摘要：随着我国工业的发展，很多大跨度场馆、高层建筑、构筑物、中小型建筑都采用了钢结构。本文仅对钢结构设计步骤和思路做了简单介绍，为了出色的完成一项钢结构设计，需要设计人员熟悉钢结构相关规范、钢结构设计原理及熟练运用设计软件，另外，对于工业钢结构建筑还应充分考虑工艺专业特殊要求。
关键词：钢结构设计步骤,概念设计,节点设计
引言
随着我国工业的发展，很多大跨度场馆、高层建筑、构筑物、中小型建筑都采用了钢结构。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，钢材的密度与强度之比较小，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。但是，也不能否认，钢结构还存在着缺陷和隐患。对于钢材本身的材质问题以及耐候性、耐火性、耐腐蚀性，还存在着大量的研究课题。同时，大量的事故表明，钢结构构件由于强度高，所用截面相对小，也就容易失去稳定，这就需要我们在设计时对结构的适用性、合理性、可靠性等方面进行多加论证，下面就对钢结构设计中的问题做以探讨。
一﹑判断结构是否适合采用钢结构
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。从当前的发展情况看，大致可分为普通钢结构和轻型钢结构。其中普通钢结构包括采用大截面和厚板的结构，如高层钢结构、重型厂房和某些公共建筑等;轻型钢结构主要指采用轻型屋而和墙而的门式钢架房屋、某些多层建筑、压型钢板薄壁拱壳屋盖等。此外，还有网架、网壳等空间结构。钢结构在桥梁、工业构架等方而也有广泛应用。
二﹑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”，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、破坏机理去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。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，但亦有部分难题没有解决。
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。一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，否则应考虑结构的扭转。结构的抗侧力结构应有多道防线，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。
三﹑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。
四﹑结构分析
目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑P一△，P一8。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能。这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用结构分析软件：典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形;简单结构通过手算进行分析;复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。我们现在用的结构分析软件大多为sap2000、PKPM系列软件等，对简单的计算模型也可以用到一些更加简便的小软件进行分析，如探索者CAD、世纪旗云结构设计工具箱等等，利用它们可以让设计人员做到事半功倍。
五﹑工程判定
要正确使用结构软件,还应对其输出结果的做“工程判定” 。比如,评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据“工程判定”选择修改模型重新分析,还是修正计算结果不同的软件会有不同的适用条件。初学者应充分明了。此外,工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离,为了获得实用的设计方法，有时会用误差较大的假定，但对这种误差，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”是比定量计算更重要的内容。工程师们不应该过分信任与依赖结构软件美国一位学者曾警告说：“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。”注重概念设计和工程判定是避免这种工程灾难的方法。
六﹑构件设计
构件的设计首先是材料的选择。比较常用的是Q235(类似A3)和Q345(类似16Mn)。通常主结构应当使用单一钢种，以便于工程管理。从经济角度考虑，也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;当稳定起控制作用时，宜选择Q235。
构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。
当前的结构分析软件，都提供截面验算的后处理功能。一些软件可以将验算时不满足的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，这就是常说的截面优化设计功能之一。例如sap2000、PKPM系列软件等就可以提供这种功能，它虽然可以提高结构工程师的工作效率，但是设计人员至少应注意2点：
(1)软件在做构件(主要是柱)的截面验算时，计算长度系数的取值有时会不符合规范的规定。目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以，尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件，结构工程师应该逐个检查。
(2)当预估截面不满足时，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。这在初学者中时常会出现问题。例如在一个轻型门式刚架结构设计中，设计人员没有考虑到这一点，为满足柱顶位移要求，而调整钢柱板材厚度，以至于最终柱断面调整为20mm厚的钢板，已经不能称之为轻型门式刚架结构了。这样使得材料没有充分发挥出本身的承载作用，而且造成了浪费。
我们设计中大多使用的软件是PKPMCAD计算软件，使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上，常常并不合适。所以必须通过人为的修改才能更加合理。
七﹑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。按传力特性不同，节点分刚接，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[2]有丰富的推荐的节点做法及计算公式。
连接的不同对结构影响甚大。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动,不符合结构分析中的假定。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2种常用的方法，初学者可偏安全选用前者。设计手册[2]中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用，比较方便。也可以使用结构分析软件的后处理部分来自动完成。
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，现已很少采用。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。根据受力特点分承压型和摩擦型。两者计算方法不同。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初学者长犯的错误。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 比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。
八﹑图纸编制
钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图为设计单位提供,施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制,有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾,有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。
(一)设计图
设计图是提供制造厂编制施工详图的依据 深度及内容应完整但不冗余。在设计图中，对于设计依据、荷载资料(包括地震作用)、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求(包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等)、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚.以利于施工详图的顺利编制，并能正确体现设计的意图主要材料应列表表示。
(二)施工详图
施工详图又称加工图或放样图等。深度须能满足车间直接制造加工。不完全相同的另构件单元须单独绘制表达，并应附有详尽的材料表。
设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制,目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。
九﹑结束语
作为一名专业设计人员，设计出结构合理、安全可靠、经济适用的设计产品是我们的职责，文本通过钢结构设计过程的探讨，指出了在钢结构设计过程中应该注意的问题，可为专业设计人员提供借鉴。
