钢结构设计入门的简易方法

一、钢结构适用范围及选型

 1、钢结构适用的范围

钢结构通常用于高层、大跨度、荷载或吊车起重量大，有较大振动、工业厂房、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说，超高层建筑、大桥、电视塔、和临时建筑等。

 2、钢结构的选型

 在轻型钢结构设计的整个过程中，都应该被强调的是"概念设计"，它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出理性分析的问题，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。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、平面（木行）架、网架（壳）、索膜、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。在钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，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50度内需考虑雪载），如采用三心圆网壳。总雪载释放近一半。降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。我国半数以上的此类高层为前者，对抗震不利。

 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Zui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。

 框架结构的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，减少了楼层净高，顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。

 3、钢结构构件的截面选取

 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的断面形状与尺寸的假定。

 钢梁可选择槽钢、轧制或焊接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1/20~1/50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。

 除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，钢结构结构设计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。

 二、钢结构设计简单步骤和设计思路

 1、设计计算的手段

 目前建筑钢结构设计中，结构分析通常为线弹性分析。

 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。这为更的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件：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并做详细的结构分析。

 2、计算结果的判定

 要正确使用结构软件，还应对其输出结果的做"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。钢结构设计方案中，"适用条件、概念及构造"是比定量计算更重要的内容。

 工程师们不应该过于信任与依赖结构软件。注重概念设计和工程判定是避免这种工程灾难的方法。

 3、判断结构是否适合用钢结构

 钢结构通常用于高层建筑、大跨度、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：超高层公共建筑、大跨度的公共建筑、桥梁、仓棚、工业厂房和临时建筑等，这和钢结构自身的特点相一致的。

 4、结构选型与结构布置

 在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是"概念设计"，它在结构选型与布置阶段尤其重要。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。

 钢结构通常有框架、平面（木行）架、网架（壳）、索膜、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。

 框架结构的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，减少了楼层净高，顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上，可以牺牲次梁保住主梁和柱子。

 5、节点设计

 连接节点的设计是设计钢结构中重要的内容之一。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，Zui终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。

 连接的不同对结构影响甚大。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动，不符合结构分析中的假定。会导致实际工程变形于计算数据等的不利结果。连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法，初学者可偏安全选用前者。钢结构设计手册中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用，比较方便。也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成。