钢结构设计
钢结构设计范文第1篇
【关键词】钢结构；建筑；设计
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：
前言
文章详细介绍了钢结构设计的方法及设计原则，阐述了钢结构设计的步骤，并对刚结构设计中需要注意的地方进行了强调。
二、钢结构设计方法的介绍
1.容许应力法(ASD)
ASD的设计原则是:结构构件的计算应力不得大于结构设计规范所给定的容许应力。结构构件的计算应力是按规范规定的标准荷载,以一阶弹性理论计算得到:容许应力则是用一个由经验判断的大于1的安全系数去除材料的屈服应力或极限应力而确定。
容许应力法的主要优点是计算简单,但存在如下主要不足:(1)对于塑性材料,由于没有考虑结构在塑性阶段的承载潜力,其实际的安全水平偏高;(2)不能合理考虑结构几何非线性的影响;(3)由于采用单一安全系数,无法有效地反映抗力和荷载变异的独立性,致使承受不同类型荷载(如活载的变异性要比恒载的变异性大得多)的结构安全水平相差甚远;(4)不能从定量上度量结构的可靠度,更不能使各类结构的安全度达到同一水准。
2.塑性设计法(PD)
PD的设计原则是:结构构件的塑性极限承载力应不低于标准荷载引起的构件内力乘以安全系数。在结构分析中常采用一阶塑性分析法或刚塑性分析法。塑性设计法的主要优点是允许结构在进入塑性后进行内力重分布,这就要求结构和构件有足够延性,因而在塑性设计中截面腹板和翼缘的尺寸比例有严格的限制。虽然塑性设计法考虑了材料的非线性,可克服容许应力法中的缺陷(1),但材料屈服的扩展和结构构件的稳定性在结构设计中仍然没有反映。同时在结构可靠性方面,塑性设计法同容许应力法一样,还是由经验性的安全系数来保证。
3.极限状态法(LRFD)
为了克服上述缺陷,采用抗力和荷载分项系数代替原来单一安全系数的极限状态设计法成为现行世界各国的主要设计方法。由于荷载的作用,结构在使用周期内有可能达到各种极限状态,这些极限状态可分为两类:承载能力极限状态和正常使用极限状态。结构的安全性对应结构的承载能力极限状态,包括构件断裂、失稳、过大的塑性变形等所导致的结构破坏。
三、建筑钢结构设计方法的研究现状
目前，建筑钢结构设计方法的研究主要表现在下列几个方面。
1.对现行方法的改进
由于现行建筑钢结构设计方法存在上述缺陷，不少研究者试图在弹性范围内对现行方法加以改进，这些工作包括:(1)对计算长度的改进；( 2)采用名义荷载模型；( 3)运用等效切线模量的概念。然而，无论这些方法本身的精度如何，它们都是试图以结构的弹性分析达到非弹性分析的结果，存在根本的局限性。
2.对新的结构设计方法的探讨
要彻底克服前述现行建筑钢结构设计方法中的前3种缺陷，必须建立以结构整体承载极限状态和结构整体极限承载力为目标的结构分析设计方法。为此，最近10年国内外学者提出了一系列较精确的适用于高等分析的二阶非弹性分析模型，并进一步考虑了梁柱连接半刚性节点域剪切变形以及它们的共同效应对结构极限承载力的影响等。
3.对结构体系可靠度计算方法的探讨
结构体系可靠度的计算方法大致可概括为:失效模式法、M onto Cark)法、响应面法和随机有限元法等。失效模式法由于无法与精确的结构非线性分析相结合，一般认为不能用于复杂结构体系的精确计算。响应面法通常将结构的极限状态面在设计验算点处作一阶或二阶近似，对于验算点处曲率变化较大的极限状态面可能导致较大的误差。随机有限元法是一种新兴的方法，它通常以低阶或高阶摄动理论为基础建立结构的随机有限元方程，由于其要求理论推导的严密性而限制了它在结构可靠度分析中的应用。Monte Cark法是一种简单但计算量大的方法，常作为校核其它方法的标准。然而随着各种包含降低抽样方差技巧的新方法出现，Monte Carlo法在结构可靠度分析中的应用将愈加普遍。
四、现行建筑钢结构设计方法的缺陷
极限状态设计法是结构从经验设计向概率设计转变的一次变革、但现行的建筑钢结构安全性设计方法仍有待进一步完善二目前世界各国关于建筑钢结构安全性设计的一般步骤为:先按一阶或二阶弹性方法计算各种荷载及其组合作用下结构的位移和各构件的内力，即整体结构的弹性分析;然后将结构分析所得内力用于构件的各种极限状态方程进行构件设计，即单个构件的非弹性设计。若构件满足各种规定的极限状态方程，则认为结构设计符合规范要求。这种设计方法实质上是基于构件承载力极限状态的结构设计存在着如下缺陷。
1.结构整体失稳的计算模式与实际失稳状态不一致
现行规范对结构失稳的计算模式是基于 结构同一层柱同时按相同模式对称或反对称失稳 假定,结构的整体稳定是通过构件设计中考虑计算长度的方法来近似保证。这一计算模式与一般情况下结构中个别或少数构件首先达到弹塑性失稳的实际形式不一致。换句话说, 计算长度的概念并不能真实有效地反应结构和构件之间的相互关系。
2. 结构内力计算模式与构件承载力计算模式不一致
由于整体结构的弹性分析未考虑材料非线性和( 或) 几何非线性的影响, 而构件的非弹性设计却考虑了材料非线性和几何非线性的影响, 一般情况下,结构构件达到极限承载力时已处于非线性弹塑性状态, 其内力会重新分配。因此, 按弹性状态计算结构各构件的内力并不是该构件达到极限承载力时的实际内力。换句话说, 整体结构的弹性分析与单个构件的非弹性设计的方法不协调。
五、钢结构设计原则
近年来，在钢结构设计中经常出现失稳事故，造成严重的人员伤亡与经济损失，主要原因是由于以下两方面造成：
1.由于空间网架、网壳结构等新型钢结构的不断出现，造成相关设计者没有足够的时间去了解掌握这些新型结构的设计；
2.由于钢结构设计者缺乏相关设计经验，关于钢结构和构件的整体稳定性概念理解不够清晰，成为钢结构设计中经常出现的薄弱环节。因此，稳定性成为钢结构设计中一个突出的问题，如果处理不好此类问题，将会造成不可估计的损失。所以根据稳定性问题在实际的钢结构设计中的特点，以及未来更好的保证钢结构设计中构件不会丧失稳定性，设计过程中应严格遵守以下三条基本原则：
①保证整体结构的细部构造和构件的稳定计算，二者必须相互配合，相互统一；
②在进行结构布置时，必须从整个体系和组成部分的稳定性要求出发，进行全面考虑；
③必须保证结构计算简图和实际计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算起着相当关键的作用。
六、钢结构设计的步骤
1.判断结构是否适合用钢结构
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：火电厂、大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。
2.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”，它在结构选型及布置阶段尤其重要。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。
3.预估截面
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。除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。
工程判定
要正确使用结构软件，还应对其输出结果的做“工程判定”。比如，评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据“工程判定”选择修改模型重新分析,还是修正计算结果。
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。
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。
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，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。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。
七、钢结构设计过程中注意问题
1.整体分析与优化设计。在钢结构设计过程中，要尽量选择与实际工作状况相符的整体分析模型，对于计算模型不得随意简化，比如不得随便把空间问题简化为平面问题。除此此外，为了获得理想的设计结构，在设计过程中可以采取优化设计的理念，并将次构件的作用尽可能考虑进来，同时满足钢结构设计的安全性与经济性，降低工程的成本。
2.严格控制整体刚度。一般来说，稳定条件、强度条件等并非是决定钢结构构件的截面设计主要因素，而结构的整体刚度条件才是首要考虑因素，尤其是对于一些薄壁构件形成的大跨度结构来说更是如此，因此设计过程中要注意对结构的整体分析，保证设计效果。
3.保证计算模型的精确性与结构的可靠性。钢结构材料属于相对比较理想的弹塑性体，其组织体现出一定的均匀性，接近各向同性，与现阶段很多计算方法、基本概念的要求完全相符，同时钢结构构件的连接模型比较符合实际情况，计算过程中不确定性相对较小，因此计算模型的精确性、结构的可靠性等必须得到保证。
4.节点构造相对十分复杂。在钢结构设计过程中，钢结构构件之间的连接与构造比较复杂，因此在设计过程中要注意并充分考虑这一点。设计节点时要综合考虑受力情况、建筑要求、构件截面形式、连接方法等各方面因素，再确定出合理、适用的节点构造形式。
八、结束语
我国钢结构设计近十几年的发展中有了快速的发展，但是相对于欧美等发达国家，还存在一定的差距。这需要我们不断的开发研究来进一步的缩短差距。
参考文献：
[1]申海啸，张玉生，蔡鹏.谈钢结构设计的一般过程[J].陕西建筑，2008年09期.
[2]马家军.钢结构设计步骤和设计思路[J].黑龙江科技信息，2008年05期.
钢结构设计范文第2篇
关键词： 钢结构优点； 钢结构设计；
中图分类号：TU391文献标识码： A
近年来，由于钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好和材料可回收再生等诸多优点，建筑钢结构在我国现代化建设中得到广泛的应用。随着社会的发展，高层钢结构住宅工业化和商品化程度在不断地提高，能够把设计、生产、施工和安装整合为一体，进而使住宅产业化水平得以提高。
一、钢结构的优点
钢结构是以钢材（钢板和型钢）为主制作的结构，与传统的混凝土结构和砌体结构相比，它性能稳定、质量轻强度高、抗震性能好，施工时可以在厂房进行加工再到现场装配，不仅装配的完整度好精密度高，而且能够大大地加快施工进度缩短工期。具体来说，钢结构具有如下优点：
1、钢结构强度高、自重轻
钢比混凝土、砌体和木材的强度和弹性模量要高出很多倍，因此，钢结构的自重常较轻。例如在跨度和荷载都相同时，普通钢屋架的质量只有钢筋混凝土屋架的 1/4~1/3, 若采用冷弯薄壁型钢屋架，只有约 1/10，轻得更多。由于自重小、刚度大，钢结构特别适宜于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。由于质量轻，钢结构也便于运输和吊装，且可减轻下部结构和基础的负担，降低造价。
2、钢结构材质均匀
钢材由现代化工厂冶炼和轧制，其内部组织均匀，非常接近于各项性体。且在一定的应力范围内，属于理想弹性工作，符合工程力学所采用的基本假定。因此可根据力学理论对钢结构进行计算，且计算结果准确可靠。
3、钢结构的塑性、韧性好
钢材具有良好的塑性，钢结构在一般情况下，不会发生突发性破坏，而是事先有较大的变形。此外钢材还具有良好的韧性，能很好的承受动力荷载和地震作用。这些都为钢结构的安全应用提供了可靠保证。
4、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，可以采用安装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。
5、空间利用具有高效性
通常情况下，在建筑施工中， 建筑商会选择很多的施工材料来满足整个建筑结构的实际需要， 这就导致占用了建筑的可用空间； 而如果不占用空间， 实现建筑结构的合理有序规划， 就不得不选用很厚的楼板， 但这样就使得建筑的美观性大大降低， 这二者长期以来都存在着矛盾。 而钢材结构由于其本身的强度较结构较稳定， 能够在施工的过程中实现施工空间的合理布局， 解决了这一重要问题， 从而实现了建筑空间利用的合理性和高效性，这种建筑施工效果是钢筋混凝土等材料无法实现的。
6、钢结构的密闭性好
焊接的钢结构可以做到完全密闭，因此适宜于建造要求气密性和水密性好的气灌、油缸、管道和高压容器等。
二、钢结构工程设计原则
稳定性是钢结构的一个突出问题 在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题 对于这个问题处理不好，将会造成不应有的损失。钢结构体系应该遵循以下三个基本原则：
1、安全性原则
钢结构的安全问题既结构的稳定问题是实际工程设计中必须注意的问题，只有保证结构的稳定才能实现建筑结构的安全可靠，才能更好地保证钢结构不会丧失其使用功能。
结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求，目前，结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此，保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件 。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致 ，就1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落这两次事故，都是没有设置适当的支撑而造成平面失稳。
2、钢结构体系的“适用”原则
钢结构体系的“适用”原则是针对钢结构体系的功能要求而言的，钢结构体系适用性与建筑物的使用功能有密切联系。为此在结构设计时，必须把握以下方面：对建筑物的功能、特点和所处的环境条件有充分的了解，如建筑物是民用建筑还是工业建筑，民用建筑是用于展览馆还是体育馆等，工业建筑是钢结构仓库还是钢结构厂房，钢结构厂房的生产工艺对建筑结构的影响情况等；建筑物对防火、保温、隔热、隔振和防腐蚀有何要求；对建筑所在地的环境状况和气象条件应有足够的了解；建筑物内是否有特殊设备或特殊载荷作用，及吊车的设置情况如何等。
3、钢结构体系的经济性原则
钢结构设计服务于钢结构的施工与使用，钢结构工程使用目的是为了创造效益。公共建筑偏重于社会效益，工业建筑则偏重于经济效益。因此，“钢结构经济性”是钢结构设计的另一个重要方面。 “钢结构经济性”原则应从总体上加以分析，不能仅从某一方面孤立地去考察。在很长一段时间内，钢结构设计以耗钢量为标准，即耗钢量低就是先进的设计、是好的结构体系或形式。在钢材匮乏的年代，节约钢材是一种重要的手段。然而，总体而言，单纯以耗钢量为评价标准是不完全的，也不尽合理。对门式刚架轻型钢结构房屋，全面评价结构体系的合理性应综合考虑用钢量、加工制作费、安装费、施工周期及基础费用等。
三、钢结构设计中应注意的问题
1、选择合适的基础类型。钢结构在进行结构设计时，需要首先考虑的应该是安全因素。而安全最起点的因素就是基础类型的选择。地基基础是建筑工程的根基，也是建筑中最重要的组成部分，是建筑安全的保障。如果建筑没有坚实的地基，即使再好再美的上部结构，再先进的建筑方法，也只能打造一个空架，影响建筑安全。
合理选择结构设计方案在高层建筑工程钢结构设计中显得尤为重要。一般高层建筑基础类型的选择较复杂，甚至比上部结构的选型更难，由于高层建筑地基的影响因素诸多，因此要慎重选择。高层建筑的基础类型应根据地基的性质、载荷特性、结构类型及施工条件等综合因素加以考虑。有些高层建筑由于埋置深度的要求，还需要设置地下室，而地基的合理选型，也会对地下室设计的实用性、经济性等产生影响。因此在高层建筑的基础选型过程中，应制定多个方案以便选择最经济、安全的类型。
2、选取合理结构形式。目前，我国高层建筑的结构优化设计大幅落后于理论的发展。虽然现在计算机技术能够帮助结构设计人员进行一些常规的计算，大大增加了结构设计的效率和精确度，但是，由于建筑工程结构面临的约束条件很多，高层建筑的结构设计优化依然很难。很多结构设计人员认为设计只要符合建筑规范，计算精确即可，但在现实中，设计方案却经常因工程施工的具体情况而做出调整和改动。目前，现有的两种结构形式各有利弊，在选用中必须考虑建筑所处的具体地理环境，同时也要兼顾建筑的用途。
目前来看，我国的钢结构制造能力处于提升过程中，虽然钢结构技术在西方已经比较成熟，但是也不能迷信，尤其是在防火上，采用钢结构的高层建筑必须充分考虑到火灾的影响。应该妥善的对钢筋混凝土结构、钢结构等形式加以有机结合，确定最优的解决方案。
3、注重构件设计
构件设计也要考虑材料的合理性，取材上一般选择Q235和Q345两种。由于对工程管理便捷的追求，钢结构设计主体时常把材料限定在一种材质上，但是如果出于经济情况上的考量，也有很多施工单位将不同材质钢构件强强组合的用于施工，强度上的要求以Q345为主，稳定性的要求上以Q235为主。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，一些软件可以对整个结构进行截面优化，我们仅做的就是对优化后的截面稍加调整并进行程序自动验算，直至合理，如PKPM中的STS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。但要注意，利用结构软件设计一定要注意模型的建立和参数定义，尤其是柱及梁的平面内、外计算长度。
随着城市经济的发展和高层建筑的增多，我国钢结构发展也开始迅速起来，钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已经开始作为重点推广项目。所以，我们必须深刻的认识到，无论技术多成熟，对建筑设计质量的要求不能放松。设计时要注重外表的独特性与建筑结构的稳定性和安全性相一致，以保证人们的居住安全，促进建筑行业的持续良好发展。
参考文献：
[1]王月红、关杰：高层建筑工程结构设计综合分析，《山西建
筑》，2012年11月.
[2]唐小山：对高层建筑结构设计问题的分析，广东科技，2011
钢结构设计范文第3篇
【关键词】 稳定；刚度；整体思维
1.教学现状
《钢结构设计》是房屋建筑工程领域的一门主要的专业课程，其任务是通过本课程的学习获得必须具备的关于钢结构材料、设什、施工等方面的基本概念、基本理论，并通过一定的实践课程配合，使同学掌握一定的解决钢结构工程实际问题的能力，为今后从事钢结构施工、侧造和一般钢结构的设计、施工和监理等生产实践工作打下坚实的基础。包含了《钢结构设计原理》和《钢结构设计》、《钢结构课程设计》三部分。随着钢结构优点的逐渐凸显，使得我国钢结构设计成为热点学科和结构设计发展趋势，所以学好钢结构设计、促进钢结构设计的发展成为土木工程专业毕业生的责任和使命。但从目前高校土木教学和学生反馈看，《钢结构设计》属于很难掌握的一门学科，很多学生由于教材中抽象的理论、繁冗的推导公式、艰难的计算而对课程失去兴趣导致学习效果很差，且不愿意从事相关工作。基于此，本文剖析其原因并找出对策，以期加强学生对课程的认识。
2.存在问题的分析和解决办法
若想学好《钢结构设计》，必须做到以下几点：
2.1 打好力学基础，建立合理知识体系
学习《钢结构原理》的时候，应抓住材料—连接—构件强度、刚度—构件稳定（整体稳定和局部稳定）这条主线。《钢结构设计》的先修课程有《材料力学》、《结构力学》，钢结构强度、刚度计算和钢结构连接等章节中用到的知识并不复杂，但是稳定问题则需要较好的力学功底，而稳定问题的基础知识出现在《材料力学》和《结构力学》教材的后半部分，部分学校由于课时有限讲的不深入甚至不讲就进入了钢结构的稳定部分学习，这样学生肯定会感觉有跳跃性、听不懂就成为必然。所以建议学生在学习钢结构稳定部分之前先学习巩固力学有关稳定部分的基本知识。
2.2 建立整体思维，熟悉设计流程
在原理部分掌握了各种受力构件之后，就进入了整体结构的学习，有钢屋架、钢网架、门式刚架、多层钢结构房屋、高层钢结构房屋等，不同高校会依据课时安排有所取舍。这部分的特点是把构件组合成结构整体，需要整体考虑。同时钢结构设计也具有建筑结构设计的一般特点，即按照荷载统计（包括恒载，活载，风荷载，地震力等）—内力组合分析—截面设计的思路进行，这也是软件所遵循的程序。
2.3 加强课程设计的学习
课程设计是专业培养方案中的重要一环，此环节若能有所加强，将能达到事半功倍的效果。钢结构的课程设计有多种形式，如门式刚架、多高层钢结构房屋的设计、网架的设计、钢屋架的设计等，不同高校会依据教学的情况进行相应安排。从设计方式上，学生可手工作图，也可计算机辅助设计，但从社会需求来看，建议让学生手算，然后电算校核。例如做钢屋架的设计，可以让学生手算内力及选取截面并进行校核并进行焊缝的连接计算，同时用PKPM软件中STS进行电算设计、出图，相互比较后才会有收获。
2.4 增强学生学习兴趣，增加实地参观机会，教学实践相统一
“兴趣是最好的老师”，《钢结构设计》教学中教师要努力提高学生的学习兴趣，提高学生学习的使命感和紧迫感。
在钢结构学习中，学生存在的主要问题是抽象感，所授内容完全存在于在想象之外，这给钢结构学习带来极大不便，同时也降低了学生的学习兴趣。所以建议有条件的学校联系钢结构实习基地供学生参观学习，去钢结构厂参观钢结构生产工艺及生产流程，就近参观一些代表性的钢结构工程，以促进钢结构知识的理解学习。没有条件的就多找些钢结构模型或图片以给予学生直观的理解。
3．教学建议
3.1 钢结构宜保证足够学时，尤其是原理部分。钢结构的内容量并不少于钢筋混凝土结构，但是国内高校对于钢筋混凝土的课时量一般是比较充足的，但对钢结构的课时量则偏少。有了一定的充足教学课时，才能保证钢结构课程教学体系的完善和学生知识的搭建。
3.2 应适当增加稳定基础知识的补充和巩固。
3.3 适当把理论教学与钢结构规范相结合，让学生知识更全面。
3.4 可以在土木工程类本科毕业设计中增加钢结构选题，设计从建筑图到施工图，从手算到电算，让学生建立完整的钢结构设计体系。
参考文献
［1］ 周俐俐.钢结构课程设计指南［M］.北京：中国水利水电出版社,2006
［2］ 中华人民共和国建设部.钢结构设计规范［M］.北京: 中国建筑工业出版社,2007
［3］ 陈绍蕃.钢结构［M］.北京: 中国建筑工业出版社,2007
［4］ 夏志斌.钢结构原理与设计［M］.北京: 中国建筑工业出版社,2004
钢结构设计范文第4篇
关键词：现代钢结构；设计；技术规范
中图分类号：TU391文献标识码：A
随着科学技术和国民经济的快速发展，人们的生活水平已经有了巨大的变化，人们对建筑物的结构设计要求越来越高。在2008年时，奥运会在中国北京成功举办，作为现代钢结构的重要建筑工程---鸟巢，不论从形体的美观性，还是结构的稳定性，都获得世界性的认可。于是，钢结构在二十一世纪的现代建筑工程中，发挥着越来越重要的作用，彻底改变了传统的建筑设计模式和设计理念。本文阐述了钢结构设计的特点及应用现状，并重点介绍了设计中的技术运用及需要注意的问题，希望能够给设计人员提供一点借鉴和参考，从而提高现代钢结构建筑工程的技术水平和质量安全。。
一、钢结构设计特点及应用现状。
（一）钢结构的设计特征。主要体现在以下四个方面：一是力学性能好，它具有轻质、高强、承重力强、抗震效果好、力学性能强等特点，适合高层建筑及大跨度建筑结构要求高的建筑体；二是施工成本低，大部分钢结构在出厂时已生产完毕，在施工时只需进行焊接和螺栓组装，且不用拆模和支横，可降低施工时间和成本；三是环境污染少，钢结构绿色环保，较之使用混凝土和砼结构，其更能处理好环境污染问题；四是造型手段多，关于利用曲线和斜线等造型方式，创造各种外观优美、新奇的形象和空间。
（二）钢结构的应用现状。一直以来，钢结构在国内的发展和推广十分缓慢，是一些建筑结构设计工程师缺乏对钢结构设计的认知，无法科学地处理一些部件的衔接，以及外立面交接处理生硬等技术问题。目前，这种状况得到了良好的改观，钢结构建筑的数量呈现不断上升的趋势，如国家体育场（鸟巢）、国家游泳中心（水立方）、国家大剧院、首都机场3号航站楼、五棵松体育馆、老山自行车馆、中国农业大学体育馆、天津环球金融中心、广州歌剧院、上海金茂大厦及上海世贸国际广场等，都是十分有名的钢结构建筑。随着人们环保意识地不断加强，钢结构的应用将得到更大的普及和发展。
二、现代钢结构设计的技术规范。
在钢结构建筑工程中，要想符合《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的规定，设计阶段关于技术方面的应用十分重要，是钢结构质量安全和外观形式的重要保障。
（一）钢结构设计的技术理念。钢结构在建筑结构设计理念，主要包括概念设计理念、一体化设计理念、截面优化设计理念及建筑表现理念等。概念设计是一个完整而全面的设计过程，要重点处理钢结构的结构造型及结构布置，注意框架、网架（壳）、塔桅、平面桁架、轻钢、索膜等结构形式的选用，考虑到建筑物的自身特点，并根据体系特征、荷载分布及性质等情况进行结构布置；一体化设计则主要是做到建筑结构设计一体化、围护系统与主体结构设计一体化、配件系统与整体建筑系统设计一体化；截面优化设计则指通过使用最优化理念和穷举法，合理的使用构件截面形式，降低用钢量；建筑表现则主要包括建筑规模、线条、色彩和变化，即注意建筑的外观形式。要想将钢结构的设计理念运用自如，还需要结构设计人员学习设计理念，转换设计思维，总结设计经验，突破传统结构设计理念的束缚，从而适应现代钢结构的设计要求。
（二）钢结构设计的材料要求。承重结构所用钢材的钢号、钢种、强度设计及冷弯性能等，应参考结构的重要性、连接方法、荷载特征及工作温度等情况。同时，镙栓紧固件及焊接材料的质量，都必须符合现行相关标准的规定及提供合格证书，严格保证其化学成分限值及机械性能。3号沸腾钢在一些承重结构中不宜采用，也要加以注意。一些钢铸件、连接材料也要按照标准，保证材料的质量安全问题。抗震高层建筑钢结构的钢材性能，要注意屈服强度与抗拉强度的实测值之比不应大于0.85；屈服台阶明显，可焊性良好，伸长率大于20%；高层建筑所用钢材的屈服点不宜超过标准值10%；考虑钢材耐大气腐蚀和避免低温冷脆的因素；当焊接连接的梁-柱节点约束较强，板厚在5毫米以上，并承受沿板厚方向的拉力作用，要想避免层状撕裂，板厚方向的伸长率必须重视；在同一高层的不同部位，因受力情况不同，钢构件所用钢号及强度级别也会不同。
（三）屋面活荷载的标准取值。在钢结构的设计中，荷载的标准植、荷载分项系数、荷载组合值系数及动力荷载的动力系数等，都应遵照国家标准《建筑结构载花荷载规范》(GB50009)的要求。对支承轻屋面的檩条、屋架及框架等构件或结构，如果只有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60㎡，则其均布活荷载标准值应取0.3kN/㎡。在实际设计中，要注意计算重级工作制吊车桁架（或吊车梁）及其制动结构的稳定性、强度及连接（吊车桁架或吊车梁、制动结构、柱相互间的连接）强度。在屋盖桁架同一跨间每条运行线路上的梁式吊车不应超过2台，电动葫芦不就超过1台。在国外，通常会考虑0.15-0.5N/㎡的附加荷载，这一点值得参考，避免克扣荷载的现象。
（四）控制钢结构的屋脊垂度。框架斜梁在一般情况下，其竖向挠度限值是1/180。除此外，还要注意验算跨中下垂度，避免脊点下垂导致屋面漏水。具体的控制方法是：因为跨中垂中能够反映屋面的竖向刚度，如果刚度太小，即会导致竖向变形太大，所以在分析框架时，通过将构件分段，利用等截面程序计算每段的竖向和水平位移，避免大于允许值。一些钢结构建筑因为屋面竖向刚度偏小，在山墙和第一榀刚架间的屋面出现斜坡变形。新颁布的规程，则采取了技术措施对屋面刚度进行控制，即侧移刚架后，一旦山尖下垂产生不良影响时，即导致坡度小于1/20时，则必须验算山尖垂度。
（五）钢柱配砼柱的技术措施。在一些建筑设计中，客户出于节省钢材降低成本的目的，往往采用混凝土柱和轻钢斜梁组成的门式刚架。但需要注意的是，不能采用刚接技术，而应倡用铰接技术。混凝土比较脆性，连接部位的抗冲切和抗拉性能不行，一旦遭遇外力作用，则容易破坏或松动。又或者用砼柱代替钢柱，但不改变梁截面，这种做法存在很大安全隐患，在设计中需要避免。
（六）高层钢结构的防火技术。火灾隐患是高层钢结构建筑亟待解决的一个问题，必须加强防火措施，保证居民的生命财产安全。在设计时，要充分考虑到灾前预防及灾时措施。灾前预防主要是钢结构材料的耐火等级和耐火构造，以及分隔易起火部位和控制可燃物数量等；后者则可设置防火间距、防火分区、安全疏散通道出口，以及安放灭火设备、强化报警系统等。
三、结束语。
现代钢结构是建筑中常用的建筑材料，其优势是十分明显的。在进行设计时，要注意发挥优势，避免缺点。总体而言，现代钢结构技术先进，经济效益良好，有着不错的市场前景。随着现代钢结构的不断推广和应用，必将在国内住宅、桥梁、工厂、体育场馆等建筑领导获得更大范围的应用和发展。
参考文献：
[1]王元清等.现代轻钢结构建筑及其在我国的应用.建筑结构学报.
[2]刘大海,杨翠如.高楼钢结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2003;
钢结构设计范文第5篇
关键词：轻钢屋面结构设计
引言
伴随着我国经济的快速发展，钢结构房屋尤其是轻钢屋面结构以其自重轻，跨度大、屋面下部空间大等优点应用日益广泛，轻钢屋面结构形式有钢屋架结构、钢梁结构、圆管屋架结构、空间网架结构等。本文将介绍以钢梁和檩条作为主受力杆件的轻钢屋面，简述其设计过程，总结其常见的问题和处理办法。
轻钢屋面结构设计设计依据
-轻钢屋面结构设计依据：《钢结构设计规范》GB50017-2003、《混凝土结构设计规范》GB50010-2010、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010、《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2002、《建筑结构荷载规范》GB5009-2001(2006年版)等规范。
轻钢屋面结构设计设计内容
1、轻钢屋面荷载的选取：一般当屋面无特殊要求时，采取彩钢板作为屋面维护结构时，可取恒荷载标准值为0.3kN/m2，活荷载可依据按不上人屋面考虑取值0.5kN/m2,，依据屋面的有无积灰荷载和当地自然环境因素考虑雪荷载，此时设计时应考虑让雪荷载或不上人屋面均布活荷载两者中的较大值与积灰荷载同时考虑。屋面风荷载可依据《建筑结构荷载规范》对应章节进行取值设计。
2、屋面钢梁与混凝土柱的连接形式：依据笔者的设计经验，当屋面跨度不大于15m时，采用屋面钢梁与混凝土柱铰接，跨度大于15m时，采用屋面钢梁与混凝土柱刚接，这样设计较为合理经济。施工过程中钢梁与混凝土柱铰接很好实现。因混凝土与钢材的材料性质、施工条件等因素两者之间刚接较为困难，笔者一般通过在混凝土柱顶加短钢柱，让钢柱与混凝土柱刚接来实现此处节点刚接，或在混凝土柱顶四周预埋厚度不小于20mm厚钢板，用钢筋将四周钢板连接起来，通过混凝土的浇筑与混凝土柱形成整体，再通过钢梁与钢板焊接来实现此处节点刚接。
3、轻钢屋面结构主要受力构件设计：屋面荷载通过檩条传递给钢梁，钢梁将所受荷载传递给混凝土柱，主要受力构件为檩条、钢梁。
（1） 檩条的设计
檩条可分实腹式檩条和格构式檩条。实腹式檩条一般为卷边C型、斜卷Z形冷弯薄壁型钢；槽钢；H型钢。格构式檩条为平面桁架式、空间桁架或下撑式檩条。实腹式檩条一般应用于檩条跨度不大于9m的屋面，格构式檩条应用于檩条跨度大于9m的屋面。檩条设计时一般按单跨简支构件设计；当檩条跨度在4m~6m时，应在檩条跨中位置设置拉条或撑杆；当檩条跨度大于6m时，应在檩条跨度1/3处各设一道拉条或撑杆。檩条截面的高度实腹式一般取跨度的1/35~1/50，格构式一般取跨度的1/12~1/20。
檩条的荷载包括屋面恒活荷载、积灰和积雪荷载、风荷载、檩条自重。在活荷载的取值时需要注意的是当雪荷载小于0.5 kN/m2,，且檩距小于1.0m时，应验算1kN（标准值）施工或检修荷载作用在跨中时檩条的承载力。实腹式檩条的验算包括强度、稳定性、变形的验算。当屋面维护结构能阻止檩条侧向位移和扭转时，檩条的整体稳定性可不验算。变形验算可按照《钢结构设计规范》附录A 表A.1.1取挠度容许值[VT]≤1/200。
（2） 钢梁的设计
因钢梁与柱顶的连接形式不同，可将钢梁分为：两端铰接钢梁和两端刚接钢梁。铰接钢梁和刚接钢梁的截面形式应依据其受力情况来做截面设计：两端铰接钢梁按中心对称做成变截面-两端截面小中部截面大；两端刚接钢梁因跨度较大，通常以中心对称对钢梁按0.25~0.50~0.25来对称划分截面，将与混凝土柱相接比例为跨度的1/8段做成由大到小的变截面，距跨中为跨度的1/8段做由大到小的变截面，剩余的半跨中部部分做成小的等截面。
钢梁的验算包括强度、稳定性、变形的验算。强度按照相关公式进行即可，需要注意的是两端刚接钢梁在钢梁与混凝土柱相连接处，因弯矩和剪力同时存在，需进行梁腹板计算高度边缘处折算应力验算；稳定性须通过构造措施来满足，例如在钢梁两侧设置加劲肋、隅撑、系杆；变形可按照《钢结构设计规范》附录A 表A.1.1挠度容许值验算。
（3） 节点设计
节点设计包括：钢梁之间的连接节点和钢梁与混凝土柱的连接节点设计。
因考虑到构件运输及安装，当钢梁长度小于12m时，各节点可通过在加工场地焊接完成后运输到现场进行吊装，减少因钢梁之间连接的高空做业的危险；当钢梁长度不小于12m时，钢梁之间一般通过摩擦型高强螺栓连接，所以钢梁的节点设计有螺栓连接、焊缝连接两类。螺栓连接、焊缝连接都可以通过抗剪、抗弯计算来完成，此时需要要按照《钢结构设计规范》8.2和8.3章节考虑焊缝连接和螺栓连接的构造要求。
4、轻钢屋面结构的支撑系统的设计：轻钢屋面结构的支撑系统包括隅撑，横向水平支撑和系杆。支撑系统虽不是屋面的受力构件，但是能保证钢梁在安装和使用过程中的整体稳定性，传递水平荷载，提高屋面系统的空间作用，且能减小钢梁的平面外的计算长度。
屋面横向支撑一般设置在温度区间端部的第一、二开间，当设置在第二开间时应在第一开间相应位置设置刚性系杆；系杆在每个开间都应设置，横向水平支撑宜间隔30~60m设置；隅撑应在钢梁两侧对称布置，一般间距3.0m。横向支撑一般为张紧的圆钢、十字交叉的角钢等；系杆一般有成型钢管、十字形组合角钢，隅撑一般选取单角钢。因屋面支撑系统受力较小，一般按构造长细比来选取截面。
参考文献：
