钢结构厂房概念设计的分析

郭晓光 解庆平

【摘 要】建一筑结构设计发展提倡采用概一念设计思想来促进结构工程师的创造性，推动结一构设计一的合理性。一般大型工程经常要求大空间，或建筑造型新颖，设计师往往会考虑钢一结构，而钢结构工程对结构设计师提出了更高的要求，它不但要设计出安全、可靠的结构型式，还要尽量压缩一施工周期，节约成本。本文主要介绍了厂房结构设计工作中钢结构设计的一些经验。

【关键词】厂房；钢结构；概念设计；结构设计

【中图分类号】TU2【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0192-02

1 判断结构是否适合用钢结构

钢结构通一常用于高一层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动或经常装一拆的结构。直观的说：大型厂房、大厦、体育一馆、歌剧院、电视塔、工厂和临时建筑等，这是跟钢结一构自身的特点相一致的。

2 结构选型与结构布置

在钢结构一设计的整个过程中都应该一被强调的是“概念设计”，它在一结构选型及布置阶一段尤其重要。对一些难以作出精确理性一分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体一系与分体系之间的力学关系、破坏机理和工程经验一所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用一概念设计可以在早期迅速、有效地进一行构思、比较一与选择。所得结构方案往往概念清晰、定性正确，并可避免结构i分析一阶段不必要的繁琐运算。同时一，它也一是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。由于大型厂房专业多、配合多、工艺复杂等特一殊性，为了满足工艺一一专业的功能需一要，经常需要构思出一些非常规的结构类型，这就需要一定工程经验的积累及对“概念设计”具备一定深度理解的一工程人员，发挥主观能动性，设计出经济、实用的工程。

钢结构厂房中应用较多的是框架、桁架结构型式。

结构选型时，应考虑它们不同的特点，在工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就一可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利一于积雪滑落，降雨量大一的地区类似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比纯框架有更好的经济性。结构的布一置要根据体系特征，荷载分一布情况及性质等综合一考虑。一般的说一要刚度均匀，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一到基础，柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形一心要尽量靠近侧一向力的作用线。否则应考一虑结构的扭转。

框架结构的一楼层平面次梁的布置，有时可一以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减一小截面沿短向布置次梁，但是这会使一主梁截面加大，减少了楼层净高，顶层边柱也一有时会超限，此时把次梁支撑在较一短的主一梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。

3 预估截面

结构布置结束一后，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。

钢梁可选择一槽钢、工字钢、轧制或焊接H型钢截面等，根据荷载与支座情况，其截面一高度通常在跨度的1/20～1/50之间选择，确定了截一面高度和一翼缘宽度后，其板件一厚度可按规范一中局部稳定的一构造规定预估。

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。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。

4 结构分析

目前钢结一构实际设计中，结构分析通常一为线弹性分析，设计院一般会有STS，3D3S等钢结构计算分析软件。有些可以部分考虑几何非线性及一钢材的弹塑性能，这为更精确的一分析结构提供了条件，复杂结构需要两种以上软件建模计算分析。

5 工程判定

要正确使用结构软件，还应对其一输出结果的做“工程判定”。比如，评估周期、总剪力、变形特征等一。根据“工程判定选择修改模型重新分析，修正计算结果。不同的软件会有不同的适用条件。此外，一工程设计中的一计算和精确的力学计算本身常有一定距离，会通过“适用条件、概念及构造”的方式来保证结构的安全。钢结构设计中，“适用条件、概念及构造”是比定量一计算一更重要的内容，不应该过分信任一与依赖结构软一件，注重概念设计和工程判定是避免因结构软件出错而造成严一重的后果。

6 构件设计

构件的设计首先是材料的选择，比较常用的一是Q235和Q345，通常主结构使用单一钢种，也一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。

当前的结构软件，大都提供截面验算的后处理功能，一些软件可以将验算时通不过的构件，从给定的截面库里选一择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，这是常说的截一面优化设计功能之一，它减少了结构师的很一多工作量，但是，初学钢结构至少应注意两点：

（1）软件在做构件的截面验算时，计算长度系数的取定，有时会不符合规范的规定，尤其对于节点一连接情况复杂或变截面的构件，应该逐个检查。

（2）当预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。

①强度不满足，通常加一大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。

②变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。

使用软件加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区别，实际工作中，常常并不合适。

7 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一与确定。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。连接的不同对结构影响甚大，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见的方法，设计手册中通常有焊缝及螺栓连接表格等供设计者查一用，比较方便，也可以使用结构软件的后处理部分来完成。具体设计主要包括以下内容：

（1）焊接：对焊接焊缝的尺寸及形式等，规范有强制一规定，应严格遵守，焊条的选用应和被连接一金属材质适用。E43对应Q235，E50对应Q345。

焊接设计中不得任意人加大焊缝，焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近，其它详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。

（2）栓接：普通螺栓抗剪一性能差，可在次要结构部位使用，高强螺栓，使用日益广泛，通常8.8s和10.9s两个强度等级，根据受力特点分承压型和摩擦型，两者计算方法一不同，高强螺栓常用M16～M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。自攻螺丝用于一板材与薄壁型钢间的次要连接。

（3）连接板可简单取其厚度一为梁腹板厚度增加2mm～4mm，然后验算一净截面抗剪等。

（4）梁腹板：应验一算栓孔处腹板的净截面抗剪，承压型高一强度螺栓连接还需验算孔壁局部承压。

（5）节点设计必须考一虑安装螺栓、现场焊接等的施工一空间及构件吊装顺序等。此外，还应尽可能使工人能方便的进行一现场定位与临时固定。

（6）节点设计一还应考虑制造厂的工艺水平，比如钢管连接节点一的相贯线的切口需要数控机床设备才一能完成。

8 图纸编制

钢结构设一计出图分设计图和施工一详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结一构公司根据设计图编制，有时一也会由设计单位代为编制。

（1）设计图：是钢结构公司编制施工详一图的依据，深度及内容应完整但不冗余。在设汁图中，对于设计一依据、荷载资料、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节一点构造等均应表示清楚，以利于施工详图的一顺利编制，一并能正确体现设计的意图。

（2）施工详图：一又称加工图或放样图等，一深度须能满足车间直接制

造加工，并应附有详细的材料表。

9 总结

钢结构虽然有诸多优点，但它一也有很多弊端，例如：钢材一价格比较昂贵、耐火性能差、一结构节点复杂等。一因此，一应对比钢结构和混凝土结构的适用性，因地制宜的选择。