鋼結構怎么計算？計算公式一覽~

鋼結構是由鋼制材料組成的結構，是主要的建筑結構類型之一。結構主要由型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構件組成，因其自重較輕，且施工簡單，廣泛應用于大型廠房、場館、超高層等領域。

一、強度設計值
為保證承重結構的承載能力和防止在一定條件下出現脆性破壞，應根據結構的重要性、荷載特征、結構形式、應力狀態、連接方法、鋼材厚度和工作環境等因素綜合考慮，選用合適的鋼材牌號和材性。
承重結構的鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其質量應分別符合現行國家標準《碳素結構鋼》GB/T700和《低合金高強度結構鋼》GB/T 1591的規定。當采用其他牌號的鋼材時，尚應符合相應有關標準的規定和要求。對Q235鋼宜選用鎮靜鋼或半鎮靜鋼。

對于需要驗算疲勞的焊接結構的鋼材，應具有常溫沖擊韌性的合格保證。當結構工作溫度等于或低于0℃但高于-20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有0℃C沖擊韌性的合格保證；對Q390鋼和Q420鋼應具有-20℃沖擊韌性的合格保證。當結構工作溫度等于或低于-20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有-20℃沖擊韌性的合格保證；對Q390鋼和Q420鋼應具有-40℃沖擊韌性的合格保證。
對于需要驗算疲勞的非焊接結構的鋼材亦應具有常溫沖擊韌性的合格保證，當結構工作溫度等于或低于-20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性的合格保證；對Q390鋼和Q420鋼應具有-20℃沖擊韌性的合格保證。
當焊接承重結構為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時，其材質應符合現行國家標準《厚度方向性能鋼板》GB/T 5313的規定。
鋼材的強度設計值（材料強度的標準值除以抗力分項系數），應根據鋼材厚度或直徑按表1采用。鋼鑄件的強度設計值應按表2采用。連接的強度設計值應按表3~5采用。
1.鋼材的強度設計值（N/mm2） 表1

注：表中厚度系指計算點的鋼材厚度，對軸心受力構件系指截面中較厚板件的厚度。
2.鋼鑄件的強度設計值（N/mm2） 表2

3.焊縫的強度設計值（N/mm2） 表3

注：
1．自動焊和半自動焊所采用的焊絲和焊劑，應保證其熔敷金屬的力學性能不低于現行國家標準《碳素鋼埋弧焊用焊劑》GB/T 5293和《低合金鋼埋弧焊用焊劑》GB/T 12470中相關的規定；
2．焊縫質量等級應符合現行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB 50205的規定。其中厚度小于8mm鋼材的對接焊縫，不宜用超聲波探傷確定焊縫質量等級；
3．對接焊縫抗彎受壓區強度設計值取fcw，抗彎受拉區強度設計值取ftw。
4.螺栓連接的強度設計值（N/mm2） 表4

注：
1．A級螺栓用于d≤24mm和l≤10d或l≤150mm（按較小值）的螺栓；B級螺栓用于d＞24mm或l＞10d或l＞150mm（按較小值）的螺栓。d為公稱直徑，l為螺桿公稱長度；
2．A、B級螺栓孔的精度和孔壁表面粗糙度，C級螺栓孔的允許偏差和孔壁表面粗糙度，均應符合現行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB 50205的要求。
5.鉚釘連接的強度設計值（N/mm2） 表5

注：
1．屬于下列情況者為I類孔：
1）在裝配好的構件上按設計孔徑鉆成的孔；
2）在單個零件和構件上按設計孔徑分別用鉆模鉆成的孔；
3）在單個零件上先鉆成或沖成較小的孔徑，然后在裝配好的構件上再擴鉆至設計孔徑的孔。
2．在單個零件上一次沖成或不用鉆模鉆成設計孔徑的孔屬于II類孔。
計算下列情況的結構構件或連接時，上述強度設計值應乘以相應的折減系數：
1．單面連接的單角鋼
1）按軸心受力計算強度和連接0.85；
2）按軸心受壓計算穩定性
等邊角鋼0.6＋0.0015δ，但不大于1.0：
短邊相連的不等邊角鋼0.5＋0.0025δ，但不大于1.0；
長邊相連的不等邊角鋼0.70；
幾為長細比，對中間無連接的單角鋼壓桿，應按最小回轉半徑計算，當δ＜20時，取δ＝20；
2．無墊板的單面施焊對接焊縫0.85；
3．施工條件較差的高空安裝焊縫和鉚釘連接0.90；
4．沉頭和半沉頭鉚釘連接0.80。
注：當幾種情況同時存在時，其折減系數應連乘。
6.鋼材和鋼鑄件的物理性能指標 表6

吊車梁、樓蓋梁、屋蓋梁、工作平臺梁以及墻架構件的撓度不宜超過表7所列的容許值。
7.受彎構件撓度允許值 表7

注：
1．l為受彎構件的跨度（對懸臂梁和伸臂梁為懸伸長度的2倍）。
2．[νT]為全部荷載標準值產生的撓度（如有起拱應減去拱度）允許值；[νQ]為可變荷載標準值產生的撓度允許值。
框架結構的水平位移允許值：在風荷載標準值作用下框架柱頂水平位移和層間相對位移不宜超過下列數值：
1．無橋式吊車的單層框架的柱頂位移H/150
2．有橋式吊車的單層框架的柱頂位移H/400
3．多層框架的柱頂位移H/500
4．多層框架的層間相對位移h/400
H為自基礎頂面至柱頂的總高度；h為層高。
注：1．對室內裝修要求較高的民用建筑多層框架結構，層間相對位移宜適當減小。無墻壁的多層框架結構，層間相對位移可適當放寬。
2．對輕型框架結構的柱頂水平位移和層間位移均可適當放寬。
8.桁架弦桿和單系腹桿的計算長度l0 表8

注：
1．l為構件的幾何長度（節點中心間距離）；l1為桁架弦桿側向支承點之間的距離。
2．斜平面系指與桁架平面斜交的平面，適用于構件截面兩主軸均不在桁架平面內的單角鋼腹桿和雙角鋼十字形截面腹桿。
3．無節點板的腹桿計算長度在任意平面內均取其等于幾何長度（鋼管結構除外）。
9.受拉構件的允許長細比 表9

注：
1．承受靜力荷載的結構中，可僅計算受拉構件在豎向平面內的長細比。
2．在直接或間接承受動力荷載的結構中，單角鋼受拉構件長細比的計算方法與表10注2相同。
3．中、重級工作制吊車桁架下弦桿的長細比不宜超過200。
4．在設有夾鉗或剛性料耙等硬鉤吊車的廠房中，支撐（表中第2項除外）的長細比不宜超過300。
5．受拉構件在永久荷載與風荷載組合作用下受壓時，其長細比不宜超過250。
6．跨度等于或大于60m的桁架，其受拉弦桿和腹桿的長細比不宜超過300（承受靜力荷載或間接承受動力荷載）或250（直接承受動力荷載）。
10.受壓構件的允許長細比 表10

注：
1．桁架（包括空間桁架）的受壓腹桿，當其內力等于或小于承載能力的50%時，允許長細比值可取為200。
2．計算單角鋼受壓構件的長細比時，應采用角鋼的最小回轉半徑，但在計算交叉桿件平面外的長細比時，可采用與角鋼肢邊平行軸的回轉半徑。
3．跨度等于或大于60m的桁架，其受壓弦桿和端壓桿的允許長細比值宜取為100，其他受壓腹桿可取為150（承受靜力荷載或間接承受動力荷載）或120（直接承受動力荷載）。
11.單層廠房階形柱計算長度的折減系數 表11

注：有橫梁的露天結構（如落錘車間等），其折減系數可采用0.9。
摩擦型高強度螺栓中摩擦面抗滑移系數見表12。一個高強度螺栓的預拉力見表13。
12.摩擦面的抗滑移系數μ 表12

13.一個高強度螺栓的預拉力P（kN） 表13

14.螺栓或鉚釘的最大、最小允許距離 表14

注：
1．d0為螺栓或鉚釘的孔徑，t為外層較薄板件的厚度。
2．鋼板邊緣與剛性構件（如角鋼、槽鋼等）相連的螺栓或鉚釘的最大間距，可按中間排的數值采用。
二、鋼結構計算分析解決方案
以下四款以STAAD.Pro為核心的鋼結構計算分析軟件組成的結構解決方案，能幫助您全方面進行鋼結構工程計算，省去人工計算的繁雜，提高工作效率。
本結構解決方案是從結構計算、基礎設計、節點設計再到布置圖、詳圖及材料表生成的全生命周期解決方案。

1.上部結構設計分析
STAAD.Pro 是一款綜合性強和功能性齊全的有限元分析設計軟件，它包含熟悉的操作界面、可視化工具和國際通用的設計代碼等；同時，該軟件還可以對多種不同的荷載進行分析校驗，例如動靜態分析、基礎分析、風荷載、地震荷載、移動荷載等。它適用于塔樓建筑、電纜管道、工廠、橋梁、體育場館、海洋工程等多種行業的結構分析設計。

在功能的應用上，它有以下特點：
1．能對復雜、異形（包括一些帶板殼的單元）等結構進行計算分析；
2．可計算出桿件的內力（彎矩、軸力）、各節點內力、基礎反力、板單元應力等;
3．可根據不同國家的檢驗規范進行驗證，包括：中國。美國、英國、印度、加拿大等一些主要國家的規范。

2.三維建模與詳圖深化
Prostructure 是一款新型的三維建模與詳圖深化軟件，分為鋼結構 Prosteel 和混凝土Proconcrete兩個模塊，能夠幫助結構工程師、詳圖繪制人員和制造商輕松創建混凝土結構和鋼結構三維模型。

它有以下特點：
1．基于 Autocad 或者 Microstation平臺，無須更換現有平臺，更容易上手操作；
2．通過 STAAD 計算后的模型可以直接導入Prostructure 中生成相應的布置圖、節點圖等，更方便生成詳圖及材料表，提高工作效率；
3．操作靈活，能建立多種異形鋼構；

3.基礎設計分析
Foundation 是一款綜合的基礎設計程序，能夠構建復雜或簡單的基礎模型，包括那些特定于工廠設施的基礎，也可用于大型結構的設計，或使用參數化向導進行設計。
具體一些功能特點如下：
1．可進行獨立基礎、聯合基礎、板筏基礎等通用基礎的設計，也可以進行一些壓力容器、換熱器等設備基礎的設計；
2．可生成基礎的布置圖、配筋圖，可導出CAD文件；
3．不僅僅是一個設計軟件，并且可以進行不同基礎方案的經濟性比較；
4．可通過與STAAD.Pro集成簡化工作流程，也可以獨立使用。

4.節點設計分析
RAM Connection 是一款鋼結構連接設計應用程序，它幾乎可為所有的節點連接類型提供全面的分析和設計，包括繁瑣的抗震規范設計。通過與三維軟件和詳圖繪制模型相集成且利用程序定制功能可以實現工作流程的優化。

以下是該軟件的優點：
1．三維可視化節點設計模式，更加直觀；
2．可設計節點的螺栓大小、 尺寸及布置，焊縫的大小，長度、加肋板的尺寸等；
3．可按中國、美國、英國的節點及規范進行節點設計；
4．可生成節點詳圖（導出CAD格式）、按規范生產相應報告書（導出 Word 格式）。