給大(da)家推薦(jian)一個用于鋼結構設(she)計的(de)(de)資料。雖說不(bu)是大師的(de)(de)杰作，卻不(bu)遜于(yu)(yu)大師的(de)(de)文章(zhang)。大師的(de)(de)作品對于(yu)(yu)具(ju)有一定專業水平的(de)(de)人(ren)是很有用(yong)途的(de)(de)，而對于(yu)(yu)初(chu)學者卻過于(yu)(yu)高深(shen)莫測。該資料特別適(shi)合剛從事鋼結(jie)構設(she)計的(de)(de)人(ren)員(yuan)。

一、鋼結(jie)構(gou)適(shi)用(yong)范(fan)圍及選(xuan)型

1.鋼結構適(shi)用的范圍 

    鋼結(jie)構(gou)通常(chang)用(yong)于高(gao)層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振(zhen)動(dong)、高(gao)溫車間、密封(feng)性要求高(gao)、要求能活動(dong)或經常(chang)裝(zhuang)拆的(de)結(jie)構(gou)。直觀的(de)說：超高(gao)層建筑(zhu)(zhu)、體育館(guan)、歌劇院(yuan)、大橋、電視塔(ta)、工業(ye)廠(chang)房(fang)和臨時建筑(zhu)(zhu)等。這是和鋼結(jie)構(gou)自身的(de)特(te)點相一致(zhi)的(de)。   

2.鋼結構的選型  

    在鋼(gang)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)設(she)計(ji)(ji)的(de)整個過程中，都應該被(bei)強調的(de)是"概(gai)念設(she)計(ji)(ji)"，它在結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)選型與(yu)布置(zhi)(zhi)階(jie)段尤(you)其重要(yao)。對(dui)一些難以作出精確理性分(fen)析(xi)或規范未規定(ding)的(de)問(wen)題(ti)，可(ke)(ke)依據從(cong)整體結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)體系(xi)與(yu)分(fen)體系(xi)之間(jian)的(de)力學(xue)關系(xi)、破(po)壞機(ji)理、震害、試(shi)驗現(xian)象和工程經驗所(suo)獲得的(de)設(she)計(ji)(ji)思想(xiang)，從(cong)全局的(de)角度(du)來(lai)確定(ding)控制結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)布置(zhi)(zhi)及細部措施。運用(yong)概(gai)念設(she)計(ji)(ji)可(ke)(ke)以在早期迅速、有效(xiao)地進(jin)行構(gou)(gou)思、比較與(yu)選擇。所(suo)得結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)方(fang)案往(wang)往(wang)易于手算(suan)、概(gai)念清晰、定(ding)性正確，并(bing)可(ke)(ke)避(bi)免結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)分(fen)析(xi)階(jie)段不必要(yao)的(de)繁瑣運算(suan)。同時，它也(ye)是判斷(duan)計(ji)(ji)算(suan)機(ji)內力分(fen)析(xi)輸出數據可(ke)(ke)靠與(yu)否的(de)主要(yao)依據。  

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(jie)構布置結(jie)束后，需對構件截面作初步估(gu)算。主要是梁柱和(he)支撐等的斷(duan)面形狀(zhuang)與尺寸的假(jia)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、鋼結構設計簡(jian)單步驟和設計思路

1.設計計算的手段 

    目前(qian)鋼結構(gou)實際(ji)設計中，結構(gou)分(fen)(fen)析通常為(wei)線彈性分(fen)(fen)析，條件允許時考慮 P- Δ，p- δ。  

    新(xin)近的(de)(de)一些有(you)(you)限元軟(ruan)件(jian)可以(yi)部分考(kao)慮幾何非線性及鋼材的(de)(de)彈塑性能。這為(wei)更精確的(de)(de)分析(xi)結(jie)(jie)構提供了(le)條件(jian)。并不(bu)是所有(you)(you)的(de)(de)結(jie)(jie)構都需要(yao)使用軟(ruan)件(jian)：典型結(jie)(jie)構可查力學(xue)手冊之類的(de)(de)工具書直接(jie)獲得內力和變形。簡單結(jie)(jie)構通過手算進行(xing)分析(xi)。復雜結(jie)(jie)構才需要(yao)建模運行(xing)程序并做詳細的(de)(de)結(jie)(jie)構分析(xi)。  

2.計算結果的判定  

    要正確(que)使用結(jie)構軟件，還應對(dui)其輸出(chu)結(jie)果的(de)做&quot;工程判定".比如，評(ping)估(gu)各向周期、總剪力、變形特(te)征等(deng)。根據"工程判定"選擇(ze)修(xiu)改模(mo)型重新(xin)分(fen)析，還是修(xiu)正計算結(jie)果。  

    不同的(de)軟件(jian)會有(you)(you)不同的(de)適(shi)用(yong)條件(jian)。初學者(zhe)應(ying)充分明了。此外(wai)，工(gong)程設(she)計(ji)中的(de)計(ji)算和精確的(de)力學計(ji)算本身常有(you)(you)一(yi)定距離，為了獲(huo)得實用(yong)的(de)設(she)計(ji)方(fang)(fang)法，有(you)(you)時會用(yong)誤(wu)(wu)差較大的(de)假定，但對這種(zhong)誤(wu)(wu)差，會通過"適(shi)用(yong)條件(jian)、概念及(ji)構(gou)造(zao)"的(de)方(fang)(fang)式來保證結(jie)構(gou)的(de)安(an)全(quan)。鋼結(jie)構(gou)設(she)計(ji)中，"適(shi)用(yong)條件(jian)、概念及(ji)構(gou)造(zao)"是比(bi)定量計(ji)算更重要(yao)的(de)內容。  

    工程師們(men)不應該過分信任與依賴結構軟(ruan)件。美國(guo)一(yi)位學者曾(ceng)警(jing)告說(shuo)：“誤用計算機造成(cheng)結構破壞(huai)而引起災難只是一(yi)個時間的問題。”  

  &nbsp; 注(zhu)重概念設計和(he)工程判定(ding)是(shi)避免這種工程災難(nan)的方法。  

3.判斷結構是否適合用鋼結構 

    鋼結(jie)構通(tong)常(chang)用于(yu)高層建筑(zhu)、大跨(kua)度(du)(du)、體型復雜(za)、荷載或吊車(che)起重(zhong)量大、有較(jiao)大振動(dong)、高溫車(che)間、密封性要求高、要求能(neng)活動(dong)或經常(chang)裝拆的(de)(de)結(jie)構。直觀的(de)(de)說：超高層公共建筑(zhu)、大跨(kua)度(du)(du)的(de)(de)公共建筑(zhu)、橋梁(liang)、電視(shi)塔、倉棚、工業廠房(fang)和(he)臨(lin)時建筑(zhu)等(deng)。這是和(he)鋼結(jie)構自身的(de)(de)特點相(xiang)一致的(de)(de)。

4.結構選(xuan)型與結構布置  

    在(zai)鋼結構(gou)(gou)(gou)設(she)計的(de)(de)(de)整個過程(cheng)中(zhong)都應該被(bei)強調的(de)(de)(de)是(shi)"概念設(she)計"，它(ta)(ta)在(zai)結構(gou)(gou)(gou)選型與(yu)(yu)布(bu)置階段尤其重要(yao)。對(dui)一些難(nan)以作出(chu)精確(que)理性(xing)分析或(huo)規(gui)范未規(gui)定的(de)(de)(de)問題(ti)，可依據(ju)從(cong)整體結構(gou)(gou)(gou)體系(xi)與(yu)(yu)分體系(xi)之間的(de)(de)(de)力學關系(xi)、破壞機理、震害、試驗現象和(he)工(gong)程(cheng)經驗所(suo)獲得的(de)(de)(de)設(she)計思想(xiang)，從(cong)全局(ju)的(de)(de)(de)角度來確(que)定控制結構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)布(bu)置及細(xi)部措施(shi)。運(yun)用概念設(she)計可以在(zai)早期迅速(su)、有(you)效地(di)進行構(gou)(gou)(gou)思、比(bi)較與(yu)(yu)選擇。所(suo)得結構(gou)(gou)(gou)方案往(wang)往(wang)易于手算、概念清晰、定性(xing)正確(que)，并可避免結構(gou)(gou)(gou)分析階段不必要(yao)的(de)(de)(de)繁瑣運(yun)算。同時(shi)，它(ta)(ta)也是(shi)判斷(duan)計算機內力分析輸出(chu)數據(ju)可靠與(yu)(yu)否的(de)(de)(de)主要(yao)依據(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(qi)理(li)論與技術大都成(cheng)熟。亦有(you)(you)部分難(nan)題(ti)沒有(you)(you)解(jie)決，或沒有(you)(you)簡單實用的設(she)計方(fang)法，比如網殼(ke)的穩(wen)定等。  

    框架結構的(de)樓層(ceng)(ceng)平(ping)面次梁(liang)(liang)(liang)的(de)布(bu)置，有(you)時可以(yi)調整其荷載傳遞方向(xiang)以(yi)滿足不同的(de)要求(qiu)。通(tong)常為了減小截面沿(yan)短向(xiang)布(bu)置次梁(liang)(liang)(liang)，但是這會(hui)使主(zhu)梁(liang)(liang)(liang)截面加大(da)，減少了樓層(ceng)(ceng)凈(jing)高(gao)，頂(ding)層(ceng)(ceng)邊柱也有(you)時會(hui)吃不消，此時把(ba)次梁(liang)(liang)(liang)支撐在(zai)較短的(de)主(zhu)梁(liang)(liang)(liang)上可以(yi)犧牲(sheng)次梁(liang)(liang)(liang)保住主(zhu)梁(liang)(liang)(liang)和(he)柱子。  

5. 節點設計  

    連接節點的設計(ji)是鋼結構設計(ji)中重要的內容之一。在結構分(fen)析(xi)前(qian)(qian)，就應該對節點的形式有充分(fen)思(si)考與確定(ding)。常(chang)常(chang)出(chu)現的一種(zhong)情況是，最(zui)終設計(ji)的節點與結構分(fen)析(xi)模(mo)型中使用的形式不(bu)完全一致，這(zhe)必須(xu)避免(mian)。按傳力特性不(bu)同(tong)，節點分(fen)剛接，鉸接和半剛接。初學者宜選擇可(ke)以簡單(dan)定(ding)量分(fen)析(xi)的前(qian)(qian)兩者。  

    連接(jie)的不同對結(jie)構影響甚大(da)。比如(ru)，有的剛接(jie)節點雖(sui)然(ran)承受彎(wan)矩沒有問題，但會產生較大(da)轉動，不符合(he)結(jie)構分析中的假(jia)定。會導(dao)致實際工程變形大(da)于計算數(shu)據等的不利(li)結(jie)果。  

    連接節點有(you)等強設(she)計和實(shi)際(ji)受(shou)力設(she)計兩種(zhong)常用的方法，初學(xue)者可偏安全選(xuan)用前者。鋼結(jie)構設(she)計手(shou)冊中通常有(you)焊縫及螺栓連接的表格等供設(she)計者查用，比較方便。也(ye)可以使用結(jie)構軟件的后處理部分(fen)來自動完(wan)成。  

具體設計主要包括以下內容：  

    5.1 焊接(jie)(jie)(jie)：對(dui)焊接(jie)(jie)(jie)焊縫(feng)的尺(chi)寸及形(xing)式(shi)等，規范有強制(zhi)規定，應(ying)(ying)嚴格遵(zun)守。焊條的選用應(ying)(ying)和被連接(jie)(jie)(jie)金屬材(cai)質適(shi)應(ying)(ying)。E43 對(dui)應(ying)(ying) Q235，E50 對(dui)應(ying)(ying) Q345. Q235 與(yu) Q345 連接(jie)(jie)(jie)時(shi)，應(ying)(ying)該選擇低強度的 E43，而(er)不是(shi) E50.  

    焊(han)接(jie)設計(ji)中不(bu)得任(ren)意加(jia)大焊(han)縫(feng)。焊(han)縫(feng)的重心應盡量與被連接(jie)構(gou)件重心接(jie)近。其(qi)他詳細(xi)內容(rong)可查規范關于(yu)焊(han)縫(feng)構(gou)造方面的規定。 &nbsp;

5.2 栓接：  

    鉚接(jie)形式，在(zai)建筑工程(cheng)中，現已很少采用。  

   ; 普通螺栓抗(kang)剪性能(neng)差，可在(zai)次要結構(gou)部位使用。  

    高強(qiang)螺(luo)栓(shuan)，使用日益廣泛。常用 8.8s 和 10.9s 兩個強(qiang)度等級。根據受力特點分承壓型(xing)和摩擦型(xing)。兩者計算(suan)方法不(bu)同。高強(qiang)螺(luo)栓(shuan)最小規格(ge) M12.常用 M16~M30.超大規格(ge)的(de)螺(luo)栓(shuan)性能(neng)不(bu)穩定(ding)，設計中應慎重使用。  

    自(zi)攻螺絲(si)用于板材與薄壁型鋼間的次要連(lian)接。國(guo)外在低層墻板式住宅(zhai)中，也(ye)常用于主(zhu)結構的連(lian)接。  

5.3 連接板：可簡單取其厚度(du)為(wei)梁腹(fu)板厚度(du)加 4mm.然后驗算凈截(jie)面抗剪等。  

    5.4 梁腹板：應驗算栓(shuan)孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型(xing)高(gao)強螺栓(shuan)連接還需(xu)驗算孔壁局部承壓。  

    5.5 節點設計必須(xu)考慮安(an)裝螺栓、現場(chang)焊接等的施工空間及構(gou)件吊(diao)裝順序等。構(gou)件運(yun)到(dao)現場(chang)無法安(an)裝是初學者長犯的錯誤。此外，還(huan)應盡可能(neng)使工人能(neng)方便的進行現場(chang)定位(wei)與臨時(shi)固定。  

    5.6 節(jie)點設(she)計還(huan)應(ying)考慮制造(zao)廠的(de)工藝水平。比(bi)如鋼管(guan)連(lian)接節(jie)點的(de)相貫線的(de)切口需要(yao)數控機床等設(she)備(bei)才能(neng)完成。&nbsp;

6.構件設(she)計  

構(gou)件的(de)設計首先是(shi)材(cai)(cai)料的(de)選(xuan)擇。比較常用的(de)是(shi)Q235 （類(lei)似 A3）和(he) Q345 （類(lei)似 16Mn）。通常主結構(gou)使(shi)用單一鋼種以便于(yu)工程管(guan)理。經濟考慮，也可(ke)以選(xuan)擇不同強度鋼材(cai)(cai)的(de)組合(he)截面。當強度起控(kong)制(zhi)作用時(shi)，可(ke)選(xuan)擇 Q345；穩定控(kong)制(zhi)時(shi)，宜使(shi)用 Q235.  

構(gou)件設計中，現行(xing)規范使用的(de)是(shi)彈(dan)塑性(xing)的(de)方法來驗(yan)算(suan)截面。這和結構(gou)內力計算(suan)的(de)彈(dan)性(xing)方法并不匹配。  

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(yi)。它減少了結構師的很多工作量。

但是，初學鋼至少應注意兩點(dian)：   

    6.1 軟件在做構(gou)件 （主要(yao)是柱）的(de)截面(mian)驗算(suan)時，計算(suan)長度系數的(de)取定(ding)(ding)有(you)時會不符合規(gui)范的(de)規(gui)定(ding)(ding)。目(mu)前所有(you)的(de)程序都不能完全解(jie)決這個(ge)問題。所以，尤(you)其對于節點連(lian)接情況(kuang)復雜(za)或變截面(mian)的(de)構(gou)件，結構(gou)師應該逐個(ge)檢查。  

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(zu)，通(tong)常加大組(zu)成截面的(de)板件厚度，其中，抗彎(wan)不(bu)滿足(zu)加大翼緣厚度，抗剪不(bu)滿足(zu)加大腹板厚度。  

     （2）變形超限，通常不應加(jia)大(da)板件厚度(du)，而應考慮加(jia)大(da)截面(mian)的高度(du)，否則，會很不經濟。  

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(she)(she)計(ji)(ji)出圖(tu)分設(she)(she)計(ji)(ji)圖(tu)和施(shi)工詳圖(tu)兩階段，設(she)(she)計(ji)(ji)圖(tu)為設(she)(she)計(ji)(ji)單(dan)位提供，主要是原理(li)圖(tu)和桿(gan)件示意圖(tu)。施(shi)工詳圖(tu)通常由(you)鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)專(zhuan)業制(zhi)(zhi)造公司，根據設(she)(she)計(ji)(ji)圖(tu)來(lai)進(jin)行具體的(de)深化(hua)設(she)(she)計(ji)(ji)內(nei)容。現在的(de)深化(hua)設(she)(she)計(ji)(ji)程序和先進(jin)，可以(yi)同時完成所(suo)有(you)桿(gan)件的(de)加工、制(zhi)(zhi)作等內(nei)容。有(you)時也會由(you)設(she)(she)計(ji)(ji)單(dan)位代(dai)為編制(zhi)(zhi)。由(you)于近年鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)項目增多和設(she)(she)計(ji)(ji)院鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)工程師缺乏(fa)的(de)矛盾，有(you)設(she)(she)計(ji)(ji)能(neng)力的(de)鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)公司參與設(she)(she)計(ji)(ji)圖(tu)編制(zhi)(zhi)的(de)情況也很普遍。  

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。