浅谈钢结构的设计应用

寇立亚 冯亚男 姚 山

当前，我国钢材的年产居世界首位，钢结构应用发展很快。钢产量的增长为发展我国建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。目前，与发达国家相比我国在许多方面还存在着明显的差距。21世纪是钢结构快速发展时期，长期以来由混凝土结构、砌体结构一统天下的格局势必被打破，钢结构的设计应用也会越来越多。因此，对于工程设计人员而言，研究钢结构的设计思路和原理，对于完善专业知识结构、提高工程设计水平有十分重要的意义。

1 钢结构的适用条件

判断结构是否适合用钢结构，主要是钢结构和钢筋混凝土结构之间的选择。国内与国外相比，如日本等发达国家，钢结构建筑要占整个建筑的50%以上，而我国只占5%还不到;对于钢结构与混凝土结构的造价问题，应有一个全面、综合的认识，不能笼统地认为钢结构造价比混凝土贵，从而排斥于比较方案之外。事实上，结构造价只占工程造价的30%左右。而结构造价又分上部结构和基础造价，上部结构造价仅占基础造价的50%～70%。而钢结构只是指工程的上部结构，在工程总投资中仅占10%还不到，对于高层和大跨度结构，钢结构与采用混凝土结构间的差价所占工程总投资的比例将更小，一般不到工程总投资的4%。如果再考虑到采用钢结构因其自重轻、建筑有效使用面积大、施工速度快及抗震性能好等诸多优点，钢结构特别适用于重型工业厂房的承重骨架和吊车梁、大跨度建筑的屋盖结构、大跨度桥梁、多层和高层建筑的骨架、塔桅结构、容器和大直径管道等壳体结构、移动式结构、轻型结构以及在地震区抗震要求较高的工程结构。

2 钢结构的设计思路

2.1 结构体系的选择

钢结构体系的选择归根结底就是对钢结构抗震体系的选择[3]。它包括对建筑抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素综合分析，与建筑、水、暖、电等专业的充分协商，必要时还应进行多方案比较。一般来说，钢结构体系应受力明确，传力简捷;在满足功能使用的前提下，力求平面和竖向规则;应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力，应具备必要的抗震能力，良好的变形能力和消能能力;对可能出现薄弱层的部位，应采取措施提高抗震能力。在具体钢结构工程中，结构工程师应合理控制尺寸，避免局部失稳或整个构件失稳;要特别注意钢结构部分和钢筋混凝土的连接处，比如基础部分、钢屋架支撑处是较薄弱的部位。

2.2 计算模型的建立

计算模型应该是钢结构实际受力情况正确与合理的简化，结构计算是在计算模型的基础上进行的，计算模型选用不当不仅仅会得出错误的数值解，而且会导致结构安全事故，因此选择恰当的计算模型是保证结构安全的重要条件。比如在节点设计中，按传力特性不同，分刚接、铰接和半刚接。实际结构的节点不可能是纯粹的刚接或铰接点，这就需要结构工程师进行正确的判断，选择哪种更能真实的反映节点的受力情况的模型，使计算模型的误差控制在允许范围之内。此外，对于诸如节点这类受力复杂的构件，单从计算分析的角度并不能完全保证其可靠性，因此还应通过相应的构造措施对节点予以加强。

2.3 建筑材料的使用

要善于利用钢结构的抗拉性能。按受力的不同，现行的钢结构设计规范对钢结构主要从受弯、受拉、受压和拉弯、压弯五个方面计算[1]。从规范中不难看出，受压、受弯或压弯构件需同时进行强度和稳定性计算，对于大多数此类构件，当它发生失稳破坏时，其强度远未达到设计值。而受拉或拉弯构件只需考虑强度计算，构件的力学性能可以得到充分发挥，应力水平很高，因此材料的利用率最高。

3 常见的钢结构形式及力学原理[3]

3.1 刚架

刚架是梁、柱单元构件的组合体，其形式种类繁多，应用较多的是单层的单跨、双跨或多跨的双坡门式刚架。门式刚架、钢屋架、桁架、拱结构都同属平面结构体系。不过，钢屋架、桁架、拱是与柱子铰接的，而门式刚架的横梁是与柱子刚性连接的。由于刚性连接的缘故，横梁弯矩比铰接情况下的弯矩要小。但从本质上讲，刚架仍然是普通的受弯构件，它的材料利用率较低。原因有以下两个方面:1)靠近中和轴的材料应力水平低，属于单向应力状态;2)梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样对等截面刚架靠近梁端的区段来说，即使是拉、压边缘其应力水平也比较低。

3.2 桁架

桁架是由杆件组成的格构体系，其节点一般假定为铰接点，通常有平行弦桁架、三角形桁架和弧形桁架三种形式。把梁的中间受力不大的部分适当挖空就形成桁架，既经济，又降低自重。故桁架的上弦相应于钢梁的受压翼缘，下弦相应于受拉翼缘。平行弦桁架中腹杆的受力(拉、压)与梁中主拉、压应力方向一致，三角形桁架和弧形桁架的外形设计为与弯矩图相似的形状，从而使桁架的弦杆受力均匀。由于桁架中大量存在压杆，压杆的强度往往由其稳定性决定，而不是由杆件截面材料强度决定。因此，在平面桁架的设计过程中，应设法降低压杆的长细比。

3.3 网架

网架是一种新兴的屋盖结构，属于由复杂的杆件系统组成的超静定次数极高的空间结构，按外形的不同，可分为平面网架和曲面网架两类，相对曲面网架来说，平面网架是无推力的空间结构，可以节省抵抗推力的材料。在降低桁架压杆的长细比过程中，单纯增大截面是下策，特别是上弦杆，应努力增加其平面外的刚度(有时上弦采用双杆形成的复合压杆)，提供平面外约束(增加支撑)。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。网架的材料利用率高、应力水平高，因此在大跨度、大空间结构中广泛使用。

3.4 悬索结构

由于网架结构中仍然存在压杆，压杆(特别是钢压杆)的应力水平不可能太高，这样高强材料就不能使用。因此，在努力减少或消除结构中的压杆的过程中，我们找到了悬索结构。悬索结构中所有的“杆件”均为拉杆，这样就使悬索结构中杆件的应力水平极高，材料利用率极大，高强材料得以充分利用，最能发挥钢结构的材料特点。因而在超大跨度的结构中，悬索结构(或包括悬索结构的组合结构)是首选的结构类型。

4 钢结构的选型[4]

目前，钢结构在大跨度结构中应用较多。刚架适用于荷载小、跨度为9 m～18 m的建筑;桁架适用于跨度为18 m～36 m的建筑;网架的适用跨度一般可达到30 m～60 m，在一定条件下，其跨度也可达60 m以上;而悬索能够做到其他结构不能跨越的跨度，其适用跨度可达到100 m～150 m，甚至300 m以上。但这些只是钢结构选型的基本知识，一个好的结构形式的选择，不仅要考虑建筑上的作用功能、结构上的安全合理、施工上的可能条件，也要考虑经济价值和造型美观。工程设计人员应从力学概念入手，充分理解每类结构形式的优缺点、适用范围以及它在结构布置上的原则和构造尺寸，参考成功的工程设计实例，在结构选型中综合应用。比如: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平面网架;基本雪压大的地区、降雨量大的地区以及积灰荷载大的地区，屋面曲线应有利于卸荷，曲面网壳是理想的结构形式;而屋面覆盖跨度较大的建筑中，在选择构件悬索结构体系的同时，可以考虑对悬索施加预应力，以保证屋盖的刚度和稳定等。

5 结语

工程设计人员在能够正确判断要使用钢结构的前提下，应具有一个良好的设计思路，强调概念设计在钢结构设计中的应用;在深入理解刚架、桁架、网架及悬索这几种常见钢结构形式力学原理的基础上，科学进行结构选型，做到每一项设计都精益求精。

[1] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2] 董石麟.我国大跨度空间钢结构的发展与展望[J].中国建设信息，2002(20):56-57.

[3] 林同炎.结构概念和体系[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社，1999.

[4] 陈眼云.建筑结构选型[M].广州:华南理工大学出版社，1995:12.

[5] 陈 铭，何丽丽，巩伟平.浅谈钢结构稳定性设计[J].山西建筑，2008，34(5):118-119.