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温州大学本科毕业设计 建筑与土木工程学院某中学体育馆钢屋盖设计和实验楼结构设计摘要：文章通过介绍了结构设计的两种方法，软件电算和人工手算。对于我国现阶段常用的钢结构和混凝土结构电算软件，如PKPM、3D3S、MST等的介绍，简述了其结构设计的主要过程步骤和主要控制参数。同时，介绍了手工计算设计混凝土结构的基本方法和主要控制指标。通过对两种结构设计方法的介绍，较系统的阐述了结构设计过程。关键字：结构设计、钢屋盖设计、PKPM、手算、MST前言近年来我国建筑业规模不断扩大，在国民经济中的地位越来越重要。2012 年，全社会建筑业实现增加值35459 亿元，占GDP 比例达6.83%，建筑业支柱地位日益明显。2012 年，全国建筑业总产值135303.4 亿元，同比增长15.6% ；建筑企业共实现利润4818 亿元，比上年增长15.6%，增幅回落，产值利润率为3.56%，与2011 年持平。2012 年，建筑业13.53 万亿元的产值，带动其他部门产出高达33.8 万亿元，为全社会直接和间接创造产值高达47.36 万亿元1。钢结构行业在我国处于新兴行业，近年来随着钢结构运用领域的不断扩大， 建筑钢结构市场迅速增大；国家的“节能减排” 政策的全面推进， 使节能、环保、绿色的建筑钢结构大有用武之地，拉动了建筑市场对钢结构的需求；建筑业的结构安全和技术进步要求， 是促进钢铁产品升级换代的强大动力， 也是支撑钢结构市场趋好的内在动力；我国钢产量的快速增长， 促进了我国建筑钢结构产业迅速稳健发展2。建筑结构设计是我国建筑业的重要组成部分，同时也是建筑业的基础。本文从MTS电算钢结构屋盖、PKPM电算混凝土框架、手算混凝土框架结构部分概述了建筑结构设计的相关信息。从概念设计、理论计算等方面探索建筑结构设计方法，并掌握结构设计的主要流程步骤。一、钢屋盖设计 我国现阶段常用的钢结构设计软件主要有中国建筑科学研究院的PKPM系列软件（STS）、同济大学的3D3S系列空间钢结构软件、浙江大学MST系列钢结构软件、同济大学STRAT系列有限元建筑通用设计软件、中国冶建总院SS2000、PS2000系列钢结构软件。而其中又以PKPM、3D3S、MST三种软件用户最多，因此我们此次选择MTS软件进行此次设计中的钢桁架（钢网架）设计。主要用于网架和网壳工程结构设计的专业软件有：由浙江大学空间结构研究所开发的MSTCAD系列软件、由中国建筑科学研究院开发的MSGS系列软件、由北京云光设计咨询中心开发的SFCAD系列软件。其中又属MSTCAD软件有相对完善的升级系统和广大的用户群体，因此，我们此次采用MSTCAD系列软件进行设计钢架（钢网壳）3。钢结构设计软件STS是PKPM结构系列软件的一个功能模块，既能独立运行，又可以与PKPM结构系列软件的其他模块共享。可以完成钢结构的模型输入、优化设计、结构计算、连接节点设计与施 工图辅肋设计。其优点是紧扣规范，参数详尽，规则结构上设计效率比较高，后处理节点设计类型比较全面，带支撑柱脚节点设计混乱是STS的一个缺憾4。3D3S钢结构空间结构设计软件是同济大学独立开发的CAD软件系列，供以下四个系统：3D3S钢与空间结构设计系统、3D3S钢结构实体建造及绘图系统、3D3S钢与空间结构非线性计算与分析系统、3D3S辅助结构设计及绘图系统 。3D3S钢与空间结构设计系统包括轻型门式刚架、多高层建筑结构、网架与网壳结构、钢管桁架结构、建筑索膜结构、塔架结构及幕墙结构的设计与绘图等5。MSTCAD软件功能强大，其具有CAD前处理、图形处理、杆件优化设计、球节点设计、绘制施工图和机械加工图等大型模块。可方便建立各种网架模型，包括几何参数方程形成的空间曲面，建模可由CAD三维模型DXF格式导入，可自动分层，可通过上弦层自动生成腹杆层以及下弦层6。MSTCAD能进行一般内力分析、温度应力分析、吊车荷载、移动荷载分析、结构模态分析、地震效应分析，能考虑风振系数，截面库中可定义多种截面类型，可对其他非钢管截面空间结构进行分析，可能上部网架结构以及下部支撑体结构进行整体分析；后处理中有多种基准孔定位方式以及曲面基准孔自动拟合方式，有多种网架配件库可供用户选择；后处理出图可选择施工图类型及加工图类型7。用MSTCAD进行网架设计的过程是其各个模块依次发生作用的过程，其主要过程是：建立工程名称CAD前处理（几何图形、荷载、约束等输入）结构分析计算（杆件截面设计、验算）结果显示、球节点设计生成施工图生成加工图。2、 混凝土框架主体结构设计 1、手算混凝土框架 手工计算校对主要是为了加强对结构设计的理解，更加熟练应用理论知识和建筑概念设计。其主要步骤有：布置柱网、截面选择、确定计算简图、荷载计算、荷载组合、内力分析、截面优化、基础设计、楼梯设计等。1.1、布置柱网 根据已有的建筑图和建筑使用功能确定合理的柱网间距。目前，民用建筑常用的柱网可划分为小柱网和大柱网两类。小柱网一般指一个开间为一个柱距，柱距一般为3.3m、3.6m、4.0m等；大柱网指两个开间为一个柱距，柱距通常为6.0m、6.6m、7.2m、7.5m等。常用跨度进深有4.8m、5.4m、6.0m、6.6m、7.2m、7.5m等8。1.2、梁柱截面选择 框架梁、柱截面尺寸应当根据构件承载力、刚度及延性要求确定。设计时通常参照以往经验初步选定截面尺寸再进行验算。框架梁截面高度一般设计为其计算跨步的十八分之一到十分之一，主梁截面宽度为其高度的三分之一到二分之一。柱截面刚根据其轴压比来确定，并乘以一定的放大系数。除此之外，均需满足构造要求9。1.3、确定计算简图 框架结构是一个由横向框架和纵向框架组成的空间结构，但对平面布置和竖向布置比较规则的框架结构，则可简化为若干个横向或纵向平面框架进行分析。因此，设计中选取有代表性的纵横向框架各一榀，来计算其竖向荷载和水平荷载。计算简图的梁的跨度取其框架柱轴线距，柱的计算高除底层外取各层层高10。1.4、荷载计算框架结构的荷载主要考虑水平荷载和竖向荷载的影响，其高主要荷载有楼屋面恒载和活载、构件自重、风载、地震作用等，各荷载取值均可按荷载设计规范规定取值。1.5、内力分析对于竖向荷载采用分层法来进行荷载内力分析，将多层框架沿高度分成若干单层无侧移的敞口框架，每个敞口框架包括本层梁和与之相连的上、下层柱；对于水平荷载则采用D值法，框架结构在风荷载和水平地震作用下，可以简化为框架受节点水平力的作用，此时框架的侧移是主要的变形因素11。1.6、荷载组合荷载组合主要考虑承载能力极限分析和正常使用阶段分析的组合方法。承载力极限分析组和主要考虑以永久荷载为主的组合还是以可变作用为主的组合，两者取其中大者；正常使用阶段分析则主要用于裂缝，挠度等的控制，有相应的组合方法12。1.7、截面优化对设计计算结构进行优化配筋，通过选取相对较高强度的混凝土或配更多的钢筋等方法来减小混凝土柱或者梁的截面尺寸。另一方面则比照规范对结构构件的各种构造要求，来核对计算结果是否符合要求。1.8、其它构件设计其它构件，比如楼梯、阳台、雨棚等的设计则一般按照其受力特性，选择合理的力学简化模型计算其内力。楼梯一般分为板式楼梯和梁式楼梯，其受力一般按简支梁或简支板来考虑。阳台、雨棚则按悬挑梁或悬挑板来设计计算。2、PKPM电算混凝土框架PKPM结构系列软件是由中国建筑科学研究院开发研制的一套优秀软件产品，可用于建筑结构的建模、计算、绘图等，是国内建筑行业应用最为广泛的一套软件。其主要由PMCAD、PK、TAT、SATWE、JCCAD、LTCAD等模块组成。其主要设计过程是：首先，通过PMCAD进行结构数据的输入，建立整个建筑物的结构模型并施加荷载；其次，通过SATWE（PMSAP）等模块进行建筑物的截面配筋计算、抗震验算等；然后，利用JCCAD模块进行基础的配筋计算；最后，利用LTCAD进行楼梯的结构设计13。其中在电算结果中的主要控制的几个重要参数有：2.1、位移比位移比: 包括最大层间位移角、最大位移与层平均位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值，三个比值参数。最大层间位移角: 指的是结构体按弹性方法计算的，各楼层层间最大位移与该层层高之比( 应注意: 计算最大层间位移角时，不计入偶然偏心情况和双向地震情况) ; 抗规中，规定钢筋混凝土框架结构的弹性层间位移角限值为1 /55014。最大位移与层平均位移的比值: 指的是该楼层内节点产生的最大的弹性水平位移量与该楼层两端弹性水平位移量平均值的比值;最大层间位移与平均层间位移的比值: 是指对应上下楼层节点产生的相对位移量的最大值和平均值的比值根据高规第4. 3. 5 条的相关规定，进行多层框架结构计算时，一般也参照该条执行，应满足最大位移与层平均位移的比值和最大层间位移与平均层间位移的比值不宜超过1. 2，不应超过1. 5。另外还应注意: 最大位移、层平均位移、最大层间位移、平均层间位移的计算是基于楼层刚性板假定所得( 即: 要求在该楼层板平面内，各质点无相对位移) ，如果该楼层板平面内存在“弹性节点”，应在分析与设计参数补充定义里，勾选“强制刚性楼板假定”15。2.2、周期比周期比: 指的是结构体振动的周期比值，即第一个扭转震动的周期( Tt) 与第一个沿主轴方向水平震动的周期( T1) 的比值; 周期比主要控制的指标是结构体的扭转效应16。周期比要求的是结构体的整体性，即: 要求结构体抗侧力构件的平面布置合理以保证结构在侧向力作用下不出现较大的扭转变形，特别是在罕遇地震情况下的扭转效应17。如果周期比不满足规范的要求，说明该结构的扭转效应明显，则需要增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。2.3、刚重比刚重比: 是指结构侧向刚度与重力荷载设计值的比值。在风荷载或水平地震等水平作用下，结构产生倾覆力矩，及由于结构侧移产生的重力荷载产生的二阶效应，为抵抗倾覆力矩和重力二阶效应，结构体上，就必须布置抗侧构件，以产生足够大的抗倾覆力矩，避免结构的失稳倒塌，并控制结构的整体稳定性; 结构抗侧刚度是否足够、重力二阶效应对结构体影响的大小的指标，就是刚重比; 见高规5. 4. 1 和5. 4. 4 及相应的条文说明。刚重比满足规范要求时，整个结构体即能满足抗侧抗倾要求，也能达到一定的经济指标18。2.4、剪重比主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全。剪重比不满足规范要求，说明结构的刚度相对于水平地震剪力过小；剪重比过分过大时，说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积19。对于6度抗震设计的结构，抗震规范没有规定其地震剪力系数最小值，混凝土高规中也不能自行加以规定20。作为参考，设计中一般可考虑控制为0.8%-1%。本结构各层剪重比符合沿着竖向递增的规律，底层剪重比最小，X向为1.82%，Y向为1.88%，均1%。X，Y向有效质量系数均90%，满足规范要求。高规5.1.13正确计算剪重比,必须选取足够的振型个数使有效质量系数大于0.921。除此之外，还有刚重比、轴压比等一系列参数。3、 综述综上所述，结构设计中涉及到多种软件的使用，需要着重控制相关软件中的一些重要参数。参数的选取，将直接影响结构计算成果。因此，无论电算和手工计算都离不开结构设计者的结构概念设计。四、参考文献1贺灵童,陈艳.中国建筑业2012年总结J.建筑.2013.7-202金洁.我国建筑钢结构行业的基本现状J.中国建筑金属结构.2011.15-183李星荣、王柱宏.PKPM结构系列软件M.第四版.机械工业出版社4顾勇新.中国建筑业现状及发展趋势J. 中国建筑学会.2012,49-525马斌.钢结构行业市场调研报告分析J.重点观注.20126沈蒲生.混凝土结构设计M.第一版.高等教育出版社7白国良,王毅红.混凝土结构设计M.第一版.武汉理工大学出版社8罗尧治,董石麟.空间网格结构微机设计软件MSTCAD的开发J.空间结构.1990,19孔庆平,刘庆广,吕明涛.空间网格结构分析设计软件MSTCAD的应用J.治金标准化与质量2005,4310杜文风、张慧.空间结构M.第一版北京中国电力出版社11李星荣.钢结构工程施工图实例图集M.第一版.北京机械工业出版社12李国胜.混凝土结构设计及实例M.第二版.中国建筑工业出版社13汪建环,郭常军.网架设计应注意的几个问题J.工程建筑.2006,79-8514王艳巍,李霞,李中华.有限元分析在钢网架屋盖结构设计中的应用研究J.铁道工程学报.2007,615JGJ94-2008.建筑桩基技术规范S.北京.中国建筑工业出版社.200816GB 50068-2001.建筑结构可靠度设计统一标准S.北京.中国建筑工业出版社.200117GB 50009-2012.建筑结构荷载规范S.北京.中国建筑工业出版社.2012 18GB 50007-2011.建筑地基基础设计规范S.北京.中国建筑工业出版社.201119Lu X M, Ma Y F,Wang S X. The Study of Low-velocity ImpactCharacterist