关于钢结构深化设计、计算分析和三维配筋

1、钢结构的定义特点

钢结构是由钢制材料组成的结构，是主要的建筑结构类型之一。在设计施工中，具有以下特点：

1.材料强度高，自身重量轻

钢材强度较高，弹性模量也高。与混凝土和木材相比，其密度与屈服强度的比值相对较低，因而在同样受力条件下钢结构的构件截面小，自重轻，便于运输和安装，适于跨度大，高度高，承载重的结构。

2.钢材韧性，塑性好，材质均匀，结构可靠性高

适于承受冲击和动力荷载，具有良好的抗震性能。钢材内部组织结构均匀，近于各向同性匀质体。钢结构的实际工作性能比较符合计算理论。所以钢结构可靠性高。

3.钢结构制造安装机械化程度高

钢结构构件便于在工厂制造、工地拼装。工厂机械化制造钢结构构件成品精度高、生产效率高、工地拼装速度快、工期短。钢结构是工业化程度最高的一种结构。

4.钢结构密封性能好

由于焊接结构可以做到完全密封，可以作成气密性，水密性均很好的高压容器，大型油池，压力管道等。

5.钢结构耐热不耐火

当温度在150℃以下时，钢材性质变化很小。因而钢结构适用于热车间，但结构表面受150℃左右的热辐射时，要采用隔热板加以保护。温度在300℃ -400℃时.钢材强度和弹性模量均显著下降，温度在600℃左右时，钢材的强度趋于零。在有特殊防火需求的建筑中，钢结构必须采用耐火材料加以保护以提高耐火等级。

6.钢结构耐腐蚀性差

特别是在潮湿和腐蚀性介质的环境中，容易锈蚀。一般钢结构要除锈、镀锌或涂料，且要定期维护。对处于海水中的海洋平台结构，需采用“锌块阳极保护”等特殊措施予以防腐蚀。

7.低碳、节能、绿色环保，可重复利用

钢结构建筑拆除几乎不会产生建筑垃圾，钢材可以回收再利用。

2、钢结构深化设计

1.钢结构深化设计流程

钢结构深化设计即钢结构详图设计，在钢结构施工图设计之后进行，详图设计人员根据施工图提供的构件布置、构件截面、主要节点构造及各种有关数据和技术要求，严格遵守钢结构相关设计规范和图纸的规定，对构件的构造予以完善。

根据工厂制造条件、现场施工条件，并考虑运输要求、吊装能力和安装因素等，确定合理的构件单元。最后再运用专业的钢结构深化设计制图软件，将构件的整体形式、构件中各零件的尺寸和要求以及零件间的连接方法等，详细地表现到图纸上，以便制造和安装人员通过查看图纸，清楚地了解构造要求和设计意图，完成构件在工厂的加工制作和现场的组拼安装。

钢结构深化详图是结构设计与构件加工制作的联系桥梁，为钢结构加工制作厂和现场施工安装单位提供构件加工和安装必要的依据，并及时向建筑工程师和结构工程师反映工厂加工与工地安装中不可行的问题点，以及可行的解决方案，避免影响工程进度和质量，造成经济损失 。

2.钢结构深化设计内容

一般来说，钢结构深化设计包括以下内容：

1.全套图纸的归档分类编号，构件、零部件的编号原则，材质的要求，特殊加工要求及质量要求，施工放样的基本原则、防腐及防火要求，储放和运输的条件等。

2.施工安装图：各个构件在整个建筑中的位置和安装方法，一般包括平面图和立面图，它主要用于指导工地安装施工，同时也是对各个构件的安装是否碰撞的一个放样检查。也可供建筑设计和结构设计工程师对深化设计图进行检查和审核。

3.构件加工详图、零部件加工详图 ：零部件的切割、钻孔、刨边等的加工、构件的焊接组成加工，表面处理等。它是主要用于指导工厂制造加工的图纸和文件（狭义上的钢结构详图，即加工详图）。

4.材料清单 ：提供材料采购和预算的依据，以及加工的进度控制和管理。这类资料是加工管理的不可或缺的依据，加工单位可依据它进行加工组织计划、成本控制、进度管理等一系列的管理工作。

5.深化后的焊接标准、节点详图 ：依据结构设计的数据成果，在行业和国家的规范指导下，考虑加工制造单位的技术设备实际状况，提供给设计者进行检查和审核，向加工制造者提供加工作业的依据。

3.钢结构详图设计软件

Tekla Structures是一套多功能的三维智能建模软件，可以创建一个完整的三维模型，其特有的基于模型的建筑系统可以精确的设计和创建出任意尺寸的、复杂的刚结构三维模型，并且模型中包含加工制造以及安装时所需的一切信息。

使用Tekla Structures，您可以：

软件功能（2022版）

利用 Tekla Structures 2022中的自动化功能，提高协作速度、缩短工程工期、实现更顺畅的工作流，并制定有效决策。

借助场外制造，可通过更优的工作流在工程初期做出决策、实现快速协作并缩短工期。迈入便捷体验的新时代，利用先进的无纸化工作流和高度自动化的制造改变您的建造方式。

1.更智能的制造图纸创建

更高效地创建零件图、构件图和浇筑体图纸。我们扩展了 Tekla Structures 产品中的智能功能，为您提供一种更高效、更直接的方式来创建制造构件图。我们投资开发模型，以快速、高效和准确地生成文档。

2.钢筋现在作为钢筋笼构件处理

基于 Tekla Structures 的核心细部设计优势，现在可以使用装配功能创建钢筋笼，创建过程与钢和预制零件类似。该功能主要用于制造和装配设计 (DfMA) 或场外施工工作流，您现在可以对钢筋笼、管接头和埋件进行细部设计、编号、报告、记录和导出。

3.更简单的钢筋间距控制

使用无缝的间距工作流执行所有钢筋命令。根据一致反馈，我们在钢筋组上实施了相同的间距控制，从而对钢筋间距工作流进行了进一步简化。

4.简化对复杂几何形状的配筋

借助新的肢表面功能，无论制作的形状有多复杂，都可以在混凝土面上自动创建钢筋设置。该流程利用自动创建的水平和垂直层，这些层可通过标准编辑命令进行编辑。

5.更快速的绘图和渲染

图纸的渲染速度更胜以往！现在，您可以享受类似于 CAD 的绘图速度和更高的平移与缩放性能。

6.参考模型的新渲染选项

元素可见性增加了新函数，让区分参考模型、组件和零件比以往更加简明。

7.新 IFC4 输出

可以将为钢筋构件创建的新制造和对象数据添加到 IFC4 导出。属性窗格现在提供子类型，为 IFC4 导出提供了进一步的分类可能性。我们添加了特定于桥的 IFC4 导出功能，可通过基于模型的数字工作流进行桥设计和施工。

8.使用桥创建器制作更复杂的几何形状

桥创建器扩展改进了抛物线变动。现在，纵向抛物线变动可创建更复杂的几何形状。桥工程师可以创建抛物线，其中截面会根据抛物线方程沿整个长度变动。

9.沿桥的任何一条画线创建剖面

现在，您可以沿任何一条预定义的路径创建剖面图图纸。该功能可构建针对整个桥的整体可视化图纸，该图纸在工作中极为常用。可沿任何线（包括回旋曲线及蛇形折线）创建该剖面或标高。

10.使用 Quadri 连接器轻松共享数据

Tekla Structures 与 Quadri 之间的新连接器为道路和铁路设计人员提供了无缝的双向数据交换方式。您可以始终利用此最新的道路或铁路一致性工具，并在中央 Quadri 模型中共享您的桥。

11.利用 Tekla Structures 中的动态隐含碳排放评估创建清洁环保工程

现在，Tekla Structures 也可提供在设计阶段进行碳评估的 Tekla 软件功能。

在 Tekla Structures 中即可使用新的 Embodied Carbon Calculator 来评估设计对环境的影响。使用动态计算工具快速比较各种结构选项，完成后，通过 OneClick LCA 链接获得经认证的隐含碳排放报告。

12.充分利用 Grasshopper 从未如此简单

Tekla Structures 中的 Grasshopper 组件在外观和作用上与传统 Tekla 组件类似，但它可在后台触发任何 Grasshopper 定义以在 Tekla 中生成对象。利用可视化脚本，着手开发您自己的 Tekla 自定义组件。

3、钢结构计算分析

1.结构受力分析

结构的受力分析和计算涉及到结构力学。结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化。

结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在各种效应（外力，温度效应，施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力（轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算，位移（线位移，角位移）计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应（自振周期，振型）的计算等。

2.结构优劣的评定

在了解结构如何分析计算前，我们先要学会如何评定一个结构的优劣。

评定结构的优劣，从力学角度看，主要是结构的强度和刚度。工程结构设计既要保证结构有足够的强度，又要保证它有足够的刚度。

强度不够，结构容易破坏；刚度不够，结构容易皱损，或出现较大的振动，或产生较大的变形。皱损能够导致结构的变形破坏，振动能够缩短结构的使用寿命，皱损、振动、变形都会影响结构的使用性能。

3.结构动力分析

结构动力研究的是结构在动力荷载作用下的振动问题。在动力荷载作用下，我们要考虑惯性力影响，和位移、内力、速度、加速度均随时间变化的影响。在动力分析中，结构一般包块特征值分析、反应谱分析、时程分析三大块。

1.特征值分析也称结构自振特性分析，主要求解结构的自振周期和振型向量。

2.反应谱分析基于振型分解反应谱理论，是一种工程上最常用的计算地震作用下结构动力响应方法，但这种方法只限于线弹性结构，弹塑性阶段振型分解法不再适用。

3.时程分析包括线弹性时程分析和弹塑性时程分析两大类，与振型分解法的主要区别在于采用实测的地震波输入结构计算结构的响应，弹塑性时程分析具体还可分为静力弹塑性时程分析（也称Pushover分析）和动力弹塑性时程分析两类。

上述结构动力分析中，特征值分析和反应谱分析比较常用。而时程分析一般仅针对重要建筑以及体型非常复杂的建筑。小震水准下可进行结构线弹性时程分析，大震水准下需要采用结构弹塑性时程分析方法。

4.结构内力分析

结构内力指的是因荷载等作用而引起的内部产生抵抗变形的力。建筑构件通常承受的内力有轴力、剪力、弯矩、扭矩等。

1.轴力：指与杆件轴线相重合的内力。当杆件受拉时，轴力为拉力，当杆件受压时，轴力为压力。

2.剪力：又叫剪切力，指垂直于杆件的力。剪力会产生弯矩。对一个建筑杆件截面而言，剪力主要分布于截面中性轴。增加抗剪性能最直接的方法就是增加杆件宽度。

3.弯矩：一般由剪力产生，多余有偏向的轴力也会产生。是使建筑构件产生挠度的主要原因。主要分布在建筑杆件截面远离中性轴的两端。故增加抗弯最直接的方法就是增加杆件高度。

4.扭矩：造成杆件转动的内力。由于刚度及荷载不均产生。对建筑物而言是非常不利的内力。《高层建筑混凝土结构技术规程》中也规定，建筑前两阶振型中不应出现扭转，应通过调整杆件刚度避免建筑受扭。

5.结构计算规则

1) 钢屋架、钢网架

2) 钢托架，钢桁架

3) 钢柱、钢梁

4) 压型钢板楼板，墙板

5) 钢构件

钢构件一般计算规则如下：

6) 金属网

6.结构计算公式

钢筋理论重量基本参数

每米的重量(Kg)=0.00617×钢筋的直径(mm)×钢筋的直径(mm)，即钢筋重量与直径的平方成正比。同时钢筋理论重量(Kg)≈0.00785×截面面积【Π*钢筋半径(mm)*钢筋半径(mm)】

建设工程常用的普通钢筋重量：

Φ4=0.099Kg

Φ5=0.154Kg

Φ6=0.222Kg

Φ6.5=0.26Kg

Φ8=0.395Kg

Φ10=0.617Kg

Φ12=0.888Kg

Φ14=1.21Kg

Φ16=1.58Kg

Φ18=2.0Kg

Φ20=2.47Kg

Φ22=2.98Kg

Φ25=3.85Kg

Φ28=4.83kg

Φ30=5.549kg

Φ32=6.31kg

Φ36=7.99kg

Φ38=8.903kg

Φ40=9.87kg

Φ50=15.42kg

计算简式

扁钢、钢板、钢带 W=0.00785×宽×厚

方钢 W=0.00785×边长2

圆钢、线材、钢丝 W=0.00617×直径2

钢管 W=0.02466×壁厚（外径–内径）

等边角钢 W=0.00785×边厚（2边宽–边厚）

不等边角钢 W=0.00785×边厚(长边宽+短边宽–边厚)

工字钢 W=0.00785×腰厚[高+f（腿宽-腰厚）]

槽钢 W=0.00785×腰厚[高+e（腿宽-腰厚）]

备注

1、角钢、工字钢和槽钢的准确计算公式繁琐，表列简式用于计算近似值。

2、f值：一般型号及带a的为3.34，带b的为2.65，带c的为2.26。

3、e值：一般型号及带a的为3.26，带b的为2.44，带c的为2.24。

4、各长度单位均为毫米。

7.结构计算分析软件

Staad是Bentley的一款通用有限元结构分析与设计软件。使用Staad能确保按时、按预算完成任何复杂程度的钢结构、混凝土结构、木结构、铝结构和冷弯型钢结构项目。

来源：艾三维技术