摘要：隨著我國工業的發展，很多大跨度場館、高層建筑、構筑物、中小型建筑都采用了鋼結構。本文僅對鋼結構設計步驟和思路做了簡單介紹，為了出色的完成一項鋼結構設計，需要設計人員熟悉鋼結構相關規范、鋼結構設計原理及熟練運用設計軟件，另外，對于工業鋼結構建筑還應充分考慮工藝專業特殊要求。

　　關鍵詞：鋼結構設計步驟,概念設計,節點設計

　　引言

　　隨著我國工業的發展，很多大跨度場館、高層建筑、構筑物、中小型建筑都采用了鋼結構。無可置疑，鋼結構有很多優越條件，如鋼材的組織均勻、強度高、彈性模量高、塑性和韌性好，適于承受沖擊和地震荷載，鋼材的密度與強度之比較小，而且鋼結構便于機械化生產，是工程結構中工業化程度最高的一種。但是，也不能否認，鋼結構還存在著缺陷和隱患。對于鋼材本身的材質問題以及耐候性、耐火性、耐腐蝕性，還存在著大量的研究課題。同時，大量的事故表明，鋼結構構件由于強度高，所用截面相對小，也就容易失去穩定，這就需要我們在設計時對結構的適用性、合理性、可靠性等方面進行多加論證，下面就對鋼結構設計中的問題做以探討。

　　一﹑判斷結構是否適合采用鋼結構

　　鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。從當前的發展情況看，大致可分為普通鋼結構和輕型鋼結構。其中普通鋼結構包括采用大截面和厚板的結構，如高層鋼結構、重型廠房和某些公共建筑等;輕型鋼結構主要指采用輕型屋而和墻而的門式鋼架房屋、某些多層建筑、壓型鋼板薄壁拱殼屋蓋等。此外，還有網架、網殼等空間結構。鋼結構在橋梁、工業構架等方而也有廣泛應用。

　　二﹑結構選型與結構布置

　　在鋼結構設計的整個過程中都應該強調“概念設計”，它在結構選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規范未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理去試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。鋼結構通常有框架、平面(木行)桁架、網架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。其計算理論與應用技術大都成熟，但亦有部分難題沒有解決。

　　結構選型時，應考慮具體工程的特點。在輕鋼工業廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載時，就不宜采用門式剛架。一當建筑及工藝流程允許時，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。當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。

　　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。結構的抗側力結構應有多道防線，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。

　　框架結構樓層平面次梁的布置，有時可以調整其荷載傳遞方向。通常為了減小次梁截面，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，此時如果沿長向布置次梁，雖然次梁截面加大，但結構整體效果可能會更好。

　　三﹑截面的選擇

　　結構布置結束后，需對構件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。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當按1/b限值確定時，可滿足鋼梁整體穩定的要求。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(λ)預估。通常取值范圍在50<λ<150，一般初選值可在100左右。截面型式可根據柱截面不同的受力狀態，選擇鋼管或H型鋼等。

　　對應不同類型的鋼結構，設計規范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，在普通鋼結構規范和輕型鋼結構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。

　　四﹑結構分析

　　目前鋼結構實際設計中，結構分析通常為線彈性分析，條件允許時考慮P一△，P一8。新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能。這為更精確的分析結構提供了條件。并不是所有的結構都需要使用結構分析軟件：典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形;簡單結構通過手算進行分析;復雜結構才需要建模運行程序并做詳細的結構分析。我們現在用的結構分析軟件大多為sap2000、PKPM系列軟件等，對簡單的計算模型也可以用到一些更加簡便的小軟件進行分析，如探索者CAD、世紀旗云結構設計工具箱等等，利用它們可以讓設計人員做到事半功倍。

　　五﹑工程判定

　　要正確使用結構軟件,還應對其輸出結果的做“工程判定” 。比如,評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據“工程判定”選擇修改模型重新分析,還是修正計算結果不同的軟件會有不同的適用條件。初學者應充分明了。此外,工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離,為了獲得實用的設計方法，有時會用誤差較大的假定，但對這種誤差，會通過“適用條件、概念及構造”的方式來保證結構的安全。鋼結構設計中，“適用條件、概念及構造”是比定量計算更重要的內容。工程師們不應該過分信任與依賴結構軟件美國一位學者曾警告說：“誤用計算機造成結構破壞而引起災難只是一個時間的問題。”注重概念設計和工程判定是避免這種工程災難的方法。

　　六﹑構件設計

　　構件的設計首先是材料的選擇。比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn)。通常主結構應當使用單一鋼種，以便于工程管理。從經濟角度考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。當強度起控制作用時，可選擇Q345;當穩定起控制作用時，宜選擇Q235。

　　構件設計中,現行規范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這和結構內力計算的彈性方法并不匹配。

　　當前的結構分析軟件，都提供截面驗算的后處理功能。一些軟件可以將驗算時不滿足的構件，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，這就是常說的截面優化設計功能之一。例如sap2000、PKPM系列軟件等就可以提供這種功能，它雖然可以提高結構工程師的工作效率，但是設計人員至少應注意2點：

　　(1)軟件在做構件(主要是柱)的截面驗算時，計算長度系數的取值有時會不符合規范的規定。目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以，尤其對于節點連接情況復雜或變截面的構件，結構工程師應該逐個檢查。

　　(2)當預估截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區別對待：①強度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度;②變形超限，通常不應加大板件厚度，而應考慮加大截面的高度，否則，會很不經濟。這在初學者中時常會出現問題。例如在一個輕型門式剛架結構設計中，設計人員沒有考慮到這一點，為滿足柱頂位移要求，而調整鋼柱板材厚度，以至于最終柱斷面調整為20mm厚的鋼板，已經不能稱之為輕型門式剛架結構了。這樣使得材料沒有充分發揮出本身的承載作用，而且造成了浪費。

　　我們設計中大多使用的軟件是PKPMCAD計算軟件，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。所以必須通過人為的修改才能更加合理。

　　七﹑節點設計

　　連接節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一。在結構分析前，就應該對節點的形式有充分思考與確定。常常出現的一種情況是，最終設計的節點與結構分析模型中使用的形式不完全一致,這必須避免。按傳力特性不同，節點分剛接，鉸接和半剛接。初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。常用的參考書[2]有豐富的推薦的節點做法及計算公式。

　　連接的不同對結構影響甚大。比如，有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題，但會產生較大轉動,不符合結構分析中的假定。會導致實際工程變形大于計算數據等的不利結果。

　　連接節點有等強設計和實際受力設計2種常用的方法，初學者可偏安全選用前者。設計手冊[2]中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者查用，比較方便。也可以使用結構分析軟件的后處理部分來自動完成。

　　具體設計主要包括以下內容：

　�、俸附�，對焊接焊縫的尺寸及形式等，規范有強制規定，應嚴格遵守。焊條的選用應和被連接金屬材質適應。E43對應Q235，E50對應Q345.Q235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43，而不是E50。焊接設計中不得任意加大焊縫。 焊縫的重心應盡量與被連接構件重心接近。其他詳細內容可查規范關于焊縫構造方面的規定。②栓接，鉚接形式，在建筑工程中，現已很少采用。普通螺栓抗剪性能差，可在次要結構部位使用。高強螺栓，使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個強度等級。根據受力特點分承壓型和摩擦型。兩者計算方法不同。高強螺栓最小規格M12.常用M16～M30.超大規格的螺栓性能不穩定，設計中應慎重使用。自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。國外在低層墻板式住宅中,也常用于主結構的連接。③連接板，可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm，然后驗算凈截面抗剪、抗拉等。④粱腹板，應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪，承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。同時兼顧施工時的安裝就位的凈空尺寸等等因素。⑤節點設計，必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。⑥節點設計還應考慮制造廠的工藝水平 比如鋼管連接節點的相貫線的切口需要數控機床等設備才能完成。

　　八﹑圖紙編制

　　鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段,設計圖為設計單位提供,施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據設計圖編制,有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的矛盾,有設計能力的鋼結構公司參與設計圖編制的情況也很普遍。

　　(一)設計圖

　　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。

　　(二)施工詳圖

　　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。

　　九﹑結束語

　　作為一名專業設計人員，設計出結構合理、安全可靠、經濟適用的設計產品是我們的職責，文本通過鋼結構設計過程的探討，指出了在鋼結構設計過程中應該注意的問題，可為專業設計人員提供借鑒。