钢结构设计简单步骤和设计思路.doc

钢结构设计简单步骤和设计思路-中国钢结构网转移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、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：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。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 此处仅简单介绍。 详请参考相关专业书籍。由于结构选型涉及广泛,做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指导下进行。 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。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。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。20 钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、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。在轻钢工业厂房中，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 ），如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳。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。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。19 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1/201/50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专家评说-详细信息钢结构：钢铁业一线新希望 5月、6月可以说是我国钢结构月，先有全国钢结构年会，再有住宅钢结构研讨会，又有多次钢结构展会，与此同时，我国钢铁业却又遇到多事之秋，于是有人呼吁把钢结构作为我国钢铁发展的新兴市场。而攀钢重组成钢后的主业之一就是发展建材用钢，为此它宁愿放弃向美国争取两亿美元的出口市场。钢结构建筑的发展 由于我国钢产量长时期处于低产量状况，建筑用钢不得不受到限制，我国传统建筑都是采用混凝土结构或砌筑结构。2001年，我国钢产量已达到1.5亿吨，跃居世界首位，发展建筑结构具备了必要的物质基础。至此，中国的钢结构产业摆脱了由于钢材数量不足对钢结构应用的束缚，驶上积极发展的快车道。但是，由于传统观念及其他诸种原因，我国建筑钢结构在整个建筑中所占的比例还很少。在住宅领域基本上还是空白，全国每年建造的数亿平方米的住宅建筑中基本上没有采用钢结构，只有少量钢结构小别墅。住宅领域，仍是混凝土或砖混结构的天下。有专家预言，21世纪将是钢结构快速发展的时期。因此，在1999年，经国家经贸委批准，我国将“轻型钢结构住宅建筑通用体系的开发和应用”作为我国建筑业用钢的突破点，并正式列入国家重点技术创新项目。在“十五”期间，每年建筑钢结构用钢材占全国钢材总产量的3%，年均钢材消费量为350万吨至400万吨；到2015年将再翻一番，全国建筑钢结构用钢材占钢材总产量的6%，钢材需求量达到年均600万吨至700万吨。可见，建筑钢结构的市场前景十分广阔。 钢结构建筑虽然在我国还没有进人大规模产业化时期，但是几十年来，我国建筑业在各种建设中还是作出了一系列的探索。 桥梁钢结构。目前，我国公路桥梁已有23万座，总长度达800万延米。1999年10月建成通车、主跨达1385m的江阴长江公路大桥，作为我国第一座超千米的悬索桥，其中，桥梁钢结构功不可没。中国铁路桥梁也在铁路造桥史上挥就大跨度飞跃的篇章：桥梁跨度从武汉长江大桥的128米发展到芜湖长江大桥的312米。所采用桥梁用钢种从A3低碳钢发展到14MnNbq低碳中强钢；钢材的屈服强度也从240MPa发展到350MPa。 高层建筑钢结构。我国1980年代建成的11幢高层建筑钢结构最高为208米，而1990年代以来正在建造成设计的高层建筑钢结构共约32幢，最高的达420米(已建)和460米(设计)。已建、在建的高层钢结构建筑已有40余幢，总面积达300多万平方米；用钢量约30多万吨。在世界上名列前15位的高层建筑中，有3座属于中国：上海金茂大厦(88层，421米高)，位列第四；深圳地王大厦(69层、325米高)，位列第十三；广州中天广场(80层、322米高)，位列第十四。在大连兴建的高度200米的远洋大厦钢结构，设计、制造、安装和材料全部是由国内承担和供应的，这说明完全由我国自己来建造超高层钢结构是可以做到的。型钢结构的发展尤其迅速，每年总体增长近200万平方米，差不多相当于80年代前我国轻钢结构的全部建造工程量。网架结构工程总数已达8000多项，建筑面积约800万平方米，年增长量约5060万平方米，压型钢板拱型结构工程的建筑总面积约100万平方米，年增长量约5060万平方米。 空间钢结构。近年来，我国以钢网架及网壳为代表的空间网格结构得以迅速发展，目前，每年竣工网架结构工程在1000万平方米以上。其中：北京首都机场四机位机库是世界上最大的飞机检修库之一，其屋盖跨度和覆盖面积均为国内最大，仅屋盖钢结构就使用钢材5000吨。在我国，100多米跨度的网架或网壳建筑已有多座。一批航站楼、会议展览中心、体育场馆开始采用矩形管、圆钢管制作空间衍架、拱架及斜拉网架结构，加上波浪形屋面，其身姿更引人注目。 轻钢结构。轻钢房屋钢结构是九十年代倔起的一个新兴产业，年总体增长近200万平方米，相当于八十年代我国轻钢结构的全部建造工程量。轻型钢结构所用钢板大量为涂层钢板。2000年，我国涂层钢板表现消费量达86.4万吨，而当年涂层板产量只有35.4万吨，市场满足率只有41%。轻型钢结构体系中檩条和墙梁一般采用Z形或C形冷弯薄壁型钢。目前，我国冷弯型钢年产量在30万吨左右。 住宅钢结构。迅速提升我国住宅产业化程度，推进我国建筑用钢的技术创新及产业结构调整，从20世纪80年代我国开始引进国外的轻钢住宅进行开发研究，到了目前已取得进展。各地向建设部申报的钢结构住宅建筑体系研究课题共计19项，项目包括钢结构住宅建筑体系研究、钢结构住宅产业化技术导则的编制研究和试点工程。2001年4月下旬在北京召开的课题立项评审与技术交流会，对钢结构住宅建筑体系试点工程的结构方案的合理性、可靠性，建筑方案的完整性、配套性、先进性，建筑体系的合理性，对是否具有较高的产业化水平，是否具有形成编制钢结构住宅产业化技术导则基础等进行了综合评价，其中一项作为建设部示范工程、18项作为科研立项。目前国产的建筑钢结构用钢在数量、品种和质量上发展都很快。如过去我国长期不能生产的H型钢，现在马钢、莱钢、鞍山第一轧钢厂、上海大通钢结构公司都能生产。最大截面高度700mm，年产能力140万吨(2000年产量40多万吨)；我国彩色钢板目前年产能力约为70至90万吨；冷弯型钢年生产能力约120万吨；为我国钢结构发展创造了重要条件。钢结构的市场前景 有关专家指出，未来数年，在电力、海洋、桥梁、机场、物流基地等几个方面值得广大钢结构领域企业的关注和重视。 在电力用钢结构方面，电力工业将“加强电网建设，推进全国联网”作为该行业“十五”期间发展和结构调整的重点，其头三年内投资250O亿元，而作为“西电东送”受端电网的广东，也将对城乡电网进行带规模改造，由此将带来我国输变电铁塔及变电站钢结构用材的高峰。据电力部门介绍，每年用于国家重点电力送出工程中的钢材就有五六十万吨，其中，电力铁塔用钢中型材比例高达84%左右。有关专家预计，其需求量每年将递增10%左右，且不包括地方及城乡电网改造用的钢材量。 在海洋钢结构应用方面，按照海洋石油的发展规划，未来五年，我国将投资1200亿元人民币开发海洋石油天然气，到2005年争取新建成7个海洋油气田并投入使用，海洋油气年产量平均每年将递增20%。海洋石油天然气的广阔开发前景，也进一步拉动了我国的海洋采油平台钢板的需求。据了解，目前已相继开工多个亿吨级海上油、气田，海洋采油平台钢结构用材量也随之迅速增加；蓬莱193油田明年需要海洋采油平台钢板2万吨。渤海油田在今后5年内将建立50个海上石油平台。 在桥梁用钢结构方面，钢结构已经越来越受到桥梁设计单位、业主和主管部门的青睐，而未来数年，全国各地将大规模加强各种路网的建设，可以预见，大跨度的钢结构桥梁不断地涌现。如：拟建中的连接香港和珠海伶仔洋跨海公路大桥，连接广东与海南的琼州海峡大桥、连接浙江与舟山市的大型桥梁工程等。又如：今年6月份开工的青藏铁路工程中，已全线开工的各种桥梁有60座，这些都将推动桥梁钢结构消费增长。 在机场建设钢结构应用方面，“十五”期间，国家将重点建设枢纽机场，完善干线机场，增加支线机场，投资1300亿元，重点建设北京、上海、广州三个枢纽机场，扩建天津、沈阳、大连、成都、重庆、宁波、济南等干线机场，新建和改扩建敦煌、黑河、九寨沟、佳木斯等40个支线机场，到2005年，全国通航机场将从现在的129个增加到150个。 在物流方面，各个中心城市都掀起建设物流基地的热潮，如北京、上海、广州、深圳等中心城市都提出了建设地区性、全国性甚至国际性的物流基地，而物流基地的建设，将涉及到港口、大型仓库的建设，这给钢结构带来的应用市场不容忽视。 住宅钢结构方面，国家经贸委、国家建设部已将之纳入规划、试点中，钢结构住宅产业化也正在马钢、莱钢、天津进行试点。我国钢结构住宅建筑所需要解决的问题和建筑钢材方面的具体发展目标：高层建筑钢结构用厚板，冷弯型钢用高强度低合金钢、镀铝锌薄板等全部国产；建筑钢材性能稳定性显著提高；建筑型材规格齐全；建筑用高强度低合金钢品种增加；可以供应耐候钢、耐火钢、低屈强比钢、不锈钢等。研究钢结构在各类建筑中应用的新体系，扩大应用范围；多层钢结构建筑有大发展；研究开发新型防腐蚀和防火措施；设计标准与国际接轨；开发一流设计软件，能充分满足各种钢结构设计、制作的需要；完善设计规范和标准；加强设计手册、图集及各种资料汇编的编辑和供应；建立健全的工程设计审查制度，使大型工程设计置于国家监督之下；大力培养钢结构技术人才；建立一批技术先进、设计制作安装一条龙、能提供系列产品的大型钢结构集团公司，在国内市场占主导地位，在国际市场占有一定份额。争取建筑钢结构达到国际水平。 至于钢结构用材方面，有关专家提出进一步开拓市场的思路：在板材方面，随着焊接优质结构钢、耐火钢、低屈强比钢等建筑用高强度低合金钢品种的增加及性能稳定性显著提高，应进一步加大其应用推广力度；建立我国自己的彩涂板性能优良的产品系列，尽快实现彩板国产化，积极开发镀铝锌板等品种。在型材方面，大力开发生产性能良好的钢结构制品及通用化、商品化构件；增加承重骨架用高强度低合金冷弯型钢的产量；积极推进热轧H型钢在国内钢结构工程中的国产化。在工程中推广薄壁热轧H型钢、优质星级H型钢等优良新品种的应用。钢结构产业发展中存在的问题 尽管钢结构产业在我国有了可喜的进步。但是发展力度远远不够，一是同世界上的不少国家相比，我国钢结构在建筑业中所占的比例过小。世界各国建筑业都是钢材的主要用户之一，工业发达国家在其建筑业的增长时期基本建设用钢量一般占钢材总量的30%以上，而我国目前建筑用钢量只达到2226%。这56%的差距主要在于我国房屋结构的用钢量还比较少。据统计，目前我国钢结构建筑所用的钢材还不到全国钢材总产量的2%，而有些国家钢结构用钢量已占到钢产量的30%以上，钢结构面积占到总建筑面积约40%以上。如日本每年用于建筑的钢材2500万吨左右，其中用于钢结构住宅的钢材也有700至800万吨。 二是虽然行业管理部门和社会各界都在强调发展钢结构建筑，但由于多年以来钢结构的发展较钢筋混凝土结构慢，人们对此还不很熟悉，对钢结构建筑多方面的优越性认识不够，一些工程还不能采用最优方案的钢结构体系，存在着转变观念的问题。对于钢结构与混凝土建筑的造价问题，也要有个全面的认识。如果只考虑结构造价，纯钢结构约是混凝土结构造价的2倍左右，钢-混凝土组合结构约是混凝土结构造价的1.5倍左右。但考虑一个结构系统的优势，应考虑其综合效益。一个高层建筑工程的总投资，包括工程造价、动迁费用、征地费用等方面，工程造价只占工程总投资的50%。而工程造价又包括结构造价，装饰费用、设备费用等，结构造价只占工程造价的30%不到。而结构造价又分上部结构和基础造价，上部结构造价仅占基础造价的50%70%。钢结构只是指工程的上部结构，在工程总投资中仅占10%不到。因此，高层建筑采用钢结构与采用混凝土结构间的差价所占工程总投资的比例将更小，一般不到工程总投资的4%。如果加上钢结构自重轻，节约基础造价；强度高，增加建筑有效使用面积；施工速度快，缩短工期；抗震性能好(根据日本神户大地震资料，混凝土结构的房屋，大都倒塌，而钢结构房屋则没有大面积倒塌的。唐山地震中，钢结构厂房的柱头、钢屋架等基本没有倒)等优势，两种结构的综合经济效益基本持平，甚至采取钢结构具有更好的综合经济效益。 三是对于业主和设计单位，钢结构正逐步改变着传统建筑设计理念，这需要我们结构设计人员不断充实钢结构设计思维，学习先进的设计经验，突破传统结构约束，来不断适应新形势的要求。目前国产建筑钢材存在的主要问题：厚板方面，抗拉和屈服强度偏低，化学成份不均匀，可焊性差，常出现分层、丝裂、偏析等现象；高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未解决，不能满足轻型房屋钢结构的需要；我国只生产镀锌薄板不生产镀铝锌薄板，而在轻钢房屋中，用户多选用抗蚀性能更好的镀铝锌薄板；我国的型