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

　 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。

　　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。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。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。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。

　　设计工程师在工作中应注意，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。

　　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-Δ，p-δ。一些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。

　　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。设计工程师应充分明了。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。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）。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，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；稳定控制时，宜使用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。

　　当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，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，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。但是，初学钢至少应注意两点：

　　1、软件在做构件（主要是柱）的截面验算时，计算长度系数的取定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，结构师应该逐个检查。

　　2、当上面第三条中预估的截面不满足时，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。

　　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。

　　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。设计工程师宜选择可以简单定量分析的前两者。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两种常用的方法，设计工程师可偏安全选用前者。也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成。

       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。

　　1、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。

2、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。

（1）建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：

　　1）持久状况。在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况，持续期一般与设计使用年限为同一数量级。

　　2）短暂状况。在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况，如施工和维修等。

　　3）偶然状况。在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。

　　对于不同的设计状况，可采用相应的结构体系、可靠度水准和基本变量等。

　（2）建筑结构的三种设计状况应分别进行下列极限状态设计：

　　1）对三种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计。

　　2）对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计。

　　3）对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。

  九、设计师在设计中的一些注意事项

       1、设计说明应注明工程设计使用年限，安全等级，选用的建筑材料，应注明规格、型号、性能等技术指标，其质量必须符合国家标准的要求。用新版本软件计算结果用钢量将会提高，要按规定用新版本软件计算梁、柱主筋，钢材优先采用HRB400。一级柱箍筋优先采用HRB400。施工图涉及到钢网架、电梯及其它设备予留的孔洞、机坑、基础、予埋件等一定要写明：“有关尺寸在浇筑混凝土之前必须得到设备厂家签字认可方可施工。”钢结构工程设计必须注明：焊缝质量等级，耐火等级，除锈等级，及涂装要求。砌体工程设计必须注明设计采用的施工质量控制等级。（一般采用B级）。砌体结构不宜设置少量的钢筋混凝土墙。砌体结构楼面有高差时，其高差不应超过一个梁高（一般不超过500mm）。超过时，应将错层当两个楼层计入总楼层中。

       2、一些结构计算。结构整体计算总体信息的取值：混凝土容重（KN/m3）取26～27，全剪结构取27，若取25，对于剪力墙需输入双面粉层荷载。地下室层数，取实际地下室层数，当含有地下室计算时，不指定地下室层数是不对的，请审核人把关。计算振型数，取3的倍数，高层建筑应至少取9个，考虑扭转耦联计算时，振型应不少于15个，对多塔结构不应少于塔数×9.计算时要检查Cmass-x及Cmass-y两向质量振型参与系数，均要保证不小于90％，达不到时，应增加振型数，重新计算。

结构审核人应在初步设计阶段对电算结果进行审核把关。对主要参数应作控制，如：剪重比、周期比（以扭转为主的基本周期与第一平动周期之比）、位移比（最大弹性层间位移与层间平均位移之比），满足规范基本要求。

       3、对地质勘察报告的基本要求：如果由设计院布置钻孔，提勘察要求。须加注明，勘察部门应根据勘察规范及现场地质情况作必要调整。若业主委托设计已完成钻探，设计工程师应根据具体的基本要求作审查。

       4、基础与构造设计。地基基础设计时，确定基础面积或桩数量，上部的荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，不计入风荷载和地震作用。基础底板的配筋，应按抗弯计算确定，地基反力采用的是荷载效应基本组合时的地基反力设计值。承台配筋计算时，采用相应于荷载效应基本组合时的桩竖向力设计值。对桩基设计，应作两种以上桩型的技术经济对比。钢筋连接有三种基本型式：搭接、焊接、机械连接。由于现场质量有时得不到保证，对于以上直径的钢筋，优先采用机械接头，不宜焊接。结构平面图中，所有受力构件都应相对于轴线标注定位尺寸（阳台、雨篷挑出长度、梁距轴线距离等）。连续跨梁配钢筋时，支座两侧的钢筋直径尽可能相同，以便钢筋穿过支座，避免两侧不同的钢筋都在支座锚固，造成节点钢筋过密，影响节点混凝土浇灌筑。

    十、结论

   创新是知识经济时代发展的动力，为了获取知识、创造效益，组织结构从传统的纵向层次结构网络结构发展。对设计师在设计中要根据结构的很多特性，准确的判断。这些形态各自的特点是什么；结构接点间的变化趋势是什么等等。我们对于这些问题还要不断研究、探讨。