钢结构设计经验

摘要：钢结构应用于建筑已有数十年的历史。为了凸现钢结构住宅的优点，本文简单介绍了钢结构的优点及经验
关键词：钢结构 经验 规范 防火

一．钢结构的优点
　

摘自：写毕业论文经典的网站www.udooo.com

　一般来说，材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比，钢结构有如下一些特点。

1.1 材料的强度高，塑性和韧性好

钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。

1.2 材质均匀，与力学计算的检测定比较符合

钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波动的范围小。

1.3 钢结构制造简便，施工周期短

钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼装，可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。

1.4 钢结构的重量轻

钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3至1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，如建造在交通不便的山区和边远地区的工程，重量轻也是一个重要的有利条件。
当然任何一种材料都不是十全十美的，钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺，在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用，并取得了良好的效果。钢材长期经受100℃辐射热时，强度没有多大变化，具有一定的耐热性能，但温度达150℃以上时，就须用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。
二．钢结构的设计规范

2.1设计规定

记住一定注明钢材的强度等级、连接材料的型号，焊缝形式及焊缝的质量等级及对施工的要求。钢不保证冲击韧性，含碳量不作为交货条件，故不能用于抗震设防和焊接结构（此说法不太准确，但设计人可以接受，其实可焊还是不可焊，是碳当量决定的，而非含碳量）；在实际工程中，除了大跨度重级工作制吊车梁的下翼缘对接，以及大跨度钢桥的受拉构件的对接这种对质量要求很高的焊缝要求一级焊缝以外，其他场合很少用到一级。一般都要求二级。对于角焊缝，除了在要求熔透的情况（如对于轮压较大的吊车梁的上翼缘和腹板连接的角焊缝），其质量等级要求二级外，其他场合一般都用。
一些设计人员在设计说明中往往写道：“高强度螺栓采用承压型高强度螺栓10.9S”，这是一种不正确的说法。对于设计者只要给出高强度螺栓的性能等级和连接材料摩擦面的抗滑移系数即可，不必规写作造商采用何种螺栓。

2.构件计算

集中荷载较大处，需设置横向加劲肋或进行局部承压计算；钢梁受压翼缘自由长度l1与其宽度b1的比值超过规范限值时，需进行整体稳定验算；箱型梁虽抗扭特性较好，但截面尺寸不满足也需进行整体稳定验算；支座反力较大的梁端支承加劲肋需按照轴压计算其在梁平面外的稳定性，且对连接焊缝进行计算；构件宽厚比和高厚比的要求，特别是当设计中考虑截面塑性发展与塑性设计时的要求更严（注意区分受压构件和受弯构件宽厚比的不同）；单角钢受压构件长细比，需采用角钢的最小回转半径，而非角钢平行轴的回转半径；轴心受压构件需按规范规定计算剪力；设计桁架时的桁架腹杆平面内、外的计算长度不可想当然取其几何长度，规范有其考虑和规定；交叉腹杆的平面外计算长度要注意；

2.3连接计算

焊缝计算长度要减去2倍焊脚尺寸；普通螺栓不可仅仅按照受剪承载力来确定螺栓数量；高钢中规定，抗震设计时采用摩擦型的高强螺栓，但连接的极限承载力计算按螺杆与孔壁接触考虑；直接承受动力荷载的结构不可采用承压型高强螺栓；摩擦型的拼接时，螺栓沿受力方向的连接长度超过15D0，螺栓承载力需折减，大于60d0时，折减系数为0.7；柱梁的刚性连接，需进行柱腹板在梁翼缘范围内的节点域计算；连接节点板在拉力和剪力下，需进行强度验算；在压力下不可忽略稳定性验算；桁架节点板自由边长与其厚度有要求，否则要采取措施；梁端支座底板厚度也需进行计算；轴心受压柱底与柱底板角焊缝也需计算。
三．钢结构建筑的防火设计
3.1根据建筑物的火灾危险性和重要性，合理确定建筑的耐火等级。各种建筑由于其使用功能和重要性的不同，火灾危险性存在差异，我们设计时要根据业主提供的建筑要求，根据《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》，确定建筑物的火灾危险性，再根据火灾危险性，确定建筑的耐火等级，比如一个60米高的综合楼，根据《高规》其属于一类高层建筑，它的耐火等级应为一级，其梁、柱、屋顶承重构件的耐火极限应分别不低于2小时、3小时、1.5小时，如果我们在设计时没有正确核定耐火等级，确定的耐火等级过高或过低，都会造成我们设计失误，过高造成浪费，过低则造成不安全。
3.2设计时要选用恰当的钢结构防火保护方法。目前我国钢结构主要采用三种保护方法：喷涂法、包敷法、水淋冷却法，它们都是通过一定的技术手段来提高钢结构的耐火极限。具体而言，喷涂法就是在钢结构表面涂上一层防火涂料，形成一个保护膜，从而提高建筑构件的耐火极限，它有厚型和薄型之分，不同厚度的涂层其耐火极限不同；包敷法是采用砖、混凝土、硅钙板等材料将钢结构包裹，从而形成保护层，提高构件耐火极限；水淋冷却法是在钢结构上部布置自动喷淋系统，发生火灾时，启动喷淋在钢结构表面形成一层连续的水膜，达到保护作用。我们在设计时，要根据不同建筑对构件耐火极限的要求，通过科学比较，选出最恰当的防火保护方法，达到经济和安全要求。
参考文献：
李国强，陆烨，何天森。钢结构在现代住宅中的应用[J].工程建设与设计，2005
孙生玉。钢结构焊接中的常见问题探讨[J].中国新技术新产品，2009，（2）。
[3]王彩华，吴剑锋，张丽娜。钢结构的腐蚀与防护[J].建材技术与应用，2009，（2）。
[4]胡孜华。浅谈我国钢结构住宅的应用与发展[J].中国建设教育，2007，（9）。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。