給大家(jia)推(tui)薦一(yi)個用于鋼結構設計的(de)(de)資(zi)料。雖說(shuo)不是(shi)大(da)師的(de)(de)杰作，卻(que)不遜于(yu)大(da)師的(de)(de)文(wen)章。大(da)師的(de)(de)作品對(dui)于(yu)具有一定專業水(shui)平的(de)(de)人是(shi)很有用(yong)途(tu)的(de)(de)，而對(dui)于(yu)初學者卻(que)過于(yu)高深莫(mo)測。該資(zi)料特(te)別適合剛從事鋼(gang)結構設計的(de)(de)人員。

一、鋼結構適用范圍及選型

1.鋼結構適用(yong)的范(fan)圍 

    鋼結構(gou)通(tong)常(chang)用于高(gao)(gao)層、大(da)跨度、體(ti)型復雜、荷載或吊車(che)起重量大(da)、有較(jiao)大(da)振動、高(gao)(gao)溫車(che)間、密(mi)封性(xing)要求高(gao)(gao)、要求能活動或經常(chang)裝(zhuang)拆的結構(gou)。直觀的說：超高(gao)(gao)層建筑、體(ti)育館、歌(ge)劇院、大(da)橋、電視(shi)塔(ta)、工(gong)業廠(chang)房和(he)臨時建筑等(deng)。這(zhe)是和(he)鋼結構(gou)自身的特點(dian)相一致的。   

2.鋼結構的選型  

    在(zai)鋼結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)設(she)計(ji)(ji)的整個過程(cheng)中，都(dou)應該被強(qiang)調的是"概(gai)念設(she)計(ji)(ji)"，它在(zai)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)選型與(yu)(yu)布(bu)置階(jie)段尤其重要(yao)。對一些難(nan)以(yi)作出精確理性(xing)分析(xi)或規范未(wei)規定(ding)的問題，可依(yi)據(ju)(ju)從整體結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)體系與(yu)(yu)分體系之間的力學關(guan)系、破(po)壞機理、震害、試驗現(xian)象和工(gong)程(cheng)經驗所獲得(de)的設(she)計(ji)(ji)思(si)(si)想，從全局的角度來(lai)確定(ding)控制結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)的布(bu)置及細(xi)部措施。運用(yong)概(gai)念設(she)計(ji)(ji)可以(yi)在(zai)早(zao)期迅速、有效(xiao)地進行構(gou)(gou)(gou)思(si)(si)、比較與(yu)(yu)選擇。所得(de)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)方案往往易(yi)于手算(suan)、概(gai)念清晰、定(ding)性(xing)正確，并可避免結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)分析(xi)階(jie)段不必要(yao)的繁瑣運算(suan)。同時，它也是判斷計(ji)(ji)算(suan)機內力分析(xi)輸出數據(ju)(ju)可靠(kao)與(yu)(yu)否的主要(yao)依(yi)據(ju)(ju)。  

鋼結構通常有框架、平面 （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。基本雪壓大的地區，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線 50 度內需考慮雪載），如采用三心圓網殼。總雪載釋放近一半。降雨量大的地區相似考慮。建筑允許時，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。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體系。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系。我國半數以上的此類高層為前者。對抗震不利。  

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。  

框架結構的樓層平面次梁的布置，有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高，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。  

3.鋼結構構件的截面選取

結構布置(zhi)結束后，需對構件(jian)截面作初步估(gu)算。主要是梁柱和支撐等(deng)的(de)(de)斷面形狀與尺(chi)寸(cun)的(de)(de)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。  

初學者需注意，對應不同的結構，規范中對截面的構造要求有很大的不同。如鋼結構所特有的組成構件的板件的局部穩定問題。在鋼結構規范和輕鋼規范中的限值有很大的區別。  

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。  

二、鋼(gang)結構設(she)計簡單(dan)步(bu)驟和(he)設(she)計思路

1.設計計算的手段 

    目(mu)前鋼結構實(shi)際(ji)設計中，結構分析(xi)通常為(wei)線彈性分析(xi)，條(tiao)件允許(xu)時考(kao)慮 P- Δ，p- δ。  

    新近(jin)的(de)一些有(you)限元軟件可以(yi)部分(fen)(fen)考(kao)慮幾何非(fei)線性及鋼材的(de)彈塑性能。這為更精確的(de)分(fen)(fen)析結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)提供了(le)條件。并不是所有(you)的(de)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)都(dou)需(xu)要(yao)使用(yong)軟件：典型結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)可查力學手冊之類的(de)工(gong)具書直(zhi)接獲得內力和變形。簡單結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)通過手算進行分(fen)(fen)析。復雜結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)才需(xu)要(yao)建模運行程序并做詳細的(de)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)分(fen)(fen)析。  

2.計算結果的判定  

    要(yao)正確使用結構軟件，還(huan)應對(dui)其(qi)輸出結果(guo)的做"工程(cheng)判定(ding)".比如，評估(gu)各向周期、總剪力、變形特征等。根據"工程(cheng)判定(ding)"選擇修改模型重新分析，還(huan)是(shi)修正計算(suan)結果(guo)。  

    不(bu)同的(de)(de)軟件會(hui)有(you)不(bu)同的(de)(de)適用(yong)條(tiao)件。初學(xue)者應充分明了。此外，工程設計中(zhong)的(de)(de)計算(suan)和精(jing)確的(de)(de)力學(xue)計算(suan)本(ben)身(shen)常有(you)一定(ding)距離，為了獲得實用(yong)的(de)(de)設計方(fang)法(fa)，有(you)時會(hui)用(yong)誤差(cha)較大的(de)(de)假定(ding)，但(dan)對這(zhe)種誤差(cha)，會(hui)通過"適用(yong)條(tiao)件、概念及(ji)構(gou)造(zao)"的(de)(de)方(fang)式來保證結構(gou)的(de)(de)安全。鋼(gang)結構(gou)設計中(zhong)，&quot;適用(yong)條(tiao)件、概念及(ji)構(gou)造(zao)"是比定(ding)量計算(suan)更重要的(de)(de)內容(rong)。  

&nbsp;   工(gong)程(cheng)師們(men)不(bu)應該過(guo)分信任與依(yi)賴(lai)結構(gou)軟(ruan)件。美國一位學者曾警(jing)告說(shuo)：“誤用計算機造成結構(gou)破壞而引(yin)起災難只是一個時間(jian)的問題。”  

    注重概念設(she)計和工程判定(ding)是避免這種(zhong)工程災難(nan)的(de)方法(fa)。  

3.判斷結構是否適合用鋼結構 

    鋼(gang)(gang)結(jie)構通常(chang)用于高層建筑、大跨度、體型(xing)復雜(za)、荷載(zai)或(huo)吊(diao)車(che)起重量大、有較大振動(dong)(dong)、高溫(wen)車(che)間、密封性要(yao)求(qiu)高、要(yao)求(qiu)能活動(dong)(dong)或(huo)經常(chang)裝拆(chai)的結(jie)構。直觀的說：超高層公(gong)共建筑、大跨度的公(gong)共建筑、橋梁、電(dian)視塔、倉棚(peng)、工業廠房和(he)臨時建筑等。這是(shi)和(he)鋼(gang)(gang)結(jie)構自(zi)身的特點相(xiang)一(yi)致的。

4.結構(gou)選型與(yu)結構(gou)布置(zhi)  

    在(zai)鋼結構設(she)計(ji)(ji)的(de)(de)整(zheng)個(ge)過(guo)程(cheng)中都應該被強調的(de)(de)是"概(gai)念設(she)計(ji)(ji)"，它(ta)在(zai)結構選型與布(bu)置階段尤(you)其重(zhong)要。對一些難(nan)以作出精(jing)確(que)理性(xing)分(fen)析或規(gui)范未(wei)規(gui)定的(de)(de)問題，可(ke)依(yi)據從整(zheng)體(ti)結構體(ti)系與分(fen)體(ti)系之(zhi)間的(de)(de)力學關系、破壞(huai)機(ji)理、震害、試驗(yan)現(xian)象和工程(cheng)經驗(yan)所(suo)獲得的(de)(de)設(she)計(ji)(ji)思想，從全局的(de)(de)角度來(lai)確(que)定控制結構的(de)(de)布(bu)置及(ji)細部措施。運(yun)用概(gai)念設(she)計(ji)(ji)可(ke)以在(zai)早期迅速、有效地進行(xing)構思、比較與選擇(ze)。所(suo)得結構方案往往易于手算(suan)、概(gai)念清晰、定性(xing)正確(que)，并可(ke)避免結構分(fen)析階段不必要的(de)(de)繁瑣運(yun)算(suan)。同時，它(ta)也是判斷計(ji)(ji)算(suan)機(ji)內力分(fen)析輸出數據可(ke)靠與否的(de)(de)主(zhu)要依(yi)據。  

鋼結構通常有框架、平面 （木行）架、網架 （殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。  

    其理論與(yu)技術(shu)大都(dou)成熟。亦有部分(fen)難題沒(mei)有解決(jue)，或沒(mei)有簡單實用的(de)(de)設計方法(fa)，比如網殼的(de)(de)穩(wen)定等。  ;

    框架結構的(de)(de)樓(lou)層平面(mian)(mian)次梁(liang)(liang)(liang)的(de)(de)布置(zhi)，有時(shi)(shi)可以調整(zheng)其荷載(zai)傳(chuan)遞方向以滿(man)足不同的(de)(de)要求。通常為(wei)了(le)(le)減小截面(mian)(mian)沿短向布置(zhi)次梁(liang)(liang)(liang)，但是這會使(shi)主(zhu)(zhu)梁(liang)(liang)(liang)截面(mian)(mian)加大(da)，減少了(le)(le)樓(lou)層凈高，頂層邊柱也有時(shi)(shi)會吃不消，此時(shi)(shi)把次梁(liang)(liang)(liang)支撐在較短的(de)(de)主(zhu)(zhu)梁(liang)(liang)(liang)上(shang)可以犧牲次梁(liang)(liang)(liang)保住主(zhu)(zhu)梁(liang)(liang)(liang)和柱子。  

5. 節點設計  

    連接(jie)節點(dian)(dian)(dian)的(de)設計是(shi)鋼結(jie)構設計中(zhong)重要的(de)內容之一。在結(jie)構分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)前(qian)，就應該對(dui)節點(dian)(dian)(dian)的(de)形式有充(chong)分(fen)(fen)(fen)思考與確定。常(chang)常(chang)出現的(de)一種情況是(shi)，最終設計的(de)節點(dian)(dian)(dian)與結(jie)構分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)模型中(zhong)使用的(de)形式不完全一致，這必須避免。按傳(chuan)力特性(xing)不同(tong)，節點(dian)(dian)(dian)分(fen)(fen)(fen)剛(gang)接(jie)，鉸(jiao)接(jie)和(he)半(ban)剛(gang)接(jie)。初學者(zhe)宜(yi)選擇可以簡單(dan)定量分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)的(de)前(qian)兩者(zhe)。  

    連接的不(bu)同對結構(gou)影響甚大(da)。比如，有的剛接節點(dian)雖然(ran)承受(shou)彎矩沒有問題，但會產生較(jiao)大(da)轉動，不(bu)符(fu)合結構(gou)分析(xi)中的假定。會導致實(shi)際工程變形(xing)大(da)于計算數(shu)據等的不(bu)利結果(guo)。  

    連接(jie)節點(dian)有等(deng)強設計和實際受力設計兩(liang)種(zhong)常用的方法，初(chu)學(xue)者(zhe)可(ke)偏安全選用前者(zhe)。鋼結構設計手冊中通常有焊縫及螺栓連接(jie)的表格等(deng)供設計者(zhe)查用，比較方便(bian)。也可(ke)以使用結構軟件(jian)的后處理部分(fen)來自動(dong)完成。  

具體設計主要包括以下內容：  

    5.1 焊(han)(han)(han)接(jie)：對焊(han)(han)(han)接(jie)焊(han)(han)(han)縫(feng)的(de)尺寸(cun)及形式等，規范有強制規定(ding)，應(ying)嚴格遵(zun)守。焊(han)(han)(han)條的(de)選(xuan)用應(ying)和(he)被連接(jie)金屬材質適應(ying)。E43 對應(ying) Q235，E50 對應(ying) Q345. Q235 與 Q345 連接(jie)時，應(ying)該(gai)選(xuan)擇低(di)強度(du)的(de) E43，而不是 E50.  

    焊(han)接設計中不得(de)任意(yi)加大焊(han)縫(feng)。焊(han)縫(feng)的(de)重心(xin)應(ying)盡量與被連接構(gou)件重心(xin)接近。其(qi)他詳細內容可查規范關于焊(han)縫(feng)構(gou)造(zao)方面的(de)規定。  

5.2 栓接(jie)：  

    鉚接形(xing)式(shi)，在建(jian)筑(zhu)工程中，現已(yi)很少采用。 &nbsp;

    普通螺栓抗剪性能差，可(ke)在次要結構部位使用。  

    高強(qiang)螺栓，使用(yong)日益廣泛(fan)。常用(yong) 8.8s 和 10.9s 兩個(ge)強(qiang)度等級。根據受力特點(dian)分承壓(ya)型和摩擦型。兩者(zhe)計算(suan)方法不同。高強(qiang)螺栓最小規(gui)格 M12.常用(yong) M16~M30.超大(da)規(gui)格的螺栓性(xing)能不穩定，設計中應慎(shen)重(zhong)使用(yong)。  

    自攻螺絲(si)用于板(ban)材(cai)與薄壁型(xing)鋼(gang)間的次要連接。國外在低層(ceng)墻(qiang)板(ban)式住宅中，也(ye)常用于主結構的連接。  

5.3 連接板(ban)：可簡單取其厚度(du)為(wei)梁腹板(ban)厚度(du)加 4mm.然后驗算(suan)凈截面抗剪等。  

    5.4 梁腹板：應驗算(suan)栓孔(kong)處腹板的凈(jing)截面抗剪(jian)。承(cheng)壓(ya)(ya)型高強螺栓連接還(huan)需驗算(suan)孔(kong)壁局部承(cheng)壓(ya)(ya)。  

    5.5 節(jie)點(dian)設計必須(xu)考(kao)慮安裝(zhuang)螺栓、現場(chang)(chang)焊接等的(de)施工空間及構件(jian)吊裝(zhuang)順(shun)序等。構件(jian)運到(dao)現場(chang)(chang)無法(fa)安裝(zhuang)是(shi)初學者長犯的(de)錯誤。此外，還(huan)應(ying)盡可能使(shi)工人能方便(bian)的(de)進行現場(chang)(chang)定位與臨時固定。  

    5.6 節(jie)(jie)點設(she)計還應考慮制造廠的工藝水(shui)平。比如鋼管連接節(jie)(jie)點的相(xiang)貫(guan)線的切口需要(yao)數(shu)控機床(chuang)等設(she)備才能完成。 

6.構件設(she)計  

構件(jian)的(de)設計首先(xian)是(shi)(shi)材料的(de)選(xuan)擇(ze)。比較(jiao)常(chang)用(yong)(yong)(yong)的(de)是(shi)(shi)Q235 （類(lei)似(si) A3）和 Q345 （類(lei)似(si) 16Mn）。通常(chang)主結(jie)構使用(yong)(yong)(yong)單(dan)一鋼種以(yi)便于工程(cheng)管理(li)。經濟考慮，也(ye)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)不同(tong)強度鋼材的(de)組合截面。當強度起控(kong)制作用(yong)(yong)(yong)時(shi)，可(ke)選(xuan)擇(ze) Q345；穩定控(kong)制時(shi)，宜使用(yong)(yong)(yong) Q235.  

構(gou)件設計中(zhong)，現行(xing)規范使用的是彈塑性的方(fang)法來(lai)驗算(suan)截面(mian)。這(zhe)和結構(gou)內力計算(suan)的彈性方(fang)法并不匹配。  

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 等。這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構(gou)師的很多工作量。

但(dan)是，初學鋼至少應注意兩(liang)點：   

    6.1 軟件在做構件 （主要是(shi)柱）的截(jie)面(mian)驗算時，計算長(chang)度系數的取(qu)定有時會不符合規(gui)(gui)范的規(gui)(gui)定。目(mu)前所有的程(cheng)序(xu)都不能完全(quan)解決這個問題(ti)。所以，尤(you)其對于節點連接(jie)情況復雜或變(bian)截(jie)面(mian)的構件，結構師應該逐(zhu)個檢(jian)查(cha)。  

6.2 當上面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(bu)滿足，通常加(jia)大組成(cheng)截面的板(ban)(ban)件厚(hou)度，其(qi)中，抗彎不(bu)滿足加(jia)大翼緣厚(hou)度，抗剪不(bu)滿足加(jia)大腹(fu)板(ban)(ban)厚(hou)度。  

     （2）變形超(chao)限，通常不(bu)應(ying)加大板件厚(hou)度，而應(ying)考慮(lv)加大截面的高度，否則，會很不(bu)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。  

7.圖紙編制  

    鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)設計(ji)出圖(tu)(tu)(tu)(tu)分(fen)設計(ji)圖(tu)(tu)(tu)(tu)和施(shi)工詳(xiang)圖(tu)(tu)(tu)(tu)兩階段，設計(ji)圖(tu)(tu)(tu)(tu)為設計(ji)單位提供，主要是原理圖(tu)(tu)(tu)(tu)和桿件(jian)示意圖(tu)(tu)(tu)(tu)。施(shi)工詳(xiang)圖(tu)(tu)(tu)(tu)通常由鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)專(zhuan)業制(zhi)造公司，根據設計(ji)圖(tu)(tu)(tu)(tu)來進(jin)行具體(ti)的(de)深化(hua)設計(ji)內(nei)容。現(xian)在的(de)深化(hua)設計(ji)程序和先進(jin)，可(ke)以(yi)同(tong)時完成所有(you)桿件(jian)的(de)加工、制(zhi)作等內(nei)容。有(you)時也(ye)會由設計(ji)單位代為編制(zhi)。由于(yu)近年(nian)鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)項目增多和設計(ji)院鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)工程師缺乏的(de)矛盾，有(you)設計(ji)能(neng)力(li)的(de)鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)公司參與設計(ji)圖(tu)(tu)(tu)(tu)編制(zhi)的(de)情況也(ye)很普(pu)遍。  

7.1 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。  

7.2 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。初學者可參考他人的優秀設計并參考相關的工具書，并依據規范規定編制。