材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計并發(fā)的設(shè)計優(yōu)化方法

【學(xué)員問題】鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單步驟和設(shè)計的思路？

【解答】鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單步驟和設(shè)計思路：

（一）判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu) 鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、雕塑、倉棚、工廠、住宅、山地建筑和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點相一致的。

（二）結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置 結(jié)構(gòu)選型及布置是對結(jié)構(gòu)的定性，由于其涉及廣泛，應(yīng)該在經(jīng)驗豐富的工程師指導(dǎo)下進(jìn)行。此處僅簡單介紹。 詳請參考相關(guān)專業(yè)書籍。 在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是“概念設(shè)計”，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。 對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設(shè)計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部構(gòu)造措施。 在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、力學(xué)行為清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。

同時，它也是判斷計算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。 林同炎教授在《結(jié)構(gòu)概念和體系》一書中介紹了用整體概念來規(guī)劃結(jié)構(gòu)方案的方法，以及結(jié)構(gòu)總體系和個分體系間的相互力學(xué)關(guān)系和簡化近似設(shè)計方法。 鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面桁架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)形式。

其理論與技術(shù)大都成熟。亦有部分難題沒有解決，或沒有簡單實用的設(shè)計方法，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。 結(jié)構(gòu)選型時，應(yīng)考慮不同結(jié)構(gòu)形式的特點。在工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或大范圍移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架?；狙捍蟮牡貐^(qū)，屋面曲線應(yīng)有利于積雪滑落（切線50度外不需考慮雪載 ），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼，總雪載和坡屋面相比釋放近一半。降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節(jié)點剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)體系。高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應(yīng)單純?yōu)榱私?jīng)濟(jì)去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結(jié)構(gòu)體系。我國半數(shù)以上的此類高層為前者，對抗震不利。

結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征，荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮。一般的說要剛度均勻。力學(xué)模型清晰。盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ)。 柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻。其形心要盡量靠近側(cè)向力（風(fēng)、震）的作用線。 否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線。 比如有支撐框架結(jié)構(gòu)，柱子至少應(yīng)能單獨(dú)承受1/4的總水平力。 框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置，有時可以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也有時會吃不消，此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

（三）預(yù)估截面 結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。 鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計算，這種方法很受歡迎。 確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。 柱截面按長細(xì)比預(yù)估。 通常50<λ<150， 簡單選擇值在80附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。 對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，規(guī)范對截面的構(gòu)造要求有很大的不同，如鋼結(jié)構(gòu)所特有的組成構(gòu)件的板件的局部穩(wěn)定問題，在普鋼規(guī)范和輕鋼規(guī)范中的限值有很大的區(qū)別。 除此之外，構(gòu)件截面形式的選擇沒有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟(jì)美觀的截面。

（四）結(jié)構(gòu)分析 目前鋼結(jié)構(gòu)實際設(shè)計中，結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析，條件允許時考慮P-Δ，p-δ。 新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能。這為更精確的分析結(jié)構(gòu)提供了條件。并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件： 典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形。 簡單結(jié)構(gòu)通過手算進(jìn)行分析。 復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行程序并做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

（五）工程判定 要正確使用結(jié)構(gòu)軟件，還應(yīng)對其輸出結(jié)果的做“工程判定”。比如，評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據(jù)“工程判定”選擇修改模型重新分析，還是修正計算結(jié)果。 不同的軟件會有不同的適用條件。初學(xué)者應(yīng)充分明了。此外，工程設(shè)計中的計算和精確的力學(xué)計算本身常有一定距離， 為了獲得實用的設(shè)計方法，有時會用誤差較大的假定， 但對這種誤差， 會通過“適用條件、概念及構(gòu)造”的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全。 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，“適用條件、概念及構(gòu)造”是比定量計算更重要的內(nèi)容。 工程師們過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件有可能帶來結(jié)構(gòu)災(zāi)難，注重概念設(shè)計、工程判定和構(gòu)造措施有助于避免這種災(zāi)難。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。

【學(xué)員問題】結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容？

【解答】上部結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容及步驟：1.根據(jù)建筑設(shè)計來確定結(jié)構(gòu)體系、確定結(jié)構(gòu)主要材料；2.結(jié)構(gòu)平面布置；3.初步選用材料類型、強(qiáng)度等級等，根據(jù)經(jīng)驗初步確定構(gòu)件的截面尺寸；4.結(jié)構(gòu)荷載計算及各種荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析；5.荷載效應(yīng)組合；6.構(gòu)件的截面設(shè)計。此外還包括某些必要構(gòu)造措施。需要依據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)相關(guān)規(guī)范、圖集等。

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計：

主要分為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)。

基礎(chǔ)設(shè)計：

1、根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告、上部結(jié)構(gòu)類型及上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載效應(yīng)和當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ夹g(shù)水平及材料供應(yīng)情況確定基礎(chǔ)的形式，材料強(qiáng)度等級，一般有淺基礎(chǔ)（如：獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)等）和深基礎(chǔ)（如：樁基）。

2、基礎(chǔ)底面積的確定及地基承載力驗算。

3、基礎(chǔ)內(nèi)力計算及配筋計算。

4、考慮必要的構(gòu)造措施。

結(jié)構(gòu)施工圖上是結(jié)構(gòu)工程師的語言，是直接面對施工現(xiàn)場及相關(guān)工程技術(shù)人員的，應(yīng)該按照一定的規(guī)范繪制。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。