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摘要：钢结构是指以钢材为主要材料制作成受力建筑构件的建筑结构体系。随着炼钢技术和成型制造工艺的发展，给钢结构工程的应用带来新的活力，高层钢结构工程迅速发展，钢结构已成为建筑设计选型的主要对象。无可置疑，钢结构有很多优越条件，如钢材的组织均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好，适于承受冲击和地震荷载，钢材的密度与强度比较小，而且钢结构便于机械化生产，是工程结构中工业化程度最高的一种。
关键词：钢结构；结构设计；要点分析
Abstract: the steel structure refers to the steel structural system main material to produce a force of building components. With the development of steelmaking technology and manufacturing process, to bring vitality to the application of steel structure engineering, steel structure engineering of rapid development, has become the main object of steel structure design and selection of building. Be above suspicion doubt, steel structure has many advantages, such as steel with homogeneous microstructure, high elastic modulus, high strength, good plasticity and toughness, adapted to withstand impact and seismic load, density and strength of steel is relatively small, and the steel structure is convenient for mechanization production, industrialization degree in engineering structure is a supreme.
Key words: steel structure; structure design; analysis
中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
引言
随着经济的发展，钢结构在土木工程中的应用日趋广泛。自进入20世纪90年代以来，我国钢结构建筑的发展十分迅速，特别是一些代表城市标志性高层建筑的建成，为钢结构在我国的发展揭开了新的一页。保证结构的稳定及其构件的合理设计，是钢结构设计的重点。根据《钢结构设计规范》中的有关条款对钢结构设计的稳定性、结构形式的选择、基本构件计算等规定，科学合理组织设计，防止结构失稳、结构布置不合理等事件的发生。但在钢结构设计中应根据工程需要，合理组织，准确选择结构形式及布置，保证工程结构稳定、经济合理。
一、钢结构稳定设计的原则：
1.1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。目前大多数结构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。
1.2结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，应通过框架整体稳定分析得出，使柱稳定计算等效于框架稳定计算。GB50017—2003规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定，包括：“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载。”按照这条假定，框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的假设得出的，设计的结构符合这些假设时才能正确应用。而在实际工程中，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还有两种，即附有摇摆柱的框架和横梁受有较大压力的框架。这两中情况若按规范的系数计算，都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。
1.3设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中需要注意的问题。传递弯矩和不传递弯矩的節点连接，应有足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心，这些都是处理构造细部时应考虑的。但是，当涉及稳定性能时，在构造强度上下功夫。
二、结构形式与结构的布置：
在钢结构设计时应多方面考虑，例如突出钢结构优势的大柱网因素和适应现代人生活需要的大开间布置。为了使结构经济合理，钢结构对结构布置有些要求。在可能条件下做到经济、合理。结构选型时，应考虑不同的特点。如结构有较大悬挂荷载或移动荷载，设计考虑放弃门式刚架而采用网架。在某些雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50度内需考虑雪载)，降雨量大的地区相应处理。在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，但在地震烈度高或不规则的高层中，不应为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱。核心为支撑框架的结构体系。
结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。—般的说要刚度均匀，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到基础。柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线，否则应考虑结构的扭转，结构的抗侧应有多道防线。
三、钢结构基本构件计算：
3.1 受弯构件
3.1.1受弯构件的强度计算：
当受弯构件的截面外边缘的应力达到屈服应力时，并不表明此构件已经达到了承载能力的极限状态，还可以继续加载，它的承载能力的极限状态是全截面屈服，形成塑性铰，但此时构件的变形已达到无法使用的地步，显然，有限制的让截面扩大一些塑性范围是合理的，经济的做法。
3.1.2受弯构件的整体稳定计算
受弯构件发生侧向转动失稳的原因是受压的翼缘在没有侧向支撑的情况下，会象柱子一样发生向刚度较小的方向侧向弯曲，而受拉翼缘又要保持原状态，因此就会发生伴随着转动的侧向失稳，即弯扭屈曲。为了避免这种情况发生，最有效的办法是在梁的侧面设置支撑，只要能阻止受压的翼缘侧向位移即可。或者增加上翼缘的侧向刚度，增加上翼缘的宽度。
3.1.3受弯构件的局部稳定
在设计梁时，主要是考虑它承受弯矩，对于工字形截面，一般靠加大梁高和增加翼缘厚度来提高其抵抗弯矩的能力。腹板通常做得高而薄，这样才经济合理。但腹板高而薄会产生屈曲。然而板的屈曲与柱不一样，柱一旦屈曲，就意味承载力已经达到极限状态，板在屈曲后，只要边部有约束，则荷载还可以继续增加，而且可以增加很多，这就是所谓板的屈曲后强度。但为了慎重起见，考虑利用板的屈曲后强度仅用于非直接承受动力荷载的组合梁。考虑利用板的屈曲后强度的梁一般不考虑纵向加劲肋，而且通常也不设置横向加劲肋，而是仅在支座处设置加劲肋。
3.2 轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算
残余应力是影响钢压杆稳定的重要因素，同样长细比的杆件由于残余应力的分布和量值不同使其承载力出入很大，应力是在没有外力作用下，截面产生的应力称作残余应力。翼缘越宽，两个区域的温差就会越大，则残余应力的峰值越大。而对于双轴对称或极对称的杆件一般是以弯曲屈曲作为极限状态，因此要先求出两个方向的长细比进行比较，然后取大者来控制截面。
3.2.1弯扭屈曲与换算长细比：
对于单轴对称的构件，在绕对称轴的屈曲时，其极限状态是弯扭屈曲，截面的选择是以弯扭屈曲来控制的。计算弯扭屈曲的方法是用换算长细比的方法。工程中常用到的上下翼缘不等的工型截面都是单轴对称的构件，只要外力的合力在截面内不通过弯曲中心(又称为 心)，则杆件在弯曲时必然伴随着扭转。扭转与弯曲的耦合，使得临界荷载降低，弯扭屈曲的临界荷载Nyz既小于绕对称轴Y的弯曲临界荷载Ney，又小于纯扭转临界荷载Nz。双轴对称截面的形心与剪心是重合的，在弯曲时不会发生扭转。
3.2.2格构式轴心受压构件与换算长细比：
在轴压力和弯矩较大且柱子较高的情况，通常选用格构柱，即用缀件将两个或多个单柱连接成一体的组合柱。穿过单柱的形心轴为实轴，穿过缀件的形心轴为虚轴。格构柱在绕虚轴发生弯曲屈曲时，由于缀件的抗剪刚度比实腹柱的腹板要弱，剪切变形比较大，必须加以考虑。正是剪切变形的影响，使得格构柱的稳定承载力要低于实腹柱。也用放大了的长细比来考虑剪切变形的影响。格构柱与实腹柱的稳定计算相比，还有两点要加以考虑：①关于分肢的稳定，②剪力的计算。由于格构柱是用缀件将单个柱连接起来的组合柱，缀件之间的分肢的稳定也必须要加以考虑。用控制长细比的方法来保证分肢的失稳不先于整个柱的失稳。按理只要分肢的长细比不大于整个柱的长细比就可以了，但考虑到两个(或多个)柱的压力不可能绝对相等以及各种缺陷的不利影响，因此将这一要求加以提高。
四、钢结构节点设计
4.1柱脚
柱脚有多种形式，一般考虑与基础嵌固比较合适，插入式的柱脚是一种比较好的形式。无论是设计，还是施工，都很简单。尽管有时材料会稍多一些，但如考虑加工及安装费用的节省，另外还可以免去交叉施工时对地脚螺栓防护的烦恼。二是可以增加嵌固的能力，二次浇灌层的厚度宜>100mm，便于找平。按抗震规范的要求， 凡是考虑抗震设防，柱脚插入深度应是两倍柱高。
4.2梁与梁的连接
梁与梁的连接最常用到的是铰接角钢是在工厂焊在主梁上的，它除了起连接作用外，还有定位的作用。板是用安装螺栓临时固定在次梁上，在现场用三道焊缝将次梁连接于主粱上，因此，有两条工厂焊缝，有三条工地焊缝，不可混淆。在次粱与主粱为斜交的情况，角钢的节肢要弯折，不如改成两个板的连接，此时，位于主梁上的定位板还可以兼作加劲肋，如果是用高强度螺栓连接，次梁与主粱腹板的间隙不小于20mm。次梁传来的剪力的作用点离腹板近，因此附加弯矩小一些，其实除非是主梁位于边跨，如果是中间，再考虑有铺板的情况，附加弯矩是很小的。节点可以节省次梁材料，且加工安装方便。
4.3梁与柱的连接
梁与柱的连接通常有刚性连接和半刚性连接，在抗震性能方面半刚性连接较比刚性连接有很多优点。梁腹板与柱的连接是用安装螺栓，一些用高强度螺栓摩擦型连接，两种形式都是可以的。对于刚性连接，在柱腹板节点域规定比较严格。吊车梁带有制动板吊车梁，以往制动板与吊车梁上翼缘的连接无论吨位大吊车梁带有制动板吊车梁。
五、结束语
总而言之，钢结构的设计过程是一个复杂的过程，钢结构设计体系在我国正处于—个起步阶段，国家政策的导向，国民生活的提高对建筑提出的要求等为钢结构的发展和应用提供了非常广阔的前景。我想在不远的将来，钢结构建筑和设计技术的发展会有飞跃发展。
参考文献：
[1]钢结构设计规范编制组，钢结构设计规范修改说明．中国计划出版社，2003
[2]崔佳，魏明鐘等。钢结构设计规范理解与应用．中国建筑工业出版社，2004
关键词：钢结构；结构设计；要点分析
Abstract: the steel structure refers to the steel structural system main material to produce a force of building components. With the development of steelmaking technology and manufacturing process, to bring vitality to the application of steel structure engineering, steel structure engineering of rapid development, has become the main object of steel structure design and selection of building. Be above suspicion doubt, steel structure has many advantages, such as steel with homogeneous microstructure, high elastic modulus, high strength, good plasticity and toughness, adapted to withstand impact and seismic load, density and strength of steel is relatively small, and the steel structure is convenient for mechanization production, industrialization degree in engineering structure is a supreme.
Key words: steel structure; structure design; analysis
中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
引言
随着经济的发展，钢结构在土木工程中的应用日趋广泛。自进入20世纪90年代以来，我国钢结构建筑的发展十分迅速，特别是一些代表城市标志性高层建筑的建成，为钢结构在我国的发展揭开了新的一页。保证结构的稳定及其构件的合理设计，是钢结构设计的重点。根据《钢结构设计规范》中的有关条款对钢结构设计的稳定性、结构形式的选择、基本构件计算等规定，科学合理组织设计，防止结构失稳、结构布置不合理等事件的发生。但在钢结构设计中应根据工程需要，合理组织，准确选择结构形式及布置，保证工程结构稳定、经济合理。
一、钢结构稳定设计的原则：
1.1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。目前大多数结构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。
1.2结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，应通过框架整体稳定分析得出，使柱稳定计算等效于框架稳定计算。GB50017—2003规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定，包括：“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载。”按照这条假定，框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的假设得出的，设计的结构符合这些假设时才能正确应用。而在实际工程中，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还有两种，即附有摇摆柱的框架和横梁受有较大压力的框架。这两中情况若按规范的系数计算，都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。
1.3设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中需要注意的问题。传递弯矩和不传递弯矩的節点连接，应有足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心，这些都是处理构造细部时应考虑的。但是，当涉及稳定性能时，在构造强度上下功夫。
二、结构形式与结构的布置：
在钢结构设计时应多方面考虑，例如突出钢结构优势的大柱网因素和适应现代人生活需要的大开间布置。为了使结构经济合理，钢结构对结构布置有些要求。在可能条件下做到经济、合理。结构选型时，应考虑不同的特点。如结构有较大悬挂荷载或移动荷载，设计考虑放弃门式刚架而采用网架。在某些雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50度内需考虑雪载)，降雨量大的地区相应处理。在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，但在地震烈度高或不规则的高层中，不应为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱。核心为支撑框架的结构体系。
结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。—般的说要刚度均匀，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到基础。柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线，否则应考虑结构的扭转，结构的抗侧应有多道防线。
三、钢结构基本构件计算：
3.1 受弯构件
3.1.1受弯构件的强度计算：
当受弯构件的截面外边缘的应力达到屈服应力时，并不表明此构件已经达到了承载能力的极限状态，还可以继续加载，它的承载能力的极限状态是全截面屈服，形成塑性铰，但此时构件的变形已达到无法使用的地步，显然，有限制的让截面扩大一些塑性范围是合理的，经济的做法。
3.1.2受弯构件的整体稳定计算
受弯构件发生侧向转动失稳的原因是受压的翼缘在没有侧向支撑的情况下，会象柱子一样发生向刚度较小的方向侧向弯曲，而受拉翼缘又要保持原状态，因此就会发生伴随着转动的侧向失稳，即弯扭屈曲。为了避免这种情况发生，最有效的办法是在梁的侧面设置支撑，只要能阻止受压的翼缘侧向位移即可。或者增加上翼缘的侧向刚度，增加上翼缘的宽度。
3.1.3受弯构件的局部稳定
在设计梁时，主要是考虑它承受弯矩，对于工字形截面，一般靠加大梁高和增加翼缘厚度来提高其抵抗弯矩的能力。腹板通常做得高而薄，这样才经济合理。但腹板高而薄会产生屈曲。然而板的屈曲与柱不一样，柱一旦屈曲，就意味承载力已经达到极限状态，板在屈曲后，只要边部有约束，则荷载还可以继续增加，而且可以增加很多，这就是所谓板的屈曲后强度。但为了慎重起见，考虑利用板的屈曲后强度仅用于非直接承受动力荷载的组合梁。考虑利用板的屈曲后强度的梁一般不考虑纵向加劲肋，而且通常也不设置横向加劲肋，而是仅在支座处设置加劲肋。
3.2 轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算
残余应力是影响钢压杆稳定的重要因素，同样长细比的杆件由于残余应力的分布和量值不同使其承载力出入很大，应力是在没有外力作用下，截面产生的应力称作残余应力。翼缘越宽，两个区域的温差就会越大，则残余应力的峰值越大。而对于双轴对称或极对称的杆件一般是以弯曲屈曲作为极限状态，因此要先求出两个方向的长细比进行比较，然后取大者来控制截面。
3.2.1弯扭屈曲与换算长细比：
对于单轴对称的构件，在绕对称轴的屈曲时，其极限状态是弯扭屈曲，截面的选择是以弯扭屈曲来控制的。计算弯扭屈曲的方法是用换算长细比的方法。工程中常用到的上下翼缘不等的工型截面都是单轴对称的构件，只要外力的合力在截面内不通过弯曲中心(又称为 心)，则杆件在弯曲时必然伴随着扭转。扭转与弯曲的耦合，使得临界荷载降低，弯扭屈曲的临界荷载Nyz既小于绕对称轴Y的弯曲临界荷载Ney，又小于纯扭转临界荷载Nz。双轴对称截面的形心与剪心是重合的，在弯曲时不会发生扭转。
3.2.2格构式轴心受压构件与换算长细比：
在轴压力和弯矩较大且柱子较高的情况，通常选用格构柱，即用缀件将两个或多个单柱连接成一体的组合柱。穿过单柱的形心轴为实轴，穿过缀件的形心轴为虚轴。格构柱在绕虚轴发生弯曲屈曲时，由于缀件的抗剪刚度比实腹柱的腹板要弱，剪切变形比较大，必须加以考虑。正是剪切变形的影响，使得格构柱的稳定承载力要低于实腹柱。也用放大了的长细比来考虑剪切变形的影响。格构柱与实腹柱的稳定计算相比，还有两点要加以考虑：①关于分肢的稳定，②剪力的计算。由于格构柱是用缀件将单个柱连接起来的组合柱，缀件之间的分肢的稳定也必须要加以考虑。用控制长细比的方法来保证分肢的失稳不先于整个柱的失稳。按理只要分肢的长细比不大于整个柱的长细比就可以了，但考虑到两个(或多个)柱的压力不可能绝对相等以及各种缺陷的不利影响，因此将这一要求加以提高。
四、钢结构节点设计
4.1柱脚
柱脚有多种形式，一般考虑与基础嵌固比较合适，插入式的柱脚是一种比较好的形式。无论是设计，还是施工，都很简单。尽管有时材料会稍多一些，但如考虑加工及安装费用的节省，另外还可以免去交叉施工时对地脚螺栓防护的烦恼。二是可以增加嵌固的能力，二次浇灌层的厚度宜>100mm，便于找平。按抗震规范的要求， 凡是考虑抗震设防，柱脚插入深度应是两倍柱高。
4.2梁与梁的连接
梁与梁的连接最常用到的是铰接角钢是在工厂焊在主梁上的，它除了起连接作用外，还有定位的作用。板是用安装螺栓临时固定在次梁上，在现场用三道焊缝将次梁连接于主粱上，因此，有两条工厂焊缝，有三条工地焊缝，不可混淆。在次粱与主粱为斜交的情况，角钢的节肢要弯折，不如改成两个板的连接，此时，位于主梁上的定位板还可以兼作加劲肋，如果是用高强度螺栓连接，次梁与主粱腹板的间隙不小于20mm。次梁传来的剪力的作用点离腹板近，因此附加弯矩小一些，其实除非是主梁位于边跨，如果是中间，再考虑有铺板的情况，附加弯矩是很小的。节点可以节省次梁材料，且加工安装方便。
4.3梁与柱的连接
梁与柱的连接通常有刚性连接和半刚性连接，在抗震性能方面半刚性连接较比刚性连接有很多优点。梁腹板与柱的连接是用安装螺栓，一些用高强度螺栓摩擦型连接，两种形式都是可以的。对于刚性连接，在柱腹板节点域规定比较严格。吊车梁带有制动板吊车梁，以往制动板与吊车梁上翼缘的连接无论吨位大吊车梁带有制动板吊车梁。
五、结束语
总而言之，钢结构的设计过程是一个复杂的过程，钢结构设计体系在我国正处于—个起步阶段，国家政策的导向，国民生活的提高对建筑提出的要求等为钢结构的发展和应用提供了非常广阔的前景。我想在不远的将来，钢结构建筑和设计技术的发展会有飞跃发展。
参考文献：
[1]钢结构设计规范编制组，钢结构设计规范修改说明．中国计划出版社，2003
[2]崔佳，魏明鐘等。钢结构设计规范理解与应用．中国建筑工业出版社，2004