钢结构用量设计

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钢结构是一种以钢材为主要材料的建筑结构形式，因其具有强度高、自重轻、施工快捷、经济性好等特点，在现代建筑工程中得到了广泛应用。在钢结构设计过程中，合理确定钢结构用量是确保结构安全性和经济性的关键环节。

首先，钢结构用量的设计需要基于结构的功能需求和受力特点进行分析。设计人员需根据建筑用途、荷载条件（如恒载、活载、风载、地震作用等）以及场地环境等因素，选择合适的钢材类型和截面形式。通过精确的力学计算，确定构件尺寸和连接方式，从而优化钢材用量。

其次，钢结构用量设计还需考虑施工可行性与经济性。过于保守的设计会导致钢材浪费广州地区高校新校区房屋建筑施工组织设计，增加成本；而过于激进的设计可能降低结构安全性。因此，设计时应采用先进的计算机辅助设计软件（如有限元分析软件），结合规范要求，实现结构性能与材料用量的最佳平衡。

此外，随着绿色建筑理念的推广，钢结构用量设计还应注重可持续发展。通过采用高强度钢材、模块化设计和可回收材料等方式，减少资源消耗，提高建筑全生命周期内的环保性能。

总之，钢结构用量设计是一个综合性的技术过程，需要兼顾安全性、经济性和环保性，为建筑提供高效、可靠的解决方案。

J－截面抗扭常数，仅与截面大小和形状有关，

L－梁受压区横向支撑(约束)的间距，若无支撑则L为梁跨跨长。

由上式可见，ME与材料屈服强度fy无关，但与L的平方成反比。无侧向

支撑时，梁跨愈大，则临界弯矩愈小，即梁的承载能力就愈小。

1．从稳定的角度看待结构，结构可分为三种体系

可变体系：结构的几何形状是可变的，变化可由外界微小的作用引起，作用移开后也不会恢复原状。一个单铰柱是可变体系，靠很小的摩擦力直立，用一个很小的力一推便倒下了。四根杆件用四个铰两两相连形成一个矩形结构。在每一个铰处，杆件都可以自由转动，这也是一个可变体系。设想一对力在对角处一拉，则矩形变成了菱形。

瞬变体系：瞬变体系实际上是一种可变体系，之所以称为瞬变体系是由于它的几何形状可变动的幅度很小。

不变体系：在结构被破坏之前，结构的几何形状不会由于外界作用而改变。三杆用三铰两两相连形成的三角形是一个简单的不变体系。

体系的可变与不变与结构中杆件的数量有关。加一根斜杆(A杆)到上面提到的四杆四铰可变体系中，结构就变成了不变体系。如果在上述结构中再加一杆，则结构仍是不变体系。现在设想荷载加大，直到将A杆拉断，但其它杆件尚未破坏。结构仍为不变体系，因此可以认为维持上述结构为不变体系的杆件最少数量为5根。杆件数量多于不变体系要求的最少杆件数的结构称为赘余体系。赘余体系是不变体系中的一个类别。在赘余体系中，个别杆件的破坏并不意味整个结构体系就破坏。只要体系是不变的，就仍能承受一定的外荷载。网架结构是一种典型的赘余体系，其杆件数量比维持结构为不变体系的最少杆件数量要多得多。但这并不是说赘余体系的杆件可以任意破坏。一根杆件破坏了，不再承担外力，原来由其承担的力要由其它杆件分担。这就在结构中产生了力的重新分配。有些杆件受的力会增加。如果受力增加的杆件不破坏，则结构仍是安全的。但如果有的杆件由于受的力增加而出现了新的破坏，就可能会发生杆件破坏的连锁反映，导致结构最终破坏。因此，即使是赘余体系也应认真设计。

还有一个概念问题需要说明：前面提到的杆件都是即可受拉又可受压，但在实际工程中，常用到一种只能受拉不能受压的杆件。例如悬索、钢绞线、钢链和长而细的圆钢(常用直径范围为12～30mm)。此时，结构稳定对杆件数量的要求会与荷载方向有关。仍以四杆铰节的结构为例，布置在周边的四杆均为普通杆，即可承拉又可受压。在结构的对角线上布置拉杆(只能受拉)。

确定结构是否为不变体系的因素不仅仅是杆件的数量，与杆件之间的连接形式也有关系。如果在上述四杆可变体系中将任意两杆相连的节点由铰节改为刚节点，则结构成为了不变体系。若有两个节点改为刚节点，则结构为一次赘余体系。

铰节点：杆件可绕节点转动，即各杆的相对角度可任意改变而又不引起杆件受力。

刚节点：杆件不可绕节点转动。杆件之间的相对角度不发生变化。

影响厂房结构用钢的主要因素

影响钢结构用钢的因素较多，对不同类型的结构，影响用钢的因素也有区别和侧重。厂房结构较为简单，影响因素也容易叙述一些。归纳的因素，对于一般的结构来说有一定的普遍性。

单层单跨厂房结构(门式刚架)也可以看作是由四个杆件，即两个柱，一个横梁和大地组成的矩形结构。没有吊车的单跨厂房，通常用2～4粒螺栓将柱脚与基础相连，此时可将柱脚与基础(大地)的连接视为铰接。厂房内不可能用斜拉杆，因此柱与屋面必须做成刚接，否则便成了可变体系。

沿厂房纵向，也要考虑结构的稳定。在厂房纵向，各门式刚架之间通常在檐口处用刚性系杆铰接相连。如果不用柱间支撑，在水平荷载作用下，结构在纵向是可变体系。因此通常做法是在厂房两头的第一柱间加上交叉的拉杆支撑，荷载通过刚性系杆传至支撑再传至基础。当厂房较长时，在中间跨或相应的跨处也宜布置柱间支撑以免传力路线大长而使结构的纵向刚度不足。一般地，使用交叉拉杆支撑的间距又宜大于50m。

也许有人会提出沿厂房纵向亦可做成刚节点。可以这样做，但一般不这样做，并不是由于刚节点施工麻烦，而主要是用钢问题。这个问题可以从下面两方面看：

如果要将结构在两个方面(横向和纵向)做成刚接，H形截面可能不再能使用。如前所述，H形截面在弱轴方向的强度和刚度都太小，比其强轴方向小十几倍至几十倍。因此要用到箱形截面或管形截面。

以上图为例，由于使用支撑，对柱在纵向强度和刚度没有特别要求，采用H型钢截面250×300×8×6，每米用钢量为44.8kg。若取消支撑，采用箱形截面250×300×8×6，每米用钢量为58.2kg，与H型钢截面相比，每米用钢量增加30％。

对于提高结构强度和刚度，控制结构变形，使用支撑系统更有效，以下的简单例子可以说明问题：

一个Q235悬臂柱在柱顶作用力P＝10KN(1.0T)

所要求的最小截面模量W＝KM/[σ]＝1.4×80×106/215=521×103mm3

式中，K－荷载系数，

M－荷载引起的弯矩

σ－材料设计应力

用H形截面300×200×8×6 W＝531×103mm3

截面面积A＝200×8×2＋284×6＝4904mm2

截面在受弯方向的惯性矩I＝79.7×106mm4

用钢＝4904×10－6×8×7850＝308kg

经验算，上述截面的稳定临界弯矩大于荷载引起的弯矩，因此所选截面满足稳定要求。

现在将上述结构改为一根铰接柱加上缆风拉杆的方案，由上图可知：

拉杆力 NT＝10kN/cos60o=20kN

N－荷载引起的杆件力，

Q235直径16的拉杆面积为201mm2

铰接柱的力，NC＝10kn/tg30o=17.32kn

试采用圆管截面 102(直径)×2.5(壁厚)

面积＝781mm2；回转半径I＝35.2mm

长细比λ＝L/r＝8000/35.2＝227.3

受压稳定系数φ＝0.148

N－荷载引起的杆件力，

A－杆件截面面积

实际应力σ＝210<设计应力＝215N/mm2

实际用钢＝γΣ(A×L)＝7850×(781×10－6×8＋201×10－6×8/cos30o)

＝ 63.6kg

A－杆件截面面积，

Σ－求和号，指对结构中所有杆件的计算求和。

铰接柱加上拉杆支撑的用钢，仅为悬臂柱用钢的20.6%。

以上假定柱顶力是作用在某一个固定的方向。如果力可以作用在任一个方向，例如风荷载，则悬臂柱要设计成为管形或箱形截面。箱形截面较圆形截面有效一些。采用正方箱形截面如下：

截面惯性矩：I＝73.6×106mm4

截面弯曲横量：W＝545×103mm3

(>521×103mm3，强度计算所需截面模量)

面积A＝6336mm2

用钢＝388kg

对于铰接柱要在四个方向拉上缆风拉杆，此时，

用钢＝A(781×10－6×8＋4×201×10－6×8/cos30o)×7850＝107.3kg

为悬臂柱用钢的27%。 d.从结构变形(刚度)上考虑问题：

(1)对于’c’中的方管悬臂柱在柱顶作用10KN(1吨)水平力时，柱顶位移δ为：

L－柱高，

E－弹性模量，

I－截面惯性矩

(2)对铰接柱加缆风的结构，在同样荷载作用下涂饰工程工程施工技术交底记录，柱顶位移δ为：

式中， N－荷载引起的杆件力，

N－单位力在位移方向上引起的杆件力，

L－杆件长度

E－弹性模量

Σ－求和号，指对结构中所有杆件的计算求和

铰接柱加缆风的结构的位移值是悬臂柱结构的10分之一。悬臂柱的柱顶位移过大，是柱高的70分之一。若将柱顶位移控制在柱高的100分之一，即80mm，则柱截面还要加大。需要的截面为310×6mm，面积为7296mm2，8m长的重量为458kg。铰接柱加上四条缆风拉杆的重量仅为其的23.4%。如果将悬臂柱的柱顶位移也控制在10.5mm左右，则方管截面要做到540×8mm。

从以上的计算比较可见麒麟科技二期小高层钢筋工程施工方案，使用支撑系统的结构用钢比不使用支撑系统的结构用钢要小得多，从而可节约建筑造价。但其缺点是支撑系统要占据一定空间位置，这一点，常与建筑美观和使用方便产生矛盾。