定、 构件 设计、 节点设计及图纸编制八个方面的内容。 【 关键词】 钢结构结构设计步骤 De s i g n S t e p a n d Th o u g h t o f S t e e l S t r u c t u r e L U Da - y o n g ，HU B o - x i u， Z HANG J i n - l i n g A n s t e e l E n g i n e e n n ga n d T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， A n s h a n 1 1 4 0 0 0 【 A b s t r a c t 】 D i s c u s s t h e c o n t e n t s f r o m e i g h t a s p e c t s o f w h e t h e r d e s i g n s t r u c t u r e i s s u i t t o s t e e l s t ru c t u r e， s t ru c t u r e s e l e c t i o n a nd a r r a n g e me n t ， pr e e s t i ma t e d c r o s s s e c t i o n， s t ru c t u r e a n a l y s i s， e n g i n e e r i n g j u d g me n t ， c o m p o n e n t d e s i g n ， n o d e d e s i g n a n d d r a w i n g c o m p i l i n g ． 【 K e y w o r d s ] S t e e l s t ru c t u r e ， s t ruc t u r e d e s i g n ， s t e p 1 判断结构是否适合用钢结构 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、 高温车问、 密封 性要求高、 要求能活动或经常装拆的结构。直观 的看 大厦、 体育馆 、 歌剧院、 大桥、 电视塔 、 仓棚 、 工厂 、 住宅和临时建筑等。这是和钢结构 自身的 特点相一致 的。 2 结构选型与结构布置 在钢结构设计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。钢结构通常有框架、 网架 壳 、 索膜、 轻钢、 塔 桅等结构型式。其理论与技术大都成熟 ， 亦有部 分难题没有解决， 或没有简单实用的设计方法， 比 如网壳的稳定等。结构选型时， 应考虑它们不同 的特点。在轻钢工业厂房中， 当有较大悬挂荷载 或移动荷载时 ， 就可考虑放弃门式刚架而采用网 架。基本雪压大的地区， 屋面曲线应有利于积雪 滑落 切线5 0 。 内需考虑雪载 。建筑允许时， 在框 架中布置支撑会比简单的节点刚接框架有更好的 经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中， 可选择 构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。 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等， 柱子至 少应能单独承受 1 ／ 4的总水平力 。 框架结构楼层平面次梁的布置， 有时可以调 整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了 减小截面沿短向布置次梁， 但是这会使主梁截面 加大， 减少楼层净高， 顶层边柱有时也会吃不消， 此时把次梁支撑放在较短的主梁上可以牺牲次梁 保住主梁和柱子。 3 预估截面 结构布置结束后 ， 需对构件截 面作初步估 算。主要是梁柱和支撑等断面形状与尺寸的假 定。 一 6 7 第3 2 卷2 0 1 4 年第2 期 总第 1 7 0 期 钢梁可选择槽钢、 轧制或焊接的H型钢截面 等。根据荷载与支座情况， 其截面高度通常在跨 度的1 ／ 2 0 ～ 1 ／ 5 0 之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向 支撑的间距按l ／ b 限值确定时， 可回避钢梁的整体 稳定的复杂计算 ， 这种方法很受欢迎。确定了截 面高度和翼缘宽度后 ， 其板件厚度可按规范中局 部稳定的构造规定预估。 柱截面按 长细比预估 ， 通常 5 0 入 1 5 0 入为 长细比 ， 简单选择值在 1 0 0 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。 应注意的是， 对应不同的结构， 规范中对截面 的构造要求有很大的不同。如钢结构所特有的组 成构件的板件的局部稳定问题。在普钢规范和轻 钢规范中的限值有很大的区别。 除此之外， 构件截面形式的选择没有固定的 要求， 结构工程师应该根据构件的受力情况， 合理 的选择安全经济美观的截面。 4 结构分析 目前钢结构实际设计 中， 结构 分析通 常为线 弹性分析， 条件允许时考虑P 一 △， P 一 6。 新近的一些有限元软件可以部分 因侧移产 生的二阶效应 考虑几何非线性及 钢材的弹塑性 能， 这为更精确的分析结构提供了条件。并不是 所有的结构都需要使用软， 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， 简单结构 通过手算进行分析 ， 复杂结构才需要建模运行程 序及详细结构分析。 5 工程判定 要正确使用结构软件， 还应对其输出的结果 做“ 工程判定” ， 比如， 评估各向周期、 总剪力、 变形 特征等。根据“ 工程判定” 选择是修改模型重新分 析， 还是修正计算结果。不同的软件会有不同 的 适用条件 ， 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。钢结构设计中， “ 适用条件、 概念及构造” 是比定量计算更重要的内容。 6 构件设计 构件的设计首先是材料的选择， 比较常用的 一 68一 问题研究 是 Q 2 3 5和 Q 3 4 5 。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 Q 3 4 5 ； 稳定控制时 ， 宜使用 Q 2 3 5 ” 。 构件设计 中， 现行规范使用的是弹塑性的方 法来验算截面， 这和结构内力计算的弹性方法并 不 匹配 。 当前的结构软件， 都提供截面验算的后处理 功能。 由于程序技术 的进步 ， 一些软件可以将验 算时通过不的构件 ， 从给定的截面库里选择加大 一 级 ， 并自动重新分析验算， 直至通过。这是常说 的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很 多工作量 。 7 节点设计 连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容 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， 如不 能确信这种不一致造成 的偏差是在工程允许 范围内， 就必须避免。按传力特性不同， 节点分刚 接、 铰接和半刚接。常用的参考书上有丰富的推 荐的节点做法及计算公式。 具体设计主要包括以下内容 ①焊接。②栓接。③连接板。④梁腹板。⑤ 节点设计必须考虑安装螺栓、 现场焊接等的施工 空间及构件吊装顺序等。此外， 还应尽可能方便 的进行现场定位与临时固定 。⑥节点设计还应考 虑制造厂的工艺水平 。 8 图纸编制 钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶 段 ， 设计图为设计单位提供， 施工详图通常由钢结 构制造公司根据设计图编制， 有时也会 由设计单 位代为编制。 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 [ 下转第7 O 页] 第3 2 卷2 0 1 4 年第2 期 总第1 7 0 期 问题研究 行器 ， 与机械调速机构 相连 ， 接收 4 - 2 0 mA的控制 信号 ， 通过调节气隙的方式来调节负载的转速。 控制信号可由P L C 控制柜提供， 实现远程控制或 自动控制 ， 也可实现闭环控制 ， 控制原理如图 1 所 示 。 图1 控制原理 冉 I 压 力 信 号 l 1．．．．．．．．．．．． 3 ． 2 永磁调速装置的结构优点 1 导体盘的磁通路径磁阻减少， 导体盘的整 体电感值增加。 2 拖出转矩值提高， 往低转差区移动， 得到 高效率的输出。 3 总导体电流量减少， 发热量减少 ， 可承受 的负载提高。 4 T N曲线特性优异， 实现无级平滑调速， 稳 定不调速 。 5 舍弃散热鳍片结构， 改用专利导风叶片， 改善恼人 的噪声问题。 6 提升永磁调速装置的散热效率， 达到低噪 声、 高效率的最佳状态。 4 节能效果分析 改造前 2 台助燃风机并联运行 ， 风 门开度 4 0 ％ 时 ， 运行 电流 1 3 A， 运行 电压 1 0 k V， 风压 1 2 k P a ， 总 耗能 P 。 3 9 1 k W。改造前单台风机风量7 ．5 万m ／ h 时 ， 出 口压力为 1 2 k P a ； 风量 3 ． 7万 m ／ h 时 ， 出 口压 力为 1 5 ．5 k P a 。根据现场工艺需求， 两台风机并联 送风 ， 而 系统所需压力仅为 1 l k P a 左右 考虑加热 器压力损失 。 采用永磁调速装置调节后， 根据泵浦相似定 理算得该装置可以提高节能效率2 5 ％。因此 ， 调 速后设备 总耗能 P 6 3 3 k W。按设 备每年运行 8 0 0 0 小时， 全年可节省 1 6 9 万度 电， 节省电费约 9 8 万元。节能同时还减少噪音 、 振动 、 延长 电动机和 风机的使用寿命， 并延长系统维修时间。 永磁调速装置一套 含执行器、 机座 、 连接附 件等 ， 约3 5 万元人民币， 4 套装置总投资 1 4 0 万 元 ， 两座加热炉设备投资回报期约为一年零5 个 月。 5 结 论 永磁调速节能装置在鞍钢热轧厂加热炉助燃 风机上实施后， 现场运行稳定 、 节能效果明显。目 前， 通过对大中型电动机系统进行调查得知， 仍存 在电动机参数不匹配， 大马拉小车现象。如果使 用永磁调速装置等先进电机调速技术， 改善风机、 水泵类电动机系统调节方式， 将节约大量能源。 2 0 1 4 - 0 1 1 6 收稿 e 二 石 ＼ l 石 石 石 ＼ e 婚 e 石 石 ， ＼ 寄 瞄 ＼ I 晶 崂0 e ， ＼ 、 情 才 蛸 [ 上接第6 8 页] 确体现设计的意图， 主要材料应列表表示 。 2 施工详图 又称加工图或放样图等， 深度 须能满足车间直接制造加工 ， 不完全相同的另构 件单元须单独绘制表达， 并应附有详尽的材料表。 一 7 0一 参考文献 ⋯钢结构设计手册 第三版 北京 中国建筑业出版 社 ． 2 0 0 4 ． 2 0 1 3 0 5 2 3 收稿