钢结构设计及轻型钢结构应用分析

范凌云

关键词：钢结构设计；轻型钢结构；应用分析

钢结构自身具有较多优势特点，例如材质均匀，良好的韧性和塑性，便于制作，质量较轻，在实际施工期间钢结构的各项特征都显著优于混凝土结构，广泛应用于高层建筑施工当中，还可以应用在体型复杂，跨度较大的吊车操作当中。对于密封性要求高，车间操作温度高以及振动较大的结构当中也比较适合使用钢结构。在实际建筑当中，例如电视塔，歌剧院，大型建筑物以及轻型钢结构当中得益广泛应用。

1、钢结构形式与结构布置

在设计钢结构之前需要合理选择结构体系，需要采用刚柔并济的建筑结构体系。一般来说，钢结构最常使用的结构体系包括平面架，框架以及网架等，在结构上主要采用塔桅，轻钢以及索膜等。

在设计钢结构全过程当中最重要的就是概念设计理念，在制定结构设计方案时需要进行准确定位，明确概念，便于手动操作，以上各个指标能够有效防止分析钢结构期间出现大量的计算程序。其次，结构设计方案还能够有效判定计算机内力分析输出数据的合理性和准确性。因此，钢结构设计方案的布置阶段和确定结构选型阶段属于重要环节。对于某些较为复杂的问题或者没有进行标准规范的问题通常是无法进行精准分析，因此可以按照钢结构的分体系以及整体系全面掌握钢结构的震害效果，力学关系以及破坏机理等，还可以在实际工程建设期间明确概念设计的思想，细节部分的具体措施以及结构布置方式等，通过全局思想对其进行有效控制。在钢结构形式当中有效应用概念设计方式能够及时构思和对比设计方案，选择出最佳结构体系设计方案。对于分体系和整体系之间存在的设计方式和力学关系都可以通过概念设计方式规划结构方案。

在布置钢结构时需要按照荷载分布，体系特征以及各项性质等进行确定。通常情况下，需优先选择条理分明，刚度均匀，层次清晰的力学模型。在此期间要全面降低移动荷载以及大荷载的影响，避免构件出现变形侧移情况，确保钢结构的抗剪能力和抗弯能力，以最简线路将钢结构性能力量传递到基础层面，平衡柱间抗侧支撑的分布情况，缩短侧向力作用线与形心距离，如果无法实现以上操作，则需要分析钢结构的扭转能力，在钢结构的抗侧处设置若干防线。

2、预估柱梁截面

在完成结构布置之后需初步估算构件截面，假设支撑面与梁柱尺寸和断面形状。可以将H型钢截面或者槽钢作为钢梁，按照支座和荷载情况将截面高度控制在跨度的7/10左右。按照监测项支撑间距确定翼缘宽度，可以通过1/b限值确定，避免钢梁稳定性的复杂计算。在明确翼缘宽度和截面高度之后，可以根据局部稳定构造规定预估板件厚度。

根据柱长细比可以预估截面，将值确定在100附近。按照双向受压不同以及轴心受压情况优先选择H型钢截面。此外，在选择构件截面形式时如没有标准规定，则按照构建实际受力情况选择截面形式，注重截面经济性和安全性。

3、分析钢结构

分析钢结构主要是在确定荷载结构产生的变形和内力，确保结构设计更加具有合理性，还可以对现有结构的安全状况进行检查。在设计钢结构时需要分析概念设定结构形式和结构形式，在分析时要将结构设计视作工具并对其进行反复计算。在该种分析方式中需要分析假设结构体系，在分析完成之后需要设计各个构件，全面完成初步设计。在设计钢结构时变异性比较大，因此，在分析时只需要应用简便方法既可。在分析钢结构时需要对结构成本，构建特性以及荷载修正等进行估计，检查和设计改进。通过以上措施可以更改结构并进行精细化分析。在控制设计修改期间的收敛速度时主要是依靠设计人员自行控制，所以在设计初期要全面了解结构分析方法，利用相应的假设条件对设计进行分析简化，掌握钢结构分析手段以及标准设计方式，并在标准规定范围内对结构进行简化，了解矩阵分析的内在原理。

4、判断结构合理性

能够正确使用各项结构分析软件，正确判断输出结果，可以对应力，位移变形特征以及总剪力等进行评估。软件不同其适用范围和条件也不同，这就要求初学者全面掌握各项内容，在实际设计和分析期间不能完全按照结构软件的各项指令进行操作。其次，在工程设计当中，计算与力学计算之间存在一定差距，为了提升设计方式的实用性，可以采用假定和误差分析方式，在误差分析期间需要全面确保钢结构的安全。在设计钢结构时需要严格遵循适用条件以及构造方式等进行计算。

5、钢结构构件优化选型

在设计钢结构时要严格控制材料质量，当前比较常用的是Q345和Q235，一般来说主结构通常采用单一钢种，这样能够有效提升施工管理的时效性。在选择钢结构材料时还需要考虑经济因素，可以将不同强度的钢结构材料进行组合使用，形成钢结构截面，当钢结构强度能够发挥一定控制效果时可以选择Q345，如果可以控制稳定性，则需要使用Q235。

在设计钢结构构件期间需要对验算截面，目前最常使用的方式就是弹塑性验算方法，该种验算方法与结构内力计算弹性方法差别较大。

（1）软件在验算构件截面时需要对长度系数进行计算，这有可能导致不合理规定，当前各项软件程序都无法处理该问题。因此，针对钢结构构件变截面以及节点连接复杂情况，钢结构设计师需要对其进行全面检查。

（2）如果预估的截面无法达到设定要求，在增加截面时需要按照不同情况进行分析。如果变形超限，则不能依靠增加板件厚度方式解决，而应当增加截面高度，这样更加符合经济性。如果预估强度无法达到设定要求，通常都是增加组成截面板件厚度，如果抗弯性能不达标则可以增加翼缘厚度，如果性能不达标，则可以增加腹板厚度。在应用软件时可以充分发挥截面优化设计功能，但是该项功能无法区分刚度和强度。

6、轻型钢结构的应用

随着建筑环保理念的不断发展，出现了较多新型建筑材料，轻型钢结构能够有效应用在荷载较轻的小跨度和大跨度结构当中。由于钢材质量较轻，大多属于小跨度，自重就成为主要影响因素。冷弯薄壁型号钢屋架的使用量需要小于钢筋混凝土屋架使用量。由于轻型门式架在安装和操作方面比较便捷，因此广泛应用在现代建筑施工当中。轻型钢结构具有较高的经济价值。如果建筑施工场地的地基条件比较差，在建设房屋时使用轻型钢结构能够有效减少工程造价。对于地价比较昂贵的区域实用轻型钢结构不会占用较多面积，建设工期短，提升了轻型钢结构的使用价值。

7、结束语

综上所述，随着我国社会经济的不断发展，各行业领域都开始广泛应用钢结构，尤其体现在建筑施工行业。由于大多数施工现场可利用面积较小，因此需要使用钢结构进行建设。其次，建筑配套设施的钢结构都需要与家居系统配合使用。例如中央空调，供水系统和供电系统等，全面降低占用空间。所以，在现代建筑工程当中应用轻型钢结构能够体现出较高的经济性。

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