（一）判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

　　鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點相一致的。

　�。ǘ�）結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

　　此處僅簡單介紹。詳請參考相關(guān)專業(yè)書籍。由于結(jié)構(gòu)選型涉及廣泛，做結(jié)構(gòu)選型及布置應該在經(jīng)驗豐富的工程師指導下進行。

　　在鋼結(jié)構(gòu)設計的整個過程中都應該被強調(diào)的是"概念設計"，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學關(guān)系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

　　林同炎教授在《結(jié)構(gòu)概念和體系》一書中介紹了用整體概念來規(guī)劃結(jié)構(gòu)方案的方法，以及結(jié)構(gòu)總體系和個分體系間的相互力學關(guān)系和簡化近似設計方法。[20]

　　鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面（木行）架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。

　　其理論與技術(shù)大都成熟。亦有部分難題沒有解決，或沒有簡單實用的設計方法，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。

　　結(jié)構(gòu)選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業(yè)廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。基本雪壓大的地區(qū)，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線50度內(nèi)需考慮雪載），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼�？傃┹d釋放近一半。降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節(jié)點剛接的框架有更好的經(jīng)濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)體系。高層鋼結(jié)構(gòu)設計中，常采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應單純?yōu)榱私?jīng)濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結(jié)構(gòu)體系。我國半數(shù)以上的此類高層為前者。對抗震不利。[19]

　　結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征，荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮。一般的說要剛度均勻。力學模型清晰。盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎。柱間抗側(cè)支撐的分布應均勻。其形心要盡量靠近側(cè)向力（風震）的作用線。否則應考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應有多道防線。比如有支撐框架結(jié)構(gòu)，柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力。

　　框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置，有時可以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也有時會吃不消，此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

　�。ㄈ�）預估截面

　　結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。

　　鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預估。

　　柱截面按長細比預估。通常50<λ<150，簡單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。

　　初學者需注意，對應不同的結(jié)構(gòu)，規(guī)范中對截面的構(gòu)造要求有很大的不同。如鋼結(jié)構(gòu)所特有的組成構(gòu)件的板件的局部穩(wěn)定問題。在普鋼規(guī)范和輕鋼規(guī)范中的限值有很大的區(qū)別。

　　除此之外，構(gòu)件截面形式的選擇沒有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理的選擇安全經(jīng)濟美觀的截面。

　　（四）結(jié)構(gòu)分析

　　目前鋼結(jié)構(gòu)實際設計中，結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析，條件允許時考慮P-Δ，p-δ。

　　新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能。這為更精確的分析結(jié)構(gòu)提供了條件。并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件：

　　典型結(jié)構(gòu)可查力學手冊之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形。

　　簡單結(jié)構(gòu)通過手算進行分析。

　　復雜結(jié)構(gòu)才需要建模運行程序并做詳細的結(jié)構(gòu)分析。

　　（五）工程判定

　　要正確使用結(jié)構(gòu)軟件，還應對其輸出結(jié)果的做"工程判定".比如，評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據(jù)"工程判定"選擇修改模型重新分析，還是修正計算結(jié)果。

　　不同的軟件會有不同的適用條件。初學者應充分明了。此外，工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離，為了獲得實用的設計方法，有時會用誤差較大的假定，但對這種誤差，會通過"適用條件、概念及構(gòu)造"的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全。鋼結(jié)構(gòu)設計中，"適用條件、概念及構(gòu)造"是比定量計算更重要的內(nèi)容。

　　工程師們不應該過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件。美國一位學者曾警告說：“誤用計算機造成結(jié)構(gòu)破壞而引起災難只是一個時 間的問題�！�

　　注重概念設計和工程判定是避免這種工程災難的方法。

　　（六）構(gòu)件設計

　　構(gòu)件的設計首先是材料的選擇。比較常用的是Q235（類似A3）和Q345（類似16Mn）。通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。當強度起控制作用時，可選擇Q345；穩(wěn)定控制時，宜使用Q235.

　　構(gòu)件設計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配。

　　當前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級。并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。但是，初學鋼至少應注意兩點：

　　1.軟件在做構(gòu)件（主要是柱）的截面驗算時，計算長度系數(shù)的取定有時會不符合規(guī)范的規(guī)定。目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以，尤其對于節(jié)點連接情況復雜或變截面的構(gòu)件，結(jié)構(gòu)師應該逐個檢查。

　　2.當上面第（三）條中預估的截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區(qū)別對待。

　�。�1）強度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度。

　�。�2）變形超限，通常不應加大板件厚度，而應考慮加大截面的高度，否則，會很不經(jīng)濟。

　　使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設計功能，很難考慮上述強度與剛度的區(qū)分，實際上，常常并不合適。

　　（七）節(jié)點設計

　　連接節(jié)點的設計是鋼結(jié)構(gòu)設計中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應該對節(jié)點的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設計的節(jié)點與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免。按傳力特性不同，節(jié)點分剛接，鉸接和半剛接。初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。常用的參考書[2]有豐富的推薦的節(jié)點做法及計算公式。

　　連接的不同對結(jié)構(gòu)影響甚大。比如，有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒有問題，但會產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動，不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定。會導致實際工程變形大于計算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果。

　　連接節(jié)點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法，初學者可偏安全選用前者。設計手冊[2]中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者查用，比較方便。也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來自動完成。

　　具體設計主要包括以下內(nèi)容：

　　1.焊接：對焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)范有強制規(guī)定，應嚴格遵守。焊條的選用應和被連接金屬材質(zhì)適應。E43對應Q235，E50對應Q345. Q235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43，而不是E50.

　　焊接設計中不得任意加大焊縫。焊縫的重心應盡量與被連接構(gòu)件重心接近。其他詳細內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定。

　　2.栓接：

　　鉚接形式，在建筑工程中，現(xiàn)已很少采用。

　　普通螺栓抗剪性能差，可在次要結(jié)構(gòu)部位使用。

　　高強螺栓，使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個強度等級。根據(jù)受力特點分承壓型和摩擦型。兩者計算方法不同。高強螺栓最小規(guī)格M12.常用M16~M30.超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，設計中應慎重使用。

　　自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。國外在低層墻板式住宅中，也常用于主結(jié)構(gòu)的連接。

　　3.連接板：可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm.然后驗算凈截面抗剪等。

　　4.梁腹板：應驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。

　　5.節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運到現(xiàn)場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。

　　6.節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口需要數(shù)控機床等設備才能完成。

　　（八）圖紙編制

　　鋼結(jié)構(gòu)設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖為設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結(jié)構(gòu)項目增多和設計院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾，有設計能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參與設計圖編制的情況也很普遍。

　　1.設計圖：是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù)。深度及內(nèi)容應完整但不冗余。在設計圖中，對于設計依據(jù)、荷載資料（包括地震作用）、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設計要求（包括制造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗的等級、涂裝及運輸?shù)龋�、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面選用以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點構(gòu)造等均應表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現(xiàn)設計的意圖。主要材料應列表表示。

　　2.施工詳圖：又稱加工圖或放樣圖等。深度須能滿足車間直接制造加工。不完全相同的另構(gòu)件單元須單獨繪制表達，并應附有詳盡的材料表。

　　設計圖及施工詳圖的內(nèi)容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設計單位之間及其與鋼結(jié)構(gòu)公司之間不盡相同。初學者可參考他人的優(yōu)秀設計并參考相關(guān)的工具書[3]，并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。

　　鋼結(jié)構(gòu)設計簡單步驟和設計思路

　　（一）判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

　　鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點相一致的。

　　（二）結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

　　此處僅簡單介紹。詳請參考相關(guān)專業(yè)書籍。由于結(jié)構(gòu)選型涉及廣泛，做結(jié)構(gòu)選型及布置應該在經(jīng)驗豐富的工程師指導下進行。

　　在鋼結(jié)構(gòu)設計的整個過程中都應該被強調(diào)的是"概念設計"，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學關(guān)系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

　　林同炎教授在《結(jié)構(gòu)概念和體系》一書中介紹了用整體概念來規(guī)劃結(jié)構(gòu)方案的方法，以及結(jié)構(gòu)總體系和個分體系間的相互力學關(guān)系和簡化近似設計方法。[20]

　　鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面（木行）架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。

　　其理論與技術(shù)大都成熟。亦有部分難題沒有解決，或沒有簡單實用的設計方法，比如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。

　　結(jié)構(gòu)選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業(yè)廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架�；�本雪壓大的地區(qū)，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線50度內(nèi)需考慮雪載），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網(wǎng)殼�？傃┹d釋放近一半。降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節(jié)點剛接的框架有更好的經(jīng)濟性。而屋面覆蓋跨度較大的建筑中，可選擇構(gòu)件受拉為主的懸索或索膜結(jié)構(gòu)體系。高層鋼結(jié)構(gòu)設計中，常采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應單純?yōu)榱私?jīng)濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型SRC柱，核心為支撐框架的結(jié)構(gòu)體系。我國半數(shù)以上的此類高層為前者。對抗震不利。[19]

　　結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征，荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮。一般的說要剛度均勻。力學模型清晰。盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎。柱間抗側(cè)支撐的分布應均勻。其形心要盡量靠近側(cè)向力（風震）的作用線。否則應考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應有多道防線。比如有支撐框架結(jié)構(gòu)，柱子至少應能單獨承受1/4的總水平力。

　　框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置，有時可以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也有時會吃不消，此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。