一级结构工程师考试辅导:轻型钢结构与普通钢结构的特点(1)

　　一、轻型钢结构与普通钢结构的特点

　　1.Pre-engineered metal building system是建筑行业内一个高度发达的部门，是从二次世界大战时起源的，很多细节已经研发得完美无缺，多一点嫌多，少一点嫌少。不过引进相关技术并本地化，转为简体中文版本的时候，特别要小心，不要变了味；

　　2.钢结构过重的原因往往是由于以往工程经验导致（象故宫的金銮殿的大柱一样，采用的是经验断面），虽然通用结构分析软件会给你一个0.000几的UNITY CHECK RATIO，但是由于CAD软件及制造工艺的限制，你会无从下手改善；

　　3.轻钢结构这个描述虽然中国大陆几十年来较为通用，但仍然是不确切不科学的，建议淘汰。改为低层钢结构，高层钢结构似更为妥当；

　　4.实际上，采用目前的主流技术后，低层钢结构，住宅钢结构，多层钢结构，高层钢结构，超高层钢结构，钢结构电厂，钢结构桥梁，钢结构铁塔，钢结构海洋钻井平台，……经过优化都会比教科书上写的较为详细；

　　5.目前简体中文版本的钢结构教科书老化比较严重，建议响应朱荣基的号召，在高等院校广泛采用英文版本教科书；

　　6.学习的时候请注意如下几点：

　　1尽量采用变截面刚架（带隅撑），刚架连结采用端板，截面高度经过适当优化，尽量多考虑制造运输安装的便利性；

　　2尽量采用两端铰接的摇摆柱，中柱太高时改为方管；

　　3柱底尽量铰接；

　　4支撑尽量采用Tension Only Rod；

　　5檩条尽量采用Z型，连续跨，必要时支座处尚可加强（多伸出来一点就可以了）；

　　6檩条尽量标准化；

　　7收边泛水尽量标准化；

　　8建筑柱网要考虑模数化，控制线位于次结构外沿；

　　9屋架檩条拉杆目的是为了风吸力作用下反弯时下翼缘失稳；

　　10墙架檩条与彩色钢板协同作用，一般拉杆是没有必要的，施工时需加木方临时支撑，端墙檩条必要试可以加小拉条（偏钢）；

　　11尽量少在墙架上开孔，屋面采光板比墙面窗幅采光效率要高很多很多；

　　12屋面钢板尽量采用Structural Standing Seam Metal Roof；

　　13屋面密封不要用硅胶；

　　14夹层梁柱稳定由主刚架保证；

　　二、钢结构设计简单步骤和设计思路

　　（一）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：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。

　　（二）结构选型与结构布置

　　此处仅简单介绍。 详请参考相关专业书籍。由于结构选型涉及广泛，做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指导下进行。

　　在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要。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。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

　　林同炎教授在《结构概念和体系》一书中介绍了用整体概念来规划结构方案的方法，以及结构总体系和个分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。[20]

　　钢结构通常有框架、平面（木行）架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。

　　其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决，或没有简单实用的设计方法，比如网壳的稳定等。

　　结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落（切线50度内需考虑雪载 ），如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳。总雪载释放近一半。降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，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。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，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。我国半数以上的此类高层为前者。对抗震不利。[19]

　　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。 否则应考虑结构的扭转。 结构的抗侧应有多道防线。 比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1/4的总水平力。

　　框架结构的楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小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，顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。

　　（三）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。

　　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按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。 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。

　　初学者需注意，对应不同的结构，规范中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。在普钢规范和轻钢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。

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