优易特(北京)建筑结构设计事务所有限公司
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钢结构经可靠性鉴定需要加固时,应根据可靠性鉴定结论和委托方提出的要求,由专业技术人员按本标准进行加固设计。加固设计的内容和范围,可以是结构整体,亦可以是指定的区段、特定的构件或部位。加固后的钢结构的安全等级应根据结构破坏后果的严重程度、结构的重要性和下一个使用期的具体要求,由委托方和设计者按实际情况商定。钢结构加固设计应与实际施工方法紧密结合,并应采取有效措施,保证新增截面、构件和部件与原结构连接可靠,形成整体共同工作。应避免对未加固的部分或构件造成不利的影响。下面就和UETER钢结构设计一起看一下钢结构设计的过程。
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、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:超高层建筑、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、工业厂房和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。
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。
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。
柱截面按长细比预估。通常 50<λ<150,简单选择值在 100 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。
初学者需注意,对应不同的结构,规范中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。在钢结构规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。
工程师们不应该过分信任与依赖结构软件。美国一位学者曾警告说:“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。”
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、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:超高层公共建筑、大跨度的公共建筑、桥梁、电视塔、仓棚、工业厂房和临时建筑等。这是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。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。
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。
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。常常出现的一种情况是,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,这必须避免。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。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。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。
6.构件设计
构件的设计首先是材料的选择。比较常用的是Q235 (类似 A3)和 Q345 (类似 16Mn)。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组合截面。当强度起控制作用时,可选择 Q345;稳定控制时,宜使用 Q235。构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。
当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件,从给定的截面库里选择加大一级。并自动重新分析验算,直至通过,如 sap2000 等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。但是,初学钢至少应注意两点:
7.图纸编制
钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图为设计单位提供,主要是原理图和杆件示意图。施工详图通常由钢结构专业制造公司,根据设计图来进行具体的深化设计内容。现在的深化设计程序和先进,可以同时完成所有杆件的加工、制作等内容。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。
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。优易特(北京)建筑结构设计事务所有限公司(简称UETER设计)是北京一家以加固设计、钢结构设计、消防设计、结构改造设计等为主的专业设计公司,企业成立于2012年,经过数年的磨练,已建立起一只具有加固改造专业设计专业团队。UETER设计人员熟练掌握各类设计软件,为客户提供专业加固设计、钢结构设计消防设计,临建设计等,并全程提供优质、完善且周到的人性化专业服务。优易特UETER设计院,加固设计、钢结构设计、结构改造设计、消防设计、蓝图盖章、计算书、别墅改造设计、别墅加建设计、甲级设计院、加固方案优化设计。北京加固设计,北京钢结构设计,北京消防设计,建筑设计、建筑方案设计、建筑施工图设计、3D效果图设计、加固设计、钢结构加固设计、结构施工图设计、开门洞加固设计、消防设计、结构检测、受力分析、结构计算书、开工证办理、蓝图报审盖章。