鋼結(jié)構(gòu)由鋼制材料組成，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。因其自重較輕，且施工簡單，廣泛應(yīng)用于大型廠房、場館、超高層等領(lǐng)域。但其構(gòu)件種類多、設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、材料多樣等特點(diǎn)，也使得鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較其他建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了使最終的設(shè)計(jì)成果符合國家標(biāo)準(zhǔn)，能投入生活和使用，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作出了嚴(yán)格規(guī)定，尤其是強(qiáng)制性條文第4.3.2、4.4.1、4.4.3、4.4.4、4.4.5、4.4.6、18.3.3條。下面，我們一起來看下鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循哪些規(guī)定：

01 一般規(guī)定
1.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)包括下列內(nèi)容：
1）結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)件布置；
2）材料選用及截面選擇；
3）作用及作用效應(yīng)分析；
4）結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)驗(yàn)算；
5）結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及連接的構(gòu)造；
6）制作、運(yùn)輸、安裝、防腐和防火等要求；
7）滿足特殊要求結(jié)構(gòu)的專門性能設(shè)計(jì)。

2.除疲勞設(shè)計(jì)應(yīng)采用容許應(yīng)力法外，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.計(jì)算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及連接的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)采用荷載設(shè)計(jì)值；計(jì)算疲勞時(shí)，應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

4.對于直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)：計(jì)算強(qiáng)度和穩(wěn)定性時(shí)，動(dòng)力荷載設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以動(dòng)力系數(shù)；計(jì)算疲勞和變形時(shí)，動(dòng)力荷載標(biāo)準(zhǔn)值不乘動(dòng)力系數(shù)。計(jì)算吊車梁或吊車析架及其制動(dòng)結(jié)構(gòu)的疲勞和撓度時(shí)，起重機(jī)荷載應(yīng)按作用在跨間內(nèi)荷載效應(yīng)最大的臺(tái)起重機(jī)確定。

5.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括預(yù)應(yīng)力施工階段和使用階段的各種工況。預(yù)應(yīng)力索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)包括找形分析、荷載分析及裁剪分析三個(gè)相互制約的過程，并宜進(jìn)行施工過程分析。

6.結(jié)構(gòu)構(gòu)件、連接及節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用下列承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

1）持久設(shè)計(jì)狀況、短暫設(shè)計(jì)狀況：
y0S≤R

2）地震設(shè)計(jì)狀況：
多遇地震
S≤R/yRE

設(shè)防地震
S≤Rk

式中：y0——結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)：對安全等級為一級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.1，對安全等級為二級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.0，對安全等級為三級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于0.9；
S ——承載能力極限狀況下作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值：對持久或短暫設(shè)計(jì)狀況應(yīng)按作用的基本組合計(jì)算；對地震設(shè)計(jì)狀況應(yīng)按作用的地震組合計(jì)算;
R——-結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值；
Rk——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力標(biāo)準(zhǔn)值；
yRE———承載力抗震調(diào)整系數(shù)，應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011的規(guī)定取值。

7.對安全等級為一級或可能遭受爆炸、沖擊等偶然作用的結(jié)構(gòu)，宜進(jìn)行防連續(xù)倒塌控制設(shè)計(jì)，保證部分梁或柱失效時(shí)結(jié)構(gòu)有一條豎向荷載重分布的途徑，保證部分梁或樓板失效時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證部分構(gòu)件失效后節(jié)點(diǎn)仍可有效傳遞荷載。

8.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理選擇材料、結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)造措施，滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件在運(yùn)輸、安裝和使用過程中的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度要求并應(yīng)符合防火、防腐蝕要求。宜采用通用和標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件替換可能性時(shí)應(yīng)提出相應(yīng)的要求。鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造應(yīng)便于制作、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)并使結(jié)構(gòu)受力簡單明確，減少應(yīng)力集中，避免材料三向受拉。

9.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件應(yīng)注明所采用的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限、抗震設(shè)防烈度、鋼材牌號(hào)、連接材料的型號(hào)(或鋼號(hào)）和設(shè)計(jì)所需的附加保證項(xiàng)目。

10.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件應(yīng)注明螺栓防松構(gòu)造要求、端面創(chuàng)平頂緊部位、鋼結(jié)構(gòu)最低防腐蝕設(shè)計(jì)年限和防護(hù)要求及措施、對施工的要求。對焊接連接，應(yīng)注明焊縫質(zhì)量等級及承受動(dòng)荷載的特殊構(gòu)造要求;對高強(qiáng)度螺栓連接，應(yīng)注明預(yù)拉力、摩擦面處理和抗滑移系數(shù);對抗震設(shè)防的鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)注明焊縫及鋼材的特殊要求。

02 結(jié)構(gòu)體系
1.鋼結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)符合下列規(guī)定：
1）應(yīng)具備豎向和水平荷載傳遞途徑；
2）應(yīng)具有剛度和承載力、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和構(gòu)件穩(wěn)定性；
3）應(yīng)具有冗余度，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系喪失承載能力；
4）隔墻、外圍護(hù)等宜采用輕質(zhì)材料。

2. 施工過程對主體結(jié)構(gòu)的受力和變形有較大影響時(shí)，應(yīng)進(jìn)行施工階段驗(yàn)算。

03 鋼材牌號(hào)及標(biāo)準(zhǔn)
1.鋼材宜采用Q235、Q345、Q390、Q420、Q460和Q345GJ鋼，其質(zhì)量應(yīng)分別符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 700、《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 1591和《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》GB/T 19879的規(guī)定。結(jié)構(gòu)用鋼板、熱軋工字鋼、槽鋼、角鋼、H型鋼和鋼管等型材產(chǎn)品的規(guī)格、外形、重量及允許偏差應(yīng)符合國家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.焊接承重結(jié)構(gòu)為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時(shí)，其質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《厚度方向性能鋼板》GB/T 5313的規(guī)定。

3.處于外露環(huán)境，且對耐腐蝕有特殊要求或處于侵蝕性介質(zhì)環(huán)境中的承重結(jié)構(gòu)，可采用Q235NH、Q355NH和Q415NH牌號(hào)的耐候結(jié)構(gòu)鋼，其質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《耐候結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 4171的規(guī)定。

4.非焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《一般工程用鑄造碳鋼件》GB/T11352的規(guī)定，焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件》GB/T 7659的規(guī)定。

5.當(dāng)采用本標(biāo)準(zhǔn)未列出的其他牌號(hào)鋼材時(shí)，宜按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50068進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究確定其設(shè)計(jì)指標(biāo)及適用范圍。


04 材料選用
1.承重結(jié)構(gòu)所用的鋼材應(yīng)具有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳當(dāng)量的合格保證。焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證；對直接承受動(dòng)力荷載或需驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件所用鋼材尚應(yīng)具有沖擊韌性的合格保證。（強(qiáng)制執(zhí)行條文）

2.鋼材質(zhì)量等級的選用應(yīng)符合下列規(guī)定：
1）A級鋼僅可用于結(jié)構(gòu)工作溫度高于0℃的不需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)，且 Q235A鋼不宜用于焊接結(jié)構(gòu)。
2）需驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)用鋼材應(yīng)符合下列規(guī)定：
①當(dāng)工作溫度高于0℃時(shí)其質(zhì)量等級不應(yīng)低于B級；
②當(dāng)工作溫度不高于0℃但高于-20℃時(shí)，Q235、Q345鋼不應(yīng)低于C級，Q390、Q420及Q460鋼不應(yīng)低于D級；
③當(dāng)工作溫度不高于-20℃時(shí)，Q235鋼和Q345鋼不應(yīng)低于D級，Q390鋼、Q420鋼、Q460鋼應(yīng)選用E級。

3需驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)，其鋼材質(zhì)量等級要求可較上述焊接結(jié)構(gòu)降低一級但不應(yīng)低于B級。吊車起重量不小于50t的中級工作制吊車梁，其質(zhì)量等級要求應(yīng)與需要驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件相同。

4.采用塑性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及進(jìn)行彎矩調(diào)幅的構(gòu)件，所采用的鋼材應(yīng)符合下列規(guī)定：
1）屈強(qiáng)比不應(yīng)大于0.85；
2）鋼材應(yīng)有明顯的屈服臺(tái)階，且伸長率不應(yīng)小于20%。

5.連接材料的選用應(yīng)符合下列規(guī)定：
1）焊條或焊絲的型號(hào)和性能應(yīng)與相應(yīng)母材的性能相適應(yīng)，其熔敷金屬的力學(xué)性能應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)定，且不應(yīng)低于相應(yīng)母材標(biāo)準(zhǔn)的下限值；
2）對直接承受動(dòng)力荷載或需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)，以及低溫環(huán)境下工作的厚板結(jié)構(gòu)，宜采用低氫型焊條；
3）連接薄鋼板采用的自攻螺釘、鋼拉鉚釘(環(huán)槽鉚釘)、射釘?shù)葢?yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

05 設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)
1.鋼材的設(shè)計(jì)用強(qiáng)度指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)鋼材牌號(hào)、厚度或直徑按下表采用。（強(qiáng)制執(zhí)行條文）

2.建筑結(jié)構(gòu)用鋼板的設(shè)計(jì)用強(qiáng)度指標(biāo)，可根據(jù)鋼材牌號(hào)厚度或直徑按下表采用。

3.結(jié)構(gòu)用無縫鋼管的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)按下表采用。（強(qiáng)制執(zhí)行條文）

4.鑄鋼件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按下表采用。（強(qiáng)制執(zhí)行條文）

5.焊縫的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)按下表采用并應(yīng)符合下列規(guī)定：（強(qiáng)制執(zhí)行條文）
1）手工焊用焊條、自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊所采用的焊絲和焊劑，應(yīng)保證其熔敷金屬的力學(xué)性能不低于母材的性能。
2）焊縫質(zhì)量等級應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB 50661的規(guī)定,其檢驗(yàn)方法應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB 50205的規(guī)定。其中厚度小于6mm鋼材的對接焊縫,不應(yīng)采用超聲波探傷確定焊縫質(zhì)量等級。
3）對接焊縫在受壓區(qū)的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取fwc，在受拉區(qū)的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取fwt。

4）計(jì)算下列情況的連接時(shí)，下表規(guī)定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以相應(yīng)的折減系數(shù)；幾種情況同時(shí)存在時(shí)，其折減系數(shù)應(yīng)連乘：
①施工條件較差的高空安裝焊縫應(yīng)乘以系數(shù)0.9；
②進(jìn)行無墊板的單面施焊對接焊縫的連接計(jì)算應(yīng)乘折減系數(shù)0.85。

6.螺栓連接的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)按下表采用。（強(qiáng)制執(zhí)行條文）

7.鉚釘連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按下表采用，并應(yīng)按下列規(guī)定乘以相應(yīng)的折減系數(shù)，當(dāng)下列幾種情況同時(shí)存在時(shí)，其折減系數(shù)應(yīng)連乘：
1）施工條件較差的鉚釘連接應(yīng)乘以系數(shù)0.9；
2）沉頭和半沉頭鉚釘連接應(yīng)乘以系數(shù)0.8。

8.鋼材和鑄鋼件的物理性能指標(biāo)應(yīng)按下表采用。

06 結(jié)構(gòu)分析與穩(wěn)定性分析

1.建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形可按結(jié)構(gòu)靜力學(xué)方法進(jìn)行彈性或彈塑性分析，采用彈性分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，截面板件寬厚比等級為S1級、S2級、S3級的構(gòu)件可有塑性變形發(fā)展。

2.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)應(yīng)在結(jié)構(gòu)分析或構(gòu)件設(shè)計(jì)中考慮二階效應(yīng)。
3.結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型和基本假定應(yīng)與構(gòu)件連接的實(shí)際性能相符合。
4.框架結(jié)構(gòu)的梁柱連接宜采用剛接或餃接。梁柱采用半剛性連接時(shí)，應(yīng)計(jì)入梁柱交角變化的影響，在內(nèi)力分析時(shí)，應(yīng)假定連接的彎矩—轉(zhuǎn)角曲線，并在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，保證節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造與假定的彎矩—轉(zhuǎn)角曲線符合。
5.進(jìn)行析架桿件內(nèi)力計(jì)算時(shí)應(yīng)符合下列規(guī)定：
1）計(jì)算珩架桿件軸力時(shí)可采用節(jié)點(diǎn)餃接假定；
2）采用節(jié)點(diǎn)板連接的析架腹桿及荷載作用于節(jié)點(diǎn)的弦桿，其桿件截面為單角鋼、雙角鋼或T形鋼時(shí)，可不考慮節(jié)點(diǎn)剛性引起的彎矩效應(yīng)；

07 鋼結(jié)構(gòu)連接
1.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接應(yīng)根據(jù)施工環(huán)境條件和作用力的性質(zhì)選擇其連接方法。

2.同一連接部位中不得采用普通螺栓或承壓型高強(qiáng)度螺栓與焊接共用的連接；在改、擴(kuò)建工程中作為加固補(bǔ)強(qiáng)措施，可采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓與焊接承受同一作用力的栓焊并用連接，其計(jì)算與構(gòu)造宜符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》JGJ 82-2011第5.5節(jié)的規(guī)定。

3.C級螺栓宜用于沿其桿軸方向受拉的連接，在下列情況下可用于抗剪連接：
1）承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)中的次要連接；
2）承受靜力荷載的可拆卸結(jié)構(gòu)的連接；
3）臨時(shí)固定構(gòu)件用的安裝連接。

4. 沉頭和半沉頭鉚釘不得用于其桿軸方向受拉的連接。

5.鋼結(jié)構(gòu)焊接連接構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：
1）盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸；
2）焊縫的布置宜對稱于構(gòu)件截面的形心軸；
3）節(jié)點(diǎn)區(qū)留有足夠空間，便于焊接操作和焊后檢測；
4）應(yīng)避免焊縫密集和雙向、三向相交；
5）焊縫位置宜避開最大應(yīng)力區(qū)；
6）焊縫連接宜選擇等強(qiáng)匹配；當(dāng)不同強(qiáng)度的鋼材連接時(shí)，可采用與低強(qiáng)度鋼材相匹配的焊接材料。

除了以上規(guī)定外，本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還對受彎構(gòu)件、軸心受力構(gòu)件、拉彎、壓彎構(gòu)件、加勁鋼板剪力墻、鋼與混凝土組合梁等作了相關(guān)規(guī)定，這里就不作詳細(xì)贅述了，感興趣的相關(guān)從業(yè)者可以查看《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，為了保障鋼結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，我們需要對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。目前，鋼結(jié)構(gòu)分析主要采用有限元分析方式，對鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力（軸力，剪力，彎矩，扭矩）載荷、結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)（自振周期，振型）、土壤結(jié)構(gòu)相互作用或風(fēng)力、地震及移動(dòng)（線位移，角位移）載荷等進(jìn)行分析。

現(xiàn)階段，在鋼結(jié)構(gòu)工程中，為了降低鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析難度，提高鋼結(jié)構(gòu)工程計(jì)算的準(zhǔn)確性，我們需要采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析軟件STAAD。


STAAD 是一個(gè)全面集成的有限元分析和設(shè)計(jì)解決方案，包括良好的用戶界面、可視化工具和國際設(shè)計(jì)規(guī)范。能用于分析受靜力載荷、動(dòng)力響應(yīng)、土壤結(jié)構(gòu)相互作用或風(fēng)力、地震及移動(dòng)載荷影響的幾乎所有結(jié)構(gòu)類型。

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