鋼結(jié)構(gòu)廠房概念設(shè)計的分析

郭曉光 解慶平

【摘 要】建一筑結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展提倡采用概一念設(shè)計思想來促進結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)造性，推動結(jié)一構(gòu)設(shè)計一的合理性。一般大型工程經(jīng)常要求大空間，或建筑造型新穎，設(shè)計師往往會考慮鋼一結(jié)構(gòu)，而鋼結(jié)構(gòu)工程對結(jié)構(gòu)設(shè)計師提出了更高的要求，它不但要設(shè)計出安全、可靠的結(jié)構(gòu)型式，還要盡量壓縮一施工周期，節(jié)約成本。本文主要介紹了廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些經(jīng)驗。

【關(guān)鍵詞】廠房；鋼結(jié)構(gòu)；概念設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計

【中圖分類號】TU2【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）02-0192-02

1 判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)通一常用于高一層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動或經(jīng)常裝一拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：大型廠房、大廈、體育一館、歌劇院、電視塔、工廠和臨時建筑等，這是跟鋼結(jié)一構(gòu)自身的特點相一致的。

2 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

在鋼結(jié)構(gòu)一設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該一被強調(diào)的是“概念設(shè)計”，它在一結(jié)構(gòu)選型及布置階一段尤其重要。對一些難以作出精確理性一分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體一系與分體系之間的力學關(guān)系、破壞機理和工程經(jīng)驗一所獲得的設(shè)計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部措施。運用一概念設(shè)計可以在早期迅速、有效地進一行構(gòu)思、比較一與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)i分析一階段不必要的繁瑣運算。同時一，它也一是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。由于大型廠房專業(yè)多、配合多、工藝復(fù)雜等特一殊性，為了滿足工藝一一專業(yè)的功能需一要，經(jīng)常需要構(gòu)思出一些非常規(guī)的結(jié)構(gòu)類型，這就需要一定工程經(jīng)驗的積累及對“概念設(shè)計”具備一定深度理解的一工程人員，發(fā)揮主觀能動性，設(shè)計出經(jīng)濟、實用的工程。

鋼結(jié)構(gòu)廠房中應(yīng)用較多的是框架、桁架結(jié)構(gòu)型式。

結(jié)構(gòu)選型時，應(yīng)考慮它們不同的特點，在工業(yè)廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就一可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架?；狙捍蟮牡貐^(qū)，屋面曲線應(yīng)有利一于積雪滑落，降雨量大一的地區(qū)類似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比純框架有更好的經(jīng)濟性。結(jié)構(gòu)的布一置要根據(jù)體系特征，荷載分一布情況及性質(zhì)等綜合一考慮。一般的說一要剛度均勻，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一到基礎(chǔ)，柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻，其形一心要盡量靠近側(cè)一向力的作用線。否則應(yīng)考一慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。

框架結(jié)構(gòu)的一樓層平面次梁的布置，有時可一以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減一小截面沿短向布置次梁，但是這會使一主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也一有時會超限，此時把次梁支撐在較一短的主一梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

3 預(yù)估截面

結(jié)構(gòu)布置結(jié)束一后，需對構(gòu)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。

鋼梁可選擇一槽鋼、工字鋼、軋制或焊接H型鋼截面等，根據(jù)荷載與支座情況，其截面一高度通常在跨度的1/20～1/50之間選擇，確定了截一面高度和一翼緣寬度后，其板件一厚度可按規(guī)范一中局部穩(wěn)定的一構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。

柱截面按長細比預(yù)估。通常50<λ<150，簡單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。除此之外，構(gòu)件截面形式的選擇沒有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟美觀的截面。

4 結(jié)構(gòu)分析

目前鋼結(jié)一構(gòu)實際設(shè)計中，結(jié)構(gòu)分析通常一為線彈性分析，設(shè)計院一般會有STS，3D3S等鋼結(jié)構(gòu)計算分析軟件。有些可以部分考慮幾何非線性及一鋼材的彈塑性能，這為更精確的一分析結(jié)構(gòu)提供了條件，復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要兩種以上軟件建模計算分析。

5 工程判定

要正確使用結(jié)構(gòu)軟件，還應(yīng)對其一輸出結(jié)果的做“工程判定”。比如，評估周期、總剪力、變形特征等一。根據(jù)“工程判定選擇修改模型重新分析，修正計算結(jié)果。不同的軟件會有不同的適用條件。此外，一工程設(shè)計中的一計算和精確的力學計算本身常有一定距離，會通過“適用條件、概念及構(gòu)造”的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，“適用條件、概念及構(gòu)造”是比定量一計算一更重要的內(nèi)容，不應(yīng)該過分信任一與依賴結(jié)構(gòu)軟一件，注重概念設(shè)計和工程判定是避免因結(jié)構(gòu)軟件出錯而造成嚴一重的后果。

6 構(gòu)件設(shè)計

構(gòu)件的設(shè)計首先是材料的選擇，比較常用的一是Q235和Q345，通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種，也一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；穩(wěn)定控制時，宜使用Q235。

當前的結(jié)構(gòu)軟件，大都提供截面驗算的后處理功能，一些軟件可以將驗算時通不過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選一擇加大一級，并自動重新分析驗算，直至通過，這是常說的截一面優(yōu)化設(shè)計功能之一，它減少了結(jié)構(gòu)師的很一多工作量，但是，初學鋼結(jié)構(gòu)至少應(yīng)注意兩點：

（1）軟件在做構(gòu)件的截面驗算時，計算長度系數(shù)的取定，有時會不符合規(guī)范的規(guī)定，尤其對于節(jié)點一連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件，應(yīng)該逐個檢查。

（2）當預(yù)估的截面不滿足時，加大截面應(yīng)該分兩種情況區(qū)別對待。

①強度不滿足，通常加一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(yīng)加大板件厚度，而應(yīng)考慮加大截面的高度，否則，會很不經(jīng)濟。

使用軟件加大截面的優(yōu)化設(shè)計功能，很難考慮上述強度與剛度的區(qū)別，實際工作中，常常并不合適。

7 節(jié)點設(shè)計

連接節(jié)點的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對節(jié)點的形式有充分思考一與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計的節(jié)點與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致。這必須避免。連接的不同對結(jié)構(gòu)影響甚大，會導(dǎo)致實際工程變形大于計算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果。

連接節(jié)點有等強設(shè)計和實際受力設(shè)計兩種常見的方法，設(shè)計手冊中通常有焊縫及螺栓連接表格等供設(shè)計者查一用，比較方便，也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來完成。具體設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：

（1）焊接：對焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)范有強制一規(guī)定，應(yīng)嚴格遵守，焊條的選用應(yīng)和被連接一金屬材質(zhì)適用。E43對應(yīng)Q235，E50對應(yīng)Q345。

焊接設(shè)計中不得任意人加大焊縫，焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近，其它詳細內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定。

（2）栓接：普通螺栓抗剪一性能差，可在次要結(jié)構(gòu)部位使用，高強螺栓，使用日益廣泛，通常8.8s和10.9s兩個強度等級，根據(jù)受力特點分承壓型和摩擦型，兩者計算方法一不同，高強螺栓常用M16～M30，超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，設(shè)計中應(yīng)慎重使用。自攻螺絲用于一板材與薄壁型鋼間的次要連接。

（3）連接板可簡單取其厚度一為梁腹板厚度增加2mm～4mm，然后驗算一凈截面抗剪等。

（4）梁腹板：應(yīng)驗一算栓孔處腹板的凈截面抗剪，承壓型高一強度螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。

（5）節(jié)點設(shè)計必須考一慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工一空間及構(gòu)件吊裝順序等。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進行一現(xiàn)場定位與臨時固定。

（6）節(jié)點設(shè)計一還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平，比如鋼管連接節(jié)點一的相貫線的切口需要數(shù)控機床設(shè)備才一能完成。

8 圖紙編制

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)一計出圖分設(shè)計圖和施工一詳圖兩階段，設(shè)計圖為設(shè)計單位提供，施工詳圖通常由鋼結(jié)一構(gòu)公司根據(jù)設(shè)計圖編制，有時一也會由設(shè)計單位代為編制。

（1）設(shè)計圖：是鋼結(jié)構(gòu)公司編制施工詳一圖的依據(jù)，深度及內(nèi)容應(yīng)完整但不冗余。在設(shè)汁圖中，對于設(shè)計一依據(jù)、荷載資料、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面選用以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)一點構(gòu)造等均應(yīng)表示清楚，以利于施工詳圖的一順利編制，一并能正確體現(xiàn)設(shè)計的意圖。

（2）施工詳圖：一又稱加工圖或放樣圖等，一深度須能滿足車間直接制

造加工，并應(yīng)附有詳細的材料表。

9 總結(jié)

鋼結(jié)構(gòu)雖然有諸多優(yōu)點，但它一也有很多弊端，例如：鋼材一價格比較昂貴、耐火性能差、一結(jié)構(gòu)節(jié)點復(fù)雜等。一因此，一應(yīng)對比鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的適用性，因地制宜的選擇。