毛學(xué)明
【摘要】當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越普遍,以它強大的優(yōu)勢占據(jù)著建筑領(lǐng)域相當(dāng)大的比例。與混凝土相比,它有自重輕、抗震性能好、工期短和施工方便快捷的優(yōu)點。本文從建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程、建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計、建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點這幾方面進行了分析探討,以供借鑒。
【關(guān)鍵詞】建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計;設(shè)計方法;設(shè)計要點
近幾年鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍也越來越廣泛,不僅僅局限于輕鋼結(jié)構(gòu)和大跨結(jié)構(gòu),更多的應(yīng)用于高層建筑中,鋼混結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得結(jié)構(gòu)的抗震性和空間應(yīng)用更好,容器和管道、高聳結(jié)構(gòu)都在蓬勃發(fā)展。在總結(jié)國內(nèi)經(jīng)驗的同時,積極吸取國外同行業(yè)的先進經(jīng)驗,結(jié)合自身多年的工作經(jīng)驗,總結(jié)一些對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的心得。
一.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
1、極限狀態(tài)法。極限狀態(tài)法是為了克服塑性設(shè)計法和容許應(yīng)力法所存在的缺陷,這種方法主要是采用荷載分項系數(shù)和抗力來替代單一安全系數(shù)。目前,極限狀態(tài)法以是我國最常用的設(shè)計方法。其結(jié)構(gòu)由于荷載的作用,可在一定的周期內(nèi)達到兩種極限狀態(tài),第一種是正常使用極限狀態(tài),第二種是承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)所對應(yīng)的是結(jié)構(gòu)的安全性,主要是指構(gòu)件的塑性變形、斷裂等造成的結(jié)構(gòu)破壞。
2、塑性設(shè)計法。采用塑性設(shè)計原則是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性性質(zhì)和強度要高于標(biāo)準(zhǔn)荷載的構(gòu)件乘以安全系數(shù),在構(gòu)建內(nèi)力結(jié)構(gòu)分析中一般采用鋼塑性分析法或是一階塑性分析法。塑性設(shè)計法的主要優(yōu)點在于其結(jié)構(gòu)進入塑性后允許進行內(nèi)力的重分布,但必須要求其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)能有足夠的延性,在設(shè)計中嚴(yán)格的限制了翼緣和截面腹板的比例尺寸。塑性設(shè)計法雖然考慮到了非線性,可以克服容許應(yīng)力法存在的缺陷,但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計中依然不能反映出結(jié)構(gòu)構(gòu)件與材料屈服的擴展。
3、容許應(yīng)力法。容許應(yīng)力的設(shè)計原則是:其結(jié)構(gòu)計算應(yīng)力應(yīng)小于結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計所規(guī)定的容許應(yīng)力。對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算應(yīng)力要按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)荷載,計算是以一階彈性理論而得到,是以一個去除材料并大于 1 的安全系數(shù)的極限應(yīng)力或是屈服應(yīng)力而確定的。容許應(yīng)力主要存在的缺點在于:第一,不能合理的考慮到結(jié)構(gòu)幾何的非線性影響;第二,由于容許應(yīng)力法采用的是單一安全系數(shù),不能反映出荷載變異和抗力的獨立性等。
二、建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程
1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖的具體步驟。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖的繪制工具。首先在設(shè)計之前,我們得了解鋼結(jié)構(gòu)的組成,構(gòu)件的表示方法、焊縫的表示方法等,深化設(shè)計的步驟:第一步:熟悉鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計詳圖;第二步:與相關(guān)專業(yè)溝通;第三步:建模型、繪制詳圖。詳圖設(shè)計一般采用CAD或TEK-LA軟件建模,另外,中國建研院的PKPM軟件也可以做一些詳圖深化。
2、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖和鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖的區(qū)別。我國鋼結(jié)構(gòu)施工圖紙的設(shè)計分為2個階段:鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖和鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖。鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計看似與鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計有所區(qū)別,但僅僅是叫法不同罷了,深化設(shè)計也叫詳圖設(shè)計,也可以說是二次設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖與混凝土的施工圖紙有著實質(zhì)性的區(qū)別,鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖必須在設(shè)計圖的基礎(chǔ)上進行二次設(shè)計,必須以工程設(shè)計圖紙為依據(jù),結(jié)合工程概況、鋼結(jié)構(gòu)加工、運輸和安裝等施工工藝和其他專業(yè)的配合進行二次深化設(shè)計。其主要內(nèi)容有:使 用計算機放樣制圖(CAD)或使用詳圖軟件建立結(jié)構(gòu)空間實體模型制圖,提供制造加工和安裝的施工詳圖、構(gòu)件清單及設(shè)計說明。
3、不同軟件之間的優(yōu)劣對比。鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計時要編制構(gòu)件表和材料表,包括從最初的提材料計劃開始,拿到圖紙分析完成后首先進行材料計劃。首先介紹一下深化設(shè)計的手段。采用的都是軟件,各種軟件有各自的優(yōu)缺點,平時的普通門式鋼架類輕鋼廠房,要求速度快、工期緊的情況下采用CAD比較快捷方便,CAD強大的圖形編輯功能,可以采用多種方式進行二次開發(fā),可進行多種圖形格式的轉(zhuǎn)換,比如EXCEL表能方便的運算,之后加載導(dǎo)入到CAD,以方便材料表的繪制。CAD最大的缺點是不能準(zhǔn)確直觀地看到3D模型,從而會出現(xiàn)一些不必要的錯誤,導(dǎo)致工地安裝困難。而TEKLA和PKPM(STXT)可以直觀地看到模型,三維建模軟件能自動產(chǎn)生2D加工詳圖,提供完整的2D圖畫編輯功能及構(gòu)件碰撞校核功能,但也存在著缺點,生成的圖紙標(biāo)注不夠清晰,不適于車間工人快速視圖,所以調(diào)圖的時間很多。建模出圖很快,時間都費在了調(diào)圖上。鑒于TEKLA出錯率低,一般大型的多高層建筑均采用三維建模的深化設(shè)計。
三、建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計
在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)的過程中,需遵循其結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則,保證鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠,從而有足夠的強度和耐久性,才能具備建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的特點,建筑鋼結(jié)構(gòu)通過穩(wěn)定性設(shè)計,鋼結(jié)構(gòu)才能充分發(fā)揮出最大優(yōu)勢。在了解鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則時,首先要能區(qū)別強度和穩(wěn)定問題,強度關(guān)鍵取決于材料特征,對于脆性材料都取概率統(tǒng)計下的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值,如混凝土;對于鋼材則取屈服強度,而穩(wěn)定問題在解決強度問題時,需找出其不穩(wěn)定的平衡狀態(tài),這種不穩(wěn)定狀態(tài)存在內(nèi)部抵抗力與外部荷載之間,也就是指變形在快速增長的開始點,通過這樣區(qū)分,可以指導(dǎo)強度問題最主要就是一個變形問題。
建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性特點分析。首先從建筑鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性來分析,如要保持鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,需要從結(jié)構(gòu)的整體出發(fā)來分析其穩(wěn)定性。其次,從鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度和失穩(wěn)方面來看,應(yīng)采用現(xiàn)行較為規(guī)范的折減系數(shù)法和臨界壓力求解法來進行穩(wěn)定計算,對于軸心壓桿的穩(wěn)定計算通常用這兩種方法。再次,在彈性穩(wěn)定計算的過程中,不只考慮結(jié)構(gòu)整體性特點,還應(yīng)考慮到二階分析,這主要是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)力會受到柔性構(gòu)建大變形量的一定影響。
四.建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點
1、判斷鋼結(jié)構(gòu)的適用性?,F(xiàn)今建筑行業(yè)中,鋼結(jié)構(gòu)多是用于跨度和荷載較大、體型復(fù)雜的高層建筑中。要求其能夠承受較高的溫度、方便拆卸、能夠承受大幅度的振動、密封嚴(yán)實,因此在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計之前必須要對這些方面進行全面的分析,考慮所設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)是否適用、能否滿足要求。
2、鋼材的選擇。對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計來說,選材是一項極為重要且難度較大的工作。究其原因,一方面是我國鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展,鋼材的種類繁多,要從眾多的鋼材種類中選出適合某種建筑工程的鋼材是有難度的;另一方面是因為目前鋼結(jié)構(gòu)建筑的種類也在不斷增加,不同建筑物對鋼結(jié)構(gòu)的強度、變形、疲勞應(yīng)力等方面的要求也不一致,因此選擇合適的鋼材顯得至關(guān)重要,否則就不能發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)建筑的功用。
3、加強對鋼結(jié)構(gòu)受力體系以及細部節(jié)點的設(shè)計。在鋼結(jié)構(gòu)方案確定以后,必須要立即對鋼結(jié)構(gòu)的受力體系以及細部節(jié)點進行具體的計算和完善。首先,針對鋼結(jié)構(gòu)受力體系設(shè)計而言,現(xiàn)今很多鋼結(jié)構(gòu)都是采用的桿系結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)要求鋼材強度大、截面尺寸??;在生產(chǎn)的時候可以在現(xiàn)場組裝、構(gòu)件之間的約束作用小。因此其設(shè)計的重點是保證構(gòu)件節(jié)點之間的連接穩(wěn)固性。其次,對于鋼結(jié)構(gòu)建筑的細部節(jié)點設(shè)計而言,鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計要求細致且設(shè)計內(nèi)容復(fù)雜,都需要對細部節(jié)點進行嚴(yán)格的設(shè)計。
結(jié)束語
城市化建設(shè)的快速推進,高層及大型建筑越來越多,使得鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越普遍。鋼結(jié)構(gòu)具有空間跨度大、造價低、結(jié)構(gòu)性能突出、安裝便利等優(yōu)勢,這使得其在建筑行業(yè)內(nèi)得到了眾多企業(yè)的青睞。
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