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【摘要】随着建筑业的不断发展，钢结构正呈现一种特色与风尚。反思以往的工程实践，不难发现钢结构的概念设计与节点处理在一定程度上决定着钢结构建筑的全生命周期。本文尝试阐释其必要性并从几个方面来论证合理性、可行性，以期对钢结构设计有所帮助。
【关键词】钢结构概念设计节点处理
中图分类号：TU391 文献标识码： A
一、前言
当下钢结构建筑越来越受到建设方、使用方及施工方的欢迎，但钢结构设计中如果没有把握好概念设计和节点处理，就将影响建设质量。因此，研究其概念设计及节点处理方式很有意义。
二、概念设计的重要性
概念设计是实现设计思想的关键。一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中，用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为，概念设计做得好的结构工程师，随着他的不懈追求，其结构概念将随年龄与实践的增长而愈丰富，设计成果也趋于创新、完善。
遗憾的是，随着社会分工的细化，部分结构工程师变得只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新。更有甚者在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误的状况不能及时发现。随着年龄的增长和模式的演化，使得他们所学的相对孤立的概念被逐渐淡化，亦谈不上设计成果的不断创新。
强调概念设计的重要性，一方面取决于现行的结构设计理论与计算模型存在些许缺陷或不可计算性；另一方面计算机结果的高精度特点，往往给结构工程师带去对结构工作性能的误解；此外，概念设计的必要性还体现在方案设计阶段，初步设计过程常不能借助于计算机来实现。因此，只有加强结构概念的培养，才能比较客观地、真实地融汇结构的设计过程。
三、结构选型与结构布置
在钢结构设计的整个过程中都应该强调“概念设计”，而在结构选型与布置阶段尤为凸显。对一些难以作出精确理性分析的或规范未规定的问题，可参考建筑空间形式，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理的试验现象及工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来控制结构的布置及细部措置。运用概念设计可以在早期有效地进行构思、比较与选择，所得结构方案往往概念清晰、定性正确且易于手算，可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。钢结构通常有框架、平面(木行)桁架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。其计算理论与应用技术大都成熟，但亦有部分难题尚未解决。
结构选型时，应考虑具体工程的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载时，就不宜采用门式刚架。当建筑及工艺流程允许时，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。当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，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯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。一般的说要刚度均匀、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；抗侧力结构应有多道防线，如有支撑框架结构。
框架结构楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向。通常为了减小次梁截面，沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高；此时如果沿长向布置次梁，虽然次梁截面加大，但结构整体效果可能会更好。
四、截面的选择
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。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。
根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1／20～1／50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距当按1／b限值确定时，可满足钢梁整体稳定的要求。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。柱截面按长细比(λ)预估。通常取值范围在50<λ<150，一般初选值可在100左右。截面型式可根据柱截面不同的受力状态，选择钢管或H型钢等。
对应不同类型的钢结构，设计规范对截面的构造要求有很大的不同，如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题，在普通钢结构规范和轻型钢结构规范中的限值有很大的区别。
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。
五、协同工作与材料利用率
协同工作的设计除了能够对结构体系进行有效维护以外，还能够在一定程度上合理运用材料。一般情况下，材料的利用率越高，即应力水平越高，相应的该结构的协同工作程度也会发生较大程度上的提高。结合我国的国情，我国仍处于发展中国家，结构设计的目的就是提高资金利用效率，简单来说，就是花最少的钱做最好的建筑，因此，在设计时对材料进行合理而有效的利用就显得十分重要。矩形截面梁是最普通的受弯构件，其材料的利用效率相对较低，这主要有两个方面的原因：一方面，靠近中和轴的材料应力水平较低；另一方面，梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样一来，对于等截面梁而言，其大部分区段，即使是拉、压边缘，其应力水平均较低。对这种受力特点进行充分的结合，并对结构概念进行有效的使用，在此基础之上对其进行分析，主要是因为梁截面存在应变梯度，只有当构件是轴心受力时，材料利用率才可能增大，于是就出现了平面桁架。如果仅仅是对截面进行增大，这样所取得的效果并不明显。尤其是对上弦杆来说，应当努力增加其平面外的刚度，同时提供平面外的约束。如果把这些平面外的支撑再连接成桁架，这样就使平面桁架变为平面交叉桁架，最后发展为空间网架。对于空间网架来说，其材料运用效率相对较高，应力水平高，因此能够在大跨度、大空间的结构中得到较为广泛的使用。
六、节点处理
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界定。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，節点分刚接，铰接和半刚接。初学者宜选择可以简单定量分析的前两者。常用的参考书有丰富的推荐的节点做法及计算公式。
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，规范有强制规定，应严格遵守。焊条的选用应和被连接金属材质适应。E43对应Q235，E50对应Q345；Q235与Q345连接时，应该选择低强度的E43，而不是E50。焊接设计中不得任意加大焊缝。焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近。其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。
2、栓接，铆接形式：在建筑工程中，铆接已很少采用。普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。高强螺栓，使用日益广泛；常用8.8s和10.9s两个强度等级，根据受力特点又分承压型和摩擦型。高强螺栓最小规格M12，常用M16～M30；超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接。
3、连接板：可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪、抗拉等。
4、粱腹板：应验算栓孔处腹板的净截面抗剪，承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。同时兼顾施工时的安装就位的净空尺寸等等因素。
5、节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是应避免的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。
6、节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。
七、结束语
总而言之，钢结构的设计要充分重视其概念设计与节点处理的内容，从而稳步的提高钢结构建筑的设计、建设水平，进而推动建筑行业的相关施工水平，提升民众的应用体验感受。
【参考文献】
[1]张煜，蔡焕琴.概念设计优化高层钢结构抗震[J].工业建筑，2009.
[2]丁志耀.多高层钢结构住宅抗震性能探究[J].华东科技（学术版），2012（4）.
[3]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.
【关键词】钢结构概念设计节点处理
中图分类号：TU391 文献标识码： A
一、前言
当下钢结构建筑越来越受到建设方、使用方及施工方的欢迎，但钢结构设计中如果没有把握好概念设计和节点处理，就将影响建设质量。因此，研究其概念设计及节点处理方式很有意义。
二、概念设计的重要性
概念设计是实现设计思想的关键。一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中，用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为，概念设计做得好的结构工程师，随着他的不懈追求，其结构概念将随年龄与实践的增长而愈丰富，设计成果也趋于创新、完善。
遗憾的是，随着社会分工的细化，部分结构工程师变得只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新。更有甚者在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误的状况不能及时发现。随着年龄的增长和模式的演化，使得他们所学的相对孤立的概念被逐渐淡化，亦谈不上设计成果的不断创新。
强调概念设计的重要性，一方面取决于现行的结构设计理论与计算模型存在些许缺陷或不可计算性；另一方面计算机结果的高精度特点，往往给结构工程师带去对结构工作性能的误解；此外，概念设计的必要性还体现在方案设计阶段，初步设计过程常不能借助于计算机来实现。因此，只有加强结构概念的培养，才能比较客观地、真实地融汇结构的设计过程。
三、结构选型与结构布置
在钢结构设计的整个过程中都应该强调“概念设计”，而在结构选型与布置阶段尤为凸显。对一些难以作出精确理性分析的或规范未规定的问题，可参考建筑空间形式，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理的试验现象及工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来控制结构的布置及细部措置。运用概念设计可以在早期有效地进行构思、比较与选择，所得结构方案往往概念清晰、定性正确且易于手算，可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。钢结构通常有框架、平面(木行)桁架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。其计算理论与应用技术大都成熟，但亦有部分难题尚未解决。
结构选型时，应考虑具体工程的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载时，就不宜采用门式刚架。当建筑及工艺流程允许时，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。当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，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯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。一般的说要刚度均匀、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；抗侧力结构应有多道防线，如有支撑框架结构。
框架结构楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向。通常为了减小次梁截面，沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高；此时如果沿长向布置次梁，虽然次梁截面加大，但结构整体效果可能会更好。
四、截面的选择
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。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。
根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1／20～1／50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距当按1／b限值确定时，可满足钢梁整体稳定的要求。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。柱截面按长细比(λ)预估。通常取值范围在50<λ<150，一般初选值可在100左右。截面型式可根据柱截面不同的受力状态，选择钢管或H型钢等。
对应不同类型的钢结构，设计规范对截面的构造要求有很大的不同，如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题，在普通钢结构规范和轻型钢结构规范中的限值有很大的区别。
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。
五、协同工作与材料利用率
协同工作的设计除了能够对结构体系进行有效维护以外，还能够在一定程度上合理运用材料。一般情况下，材料的利用率越高，即应力水平越高，相应的该结构的协同工作程度也会发生较大程度上的提高。结合我国的国情，我国仍处于发展中国家，结构设计的目的就是提高资金利用效率，简单来说，就是花最少的钱做最好的建筑，因此，在设计时对材料进行合理而有效的利用就显得十分重要。矩形截面梁是最普通的受弯构件，其材料的利用效率相对较低，这主要有两个方面的原因：一方面，靠近中和轴的材料应力水平较低；另一方面，梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样一来，对于等截面梁而言，其大部分区段，即使是拉、压边缘，其应力水平均较低。对这种受力特点进行充分的结合，并对结构概念进行有效的使用，在此基础之上对其进行分析，主要是因为梁截面存在应变梯度，只有当构件是轴心受力时，材料利用率才可能增大，于是就出现了平面桁架。如果仅仅是对截面进行增大，这样所取得的效果并不明显。尤其是对上弦杆来说，应当努力增加其平面外的刚度，同时提供平面外的约束。如果把这些平面外的支撑再连接成桁架，这样就使平面桁架变为平面交叉桁架，最后发展为空间网架。对于空间网架来说，其材料运用效率相对较高，应力水平高，因此能够在大跨度、大空间的结构中得到较为广泛的使用。
六、节点处理
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界定。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，節点分刚接，铰接和半刚接。初学者宜选择可以简单定量分析的前两者。常用的参考书有丰富的推荐的节点做法及计算公式。
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，规范有强制规定，应严格遵守。焊条的选用应和被连接金属材质适应。E43对应Q235，E50对应Q345；Q235与Q345连接时，应该选择低强度的E43，而不是E50。焊接设计中不得任意加大焊缝。焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近。其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。
2、栓接，铆接形式：在建筑工程中，铆接已很少采用。普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。高强螺栓，使用日益广泛；常用8.8s和10.9s两个强度等级，根据受力特点又分承压型和摩擦型。高强螺栓最小规格M12，常用M16～M30；超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接。
3、连接板：可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪、抗拉等。
4、粱腹板：应验算栓孔处腹板的净截面抗剪，承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。同时兼顾施工时的安装就位的净空尺寸等等因素。
5、节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是应避免的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。
6、节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。
七、结束语
总而言之，钢结构的设计要充分重视其概念设计与节点处理的内容，从而稳步的提高钢结构建筑的设计、建设水平，进而推动建筑行业的相关施工水平，提升民众的应用体验感受。
【参考文献】
[1]张煜，蔡焕琴.概念设计优化高层钢结构抗震[J].工业建筑，2009.
[2]丁志耀.多高层钢结构住宅抗震性能探究[J].华东科技（学术版），2012（4）.
[3]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.