钢结构设计相关知识.docx
- 文档编号:27645893
- 上传时间:2023-07-03
- 格式:DOCX
- 页数:8
- 大小:23.29KB
钢结构设计相关知识.docx
《钢结构设计相关知识.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《钢结构设计相关知识.docx(8页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
钢结构设计相关知识
钢结构设计简单步骤和设计思路
(一)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、要求能活动或经常装拆的结构。
直观的说:
大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、雕塑、仓棚、工厂、住宅、山地建筑和临时建筑等。
这是和钢结构自身的特点相一致的。
(二)结构选型与结构布置
结构选型及布置是对结构的定性,由于其涉及广泛,应该在经验丰富的工程师指导下进行。
此处仅简单介绍.详请参考相关专业书籍.
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.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构造措施。
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、力学行为清晰、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。
林同炎教授在《结构概念和体系》一书中介绍了用整体概念来规划结构方案的方法,以及结构总体系和个分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。
钢结构通常有框架、平面桁架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构形式。
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,应考虑不同结构形式的特点。
在工业厂房中,当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载,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度外不需考虑雪载),如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳,总雪载和坡屋面相比释放近一半。
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。
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。
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,柱子至少应能单独承受1/4的总水平力.
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.
(三)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。
柱截面按长细比预估.通常50<λ<150,简单选择值在80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.
对应不同的结构,规范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。
(四)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-Δ,p-δ.
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.
(五)工程判定
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.初学者应充分明了.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.
工程师们过分信任与依赖结构软件有可能带来结构灾难,注重概念设计、工程判定和构造措施有助于避免这种灾难.
(六)构件设计
构件设计首先是材料的选择.比较常用的是Q235和Q345.当强度起控制作用时,可选择Q345;稳定控制时,宜使用Q235.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焊接组合截面(翼缘Q345,腹板Q235).另外,焊接结构宜选择Q235B或Q345B。
当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。
部分软件可以将不通过的构件,从给定的截面库里选择加大一级自动重新验算,直至通过,如sap2000等。
这是常说的截面优化设计功能之一,它减少了很多工作量。
但是,我们至少应注意两点:
1.软件在做构件(主要是柱)的截面验算时,计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定.目前所有的程序都不能完全解决这个问题。
所以,尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件,我们应该逐个检查.
2.当上面第(三)条中预估的截面不满足时,加大截面应该分两种情况区别对待。
(1)强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度,其中,抗弯不满足加大翼缘厚度,抗剪不满足加大腹板厚度。
(2)变形超限,通常不应加大板件厚度而应考虑加大截面的高度,否则会很不经济。
使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能,很难考虑上述强度与刚度的区分,实际上,除常用于网架设计外,其他结构形式常常并不合适。
(七)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.有时出现的一种情况是,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,如果你不能确信这种不一致带来的偏差差在工程许可范围内(5%),就必须避免。
按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接.初学者宜选择可以简单定量分析的前两者.常用的参考书[2]有丰富的推荐的节点做法及计算公式.
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大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.设计手册[2]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.
具体设计主要包括以下内容:
1.焊接:
对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守.焊条的选用应和被连接金属材质适应.E43对应Q235,E50对应Q345.Q235与Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50.
焊接设计中不得任意加大焊缝.焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近.其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定.
2.栓接:
铆接形式,在建筑工程中,现已很少采用.
普通螺栓抗剪性能差,可在次要结构部位使用.
高强螺栓,使用日益广泛.常用8.8s和10.9s两个强度等级.根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同.高强螺栓最小规格M12.常用M16~M30.超大规格的螺栓性能不稳定,应慎重使用。
自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接.在低层墙板式住宅中也常用于主结构的连接.难以解决的是自攻过程中防腐层的破坏问题。
3.连接板:
需验算栓孔削弱处的净截面抗剪等.连接板厚度可简单取为梁腹板厚度加4mm,则除短梁或有较大集中荷载的梁外,常不需验算抗剪。
4.梁腹板:
应验算栓孔处腹板的净截面抗剪.承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压.
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。
构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。
此外,还应尽可能使工人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.比如钢管连接节点的相贯线的切口可能需要数控机床等设备才能完成.
(八)图纸编制
钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图由设计单位提供,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。
由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾,有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。
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、焊缝质量检验的等级、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.
设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制,目前比较混乱,各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。
初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书,并依据规范规定编制。
1)钢材力学指标:
结构用钢的力学指标包括屈服点、抗拉强度、延伸率、低温冲击韧性。
这些指标应符合《钢结构设计规范》的要求,但其中低温冲击韧性仅在结构可能处于低温环境下工作时才要检验。
钢材力学指标的测定须符合《钢材力学及工艺性能试验取样规定》(GB2975-82)
(2)钢材化学成分:
与钢材的可加工性、韧性、耐久性等有关。
其中主要是碳的含量,合金元素的含量及硫、磷等杂质元素的限制含量应符合规范(GB222-84)要求。
(3)工艺性能:
工艺性能主要包括可焊性和加工性能。
可焊性与含碳量或碳当量(低合金钢)有关,可用可焊性试验鉴定。
加工性能则通过冷弯试验来确定。
按(GB232-88)为标准。
(4)几何尺寸偏差:
钢材(钢板、型钢、圆钢、钢管)的外形尺寸与理论尺寸的偏差必须在允许范围内。
允许偏差值可参考国家标准GB709-88、GB706-88、GB787-88、GB978-88,GB707-88、GB816-87等。
(5)钢材外形缺陷:
钢材表面不得有气泡、结疤、拉裂、裂纹、褶皱、夹杂和压入的氧化铁皮。
这些缺陷必须清除,清除后该处的凹陷深度不得大于钢材厚度负偏差值。
另外,当钢材表面有锈蚀、麻点或划痕等缺陷时,其深度不得大于该钢材厚度负偏差值的1/2。
(6)机械切割:
使用机械力(剪切、锯割、磨削)切割,相应的机械有剪板机、锯床、砂轮机等,较适合于厚度在12~16mm以下钢板或型材的直线性切割。
(7)气割:
使用氧-乙炔、丙烷、液化石油气等火焰加热融化金属,并用压缩空气吹去融蚀的金属液,从而使金属割离,适合于曲线切割和多头切割。
)
(8)等离子切割:
利用等离子弧线流实现切割,适用于不锈钢等高熔点材料的切割。
(9)热成形加工:
是指将钢材加热到一定温度后再进行加工。
这种方法适于成形、弯曲和矫正在常温下不能做的工件。
热加工终止温度不得低于700℃。
加热温度在200~300℃时钢材产生蓝脆,严禁锤打和弯曲。
含碳量超出低碳钢范围的钢材一般不能进行热加工。
(10)冷成形加工:
是在常温下进行的。
由于外力超出材料的屈服强度而使材料产生要求的永久变形,或由于外力超出了材料的极限强度而使材料的某些部分按要求与材料脱离。
冷加工都有使材料变硬变脆的趋势,因而可通过热处理使钢材恢复正常状态或刨削掉硬化较严重的边缘部分。
环境温度低于-16℃时不得冷加工碳素钢。
低于-12℃时,不得加工低合金钢。
(11)弯曲加工:
根据设计要求,利用加工设备和一定的工装模具把板材或型钢弯制成一定形状的工艺方法。
冷弯适合于薄板、小型钢;热弯适合于较厚的板及较复杂的构件、型钢,热弯温度在950~1100℃。
(12)卷板加工:
在外力作用下使平钢板的外层纤维伸长,内层纤维缩短而产生弯曲变形的方法。
卷板由卷板机完成。
根据材料温度的不同,又分为冷卷和热卷。
卷板主要用于焊接圆管柱、管道、气包等。
(13)折边:
把钢结构构件的边缘压弯成一定角度或一定形状的工艺过程称为折边。
折边一般用于薄板构件。
折边常用折边机,配合适当的模具进行。
(14)模压:
模压是在压力设备上利用模具使钢材成型的一种方法。
具体作法有落料成形、冲切成形、压弯、卷圆、拉伸、压延等。
(15)铲边:
铲边是通过对铲头的锤击作用而铲除金属的边缘多余部分而形成坡口。
铲边有手工和风动之分,风动用风铲。
铲边的精度较低,一般用于要求不高、少量坡口的加工。
(16)刨边:
刨边时工件被压紧,刨刀沿所加工边缘作往复运动,刨出坡口。
刨边可刨直边或斜边。
(17)铣边:
铣边与刨边类似,只是刨边机走刀箱的刀架和刨刀用盘形铣刀代替,即铣刀在沿边缘作直线运动的同时还作旋转运动,加工工效较高。
(18)碳弧气刨:
将碳棒作电极,与被刨削的金属间产生电弧将金属加热到融化状态,然后用压缩空气把融化的金属吹掉。
工效较高。
(19)地样法:
在装配平台上按1:
1放构件实样,然后根据零件在实样上的位置,分别组装起来成为构件。
(20)仿型复制法:
先用地样法组装成单面结构,并加定位焊,然后翻身作为复制胎膜,在其上面装配另一单面结构。
适用于横断面互为对称的桁架结构。
(21)立装:
根据构件的特点及其零件的稳定位置,选择自上而下或自下而上的装配,适于放置平稳、高度不大的结构。
(22)卧装:
构件放置平卧位置装配。
用于断面不大但长度较大的细长构件。
(23)胎膜装配法:
把构件的零件用胎膜定位在其装配位置上组装。
用于制造构件批量大精度高的产品。
(24)电弧焊:
利用焊条与工件间产生的电弧热将金属熔合的过程称为电弧焊。
电弧焊有手工焊、自动焊、半自动焊和气体保护焊之分。
(25)电阻焊:
以电流通过接触的两个焊件,在接触处电阻最大,电流通过产生高温,使材料呈半熔化状态,在加压力而熔合起来。
一般用于对焊圆钢或点焊钢板。
(26)电渣焊:
借电流通过熔渣所产生的电阻热来熔化金属进行焊接。
如用于箱形柱与梁刚接时柱内连接梁上下翼缘处加劲板的熔透焊。
(27)手工焊:
全部用人工操作的电弧焊,工效低,质量靠自己,稳定性差,但灵活,适于较短而复杂的焊缝或工地焊。
(28)埋弧自动焊:
焊接时电弧埋在粉状焊剂下面,由机械自动撒焊剂并送出移动焊丝。
适用于较长焊缝。
焊缝质量好,效率高。
(29)气体保护焊:
用CO2或氩气等保护电弧焊熔化的金属,其焊丝和气体的送出均为自动,仅需手工移动焊枪。
属半自动焊,焊接质量好,效率高。
(30)抛丸:
抛丸将粒径为0.8~2.0mm的钢丸经抛射机叶轮中心吸入,在叶轮尖定向高速抛出,射向需要作防锈处理的钢结构表面,达到机械除锈的目的。
这种方法除锈效率高,费用低,污染少。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 钢结构 设计 相关 知识