(1) Определение пригодности конструкции для стального строительства
Стальные конструкции Обычно используется для высотных зданий, конструкций с большими пролетами, сложной формы, с большими нагрузками или грузоподъемностью кранов, с большими вибрациями, для цехов с высокими температурами, с высокими требованиями к герметичности, требующих возможности перемещения или частой сборки-разборки. Наглядно: здания, спортивные сооружения, оперные театры, мосты, телебашни, склады, заводы, жилые дома и временные сооружения и т.д. Это соответствует особенностям стальных конструкций.

(2) Выбор типа конструкции и ее компоновка
Здесь приводится лишь краткое описание. Подробности см. в соответствующей специальной литературе. Поскольку выбор типа конструкции охватывает широкий круг вопросов, выбор типа конструкции и ее компоновка должны проводиться под руководством опытных инженеров.
На протяжении всего процесса проектирования стальных конструкций следует подчеркивать «концептуальное проектирование», которое особенно важно на этапе выбора типа конструкции и ее компоновки. Для некоторых вопросов, которые трудно поддаются точному рациональному анализу или не регламентированы нормами, можно, основываясь на идеях проектирования, полученных из анализа механических связей между общей конструктивной системой и ее подсистемами, механизмов разрушения, последствий землетрясений, экспериментальных явлений и инженерного опыта, определить компоновку конструкции и детализацию мер с глобальной точки зрения. Использование концептуального проектирования позволяет быстро и эффективно проводить замысел, сравнение и выбор на ранних этапах. Полученные варианты конструкций часто легко поддаются ручному расчету, понятны по своей концепции, качественно верны и позволяют избежать излишних сложных вычислений на этапе структурного анализа. В то же время, это основной критерий оценки достоверности результатов анализа внутренних усилий с помощью компьютера.
Профессор Лин Тунъянь в своей книге «Концепции и системы конструкций» описывает метод планирования конструктивных решений с использованием целостной концепции, а также взаимосвязь между общей конструктивной системой и отдельными подсистемами и упрощенные приближенные методы проектирования.
Стальные конструкции обычно имеют такие типы конструкций, как каркасные, плоскостные (ферменные), решетчатые (оболочечные), тросовые, облегченные стальные конструкции, башенные и мачтовые.
Их теория и технологии в основном отработаны. Однако некоторые сложные задачи остаются нерешенными или не имеют простых и практичных методов проектирования, например, устойчивость сетчатых оболочек.
При выборе типа конструкции следует учитывать их различные особенности. В легких стальных цехах, когда имеются значительные подвесные или подвижные нагрузки, можно отказаться от портальных рам и использовать решетчатые конструкции. В районах с большими снеговыми нагрузками кривизна кровли должна способствовать сходу снега (при угле наклона менее 50 градусов необходимо учитывать снеговую нагрузку), например, в бункере для известняка на заводе цемента Ядун используется сетчатая оболочка с тремя центрами. Общая снеговая нагрузка уменьшается почти вдвое. В районах с большим количеством осадков следует учитывать аналогичные факторы. При наличии возможности в каркасных конструкциях установка подкосов будет более экономичной, чем простые жестко заделанные узлы каркаса. А в зданиях с большими пролетами кровли можно выбрать систему подвесных или тросовых конструкций, в которых преимущественно работают элементы на растяжение. В проектировании высотных стальных конструкций часто используются комбинированные сталебетонные конструкции; в районах с высокой сейсмической активностью или в очень нерегулярных высотных зданиях не следует выбирать форму с центральной колонной и внешним каркасом только из соображений экономии. Следует выбирать конструктивную систему с периметральными крупногабаритными колоннами SRC и центральным опорным каркасом. В Китае более половины таких высотных зданий относятся к первому типу, что неблагоприятно для сейсмостойкости. [19]
Компоновка конструкции должна учитывать особенности системы, распределение и характер нагрузок. В общем, жесткость должна быть равномерной, а механическая модель — четкой. Следует максимально ограничить зону влияния больших или подвижных нагрузок, обеспечивая их передачу на фундамент по наиболее прямому пути. Распределение межстоечных противорастяжных связей должно быть равномерным, а их центр тяжести должен быть максимально приближен к линии действия поперечной силы (ветра, землетрясения). В противном случае следует учитывать кручение конструкции. Конструкция должна иметь несколько линий обороны против боковых нагрузок. Например, в конструкциях с подкосами колонны должны быть способны выдерживать как минимум 1/4 от общей горизонтальной нагрузки.
Компоновка балок перекрытий в каркасных конструкциях иногда может корректироваться для удовлетворения различных требований. Обычно для уменьшения сечения балки располагаются вдоль короткой стороны, но это приводит к увеличению сечения главных балок, уменьшению высоты этажа, а крайние колонны верхнего этажа иногда не выдерживают нагрузки. В этом случае, опирая балки на более короткие главные балки, можно сохранить главные балки и колонны за счет балок.
(3) Предварительная оценка сечения
После компоновки конструкции необходимо произвести предварительную оценку сечений элементов. В основном это предполагаемые форма и размеры сечений балок, колонн и подкосов.
В качестве стальных балок можно использовать швеллеры, прокатной или сварной Н-образный профиль и т.д. В зависимости от нагрузки и условий опирания высота сечения обычно выбирается в пределах от 1/20 до 1/50 пролета. При определении ширины полки с учетом расстояния между боковыми опорами балки по предельному значению l/b можно избежать сложных расчетов общей устойчивости стальной балки, этот метод очень популярен. После определения высоты сечения и ширины полки толщину листа можно оценить по нормам местной устойчивости.
Сечение колонны оценивается по гибкости. Обычно 50 <λ< 150, простое выборочное значение около 100. В зависимости от центрального сжатия, двухосного или одноосного изгиба можно выбрать сечение из стальной трубы или Н-образного профиля и т.д.
Начинающим следует помнить, что для разных конструкций в нормах предъявляются очень разные требования к сечению. Например, проблема местной устойчивости листовых элементов, характерная для стальных конструкций. Предельные значения в нормах для обычной стали и легкой стали значительно различаются.
Кроме того, выбор формы сечения элемента не имеет жестких требований, и инженер-конструктор должен выбирать безопасное, экономичное и эстетичное сечение в соответствии с условиями нагружения элемента.
(4) Структурный анализ
В настоящее время в практике проектирования стальных конструкций структурный анализ обычно является линейно-упругим анализом, при наличии условий учитываются P-Δ, p-δ.
Некоторые новые программы метода конечных элементов могут частично учитывать геометрическую нелинейность и упруго-пластические свойства стали. Это создает условия для более точного анализа конструкции. Не для всех конструкций необходимо использовать программное обеспечение:
Для типовых конструкций можно получить внутренние усилия и деформации непосредственно из справочников по механике и т.п.
Простой расчет можно выполнить вручную.
Для сложных конструкций необходимо построить модель, запустить программу и провести подробный структурный анализ.
(5) Инженерная оценка
Для правильного использования программного обеспечения для анализа конструкций необходимо также провести «инженерную оценку» результатов. Например, оценить собственные частоты колебаний, общую сдвиговую силу, характеристики деформаций и т.д. На основе «инженерной оценки» следует выбрать, следует ли изменить модель и провести повторный анализ или скорректировать результаты расчета.
Разное программное обеспечение имеет разные условия применения. Начинающие должны хорошо понимать это. Кроме того, расчеты в инженерном проектировании и точные механические расчеты часто имеют определенное расстояние, для получения практичных методов проектирования иногда используются приближенные допущения с большими погрешностями, но эти погрешности компенсируются за счет «условий применения, концепции и конструкции», обеспечивая безопасность конструкции. В проектировании стальных конструкций «условия применения, концепция и конструкция» являются более важным содержанием, чем количественные расчеты.
Инженеры не должны чрезмерно доверять и полагаться на программное обеспечение для проектирования конструкций. Один американский ученый предупреждал: «Вопрос времени, когда неправильное использование компьютеров приведет к разрушению конструкций и катастрофам».
Тщательное концептуальное проектирование и инженерные решения — это способ избежать таких инженерных катастроф.
(6) Проектирование элементов
Проектирование элементов начинается с выбора материала. Наиболее часто используются Q235 (аналогично A3) и Q345 (аналогично 16Mn). Обычно для основной конструкции используется один сорт стали для упрощения управления проектом. В целях экономии можно также выбрать комбинированные сечения из стали различной прочности. При контроле прочности можно выбрать Q345; при контроле устойчивости следует использовать Q235.
В проектировании элементов действующие нормы используют метод упруго-пластического расчета сечений. Это не соответствует методу расчета внутренних усилий в конструкции по теории упругости.
Современное программное обеспечение для проектирования конструкций предоставляет функции постпроцессинга для проверки сечений. Благодаря технологическому прогрессу некоторые программы могут выбирать сечение большей категории из имеющейся библиотеки сечений для элементов, которые не прошли проверку, и автоматически пересчитывать расчеты до тех пор, пока сечение не будет соответствовать требованиям, например, в SAP2000. Это одна из так называемых функций оптимизации сечений. Она значительно сокращает объем работы инженера-конструктора. Тем не менее, начинающим следует обратить внимание на два момента:
1. При проверке сечений элементов (главным образом, колонн) программное обеспечение иногда определяет коэффициент длины не в соответствии с нормами. В настоящее время ни одна из программ не может полностью решить эту проблему. Поэтому, особенно для элементов со сложным соединением узлов или переменным сечением, инженер-конструктор должен проверять каждый элемент.
2. Если предварительно выбранное сечение, указанное в пункте 3, не соответствует требованиям, увеличение сечения следует рассматривать в двух случаях.
(1) Если не удовлетворяется условие прочности, обычно увеличивают толщину элементов составного сечения: при недостаточной изгибной прочности увеличивают толщину полки, при недостаточной прочности на срез — толщину стенки.
(2) При превышении предельных деформаций обычно не следует увеличивать толщину элементов, а следует рассмотреть возможность увеличения высоты сечения, иначе это будет неэкономично.
Функция автоматического увеличения сечений в оптимизации проектирования, описанная выше, редко позволяет учитывать различие между прочностью и жесткостью, что на практике часто неуместно.
(7) Проектирование узлов
Проектирование соединительных узлов является одним из важных аспектов проектирования стальных конструкций. До начала структурного анализа необходимо тщательно продумать и определить тип узла. Часто возникает ситуация, когда окончательно спроектированный узел не полностью соответствует тому, который используется в модели структурного анализа, чего следует избегать. В зависимости от характеристик передачи нагрузки узлы делятся на жесткие, шарнирные и полужесткие. Для начинающих лучше выбирать два первых типа, которые можно легко проанализировать количественно. В часто используемой справочной литературе [2] представлено множество рекомендаций по конструкции узлов и расчетным формулам.
Различные соединения оказывают существенное влияние на конструкцию. Например, некоторые жесткие узлы, хотя и выдерживают изгибающий момент, могут создавать значительные повороты, не соответствующие предположениям структурного анализа. Это может привести к неблагоприятным последствиям, таким как большие деформации в реальном проекте, чем в расчетных данных.
Для проектирования соединительных узлов используются два распространенных метода: метод равной прочности и метод фактического напряженного состояния. Начинающим рекомендуется в целях безопасности использовать первый метод. В справочниках [2] обычно приводятся таблицы для сварных и болтовых соединений, удобные для проектировщиков. Можно также использовать функции постпроцессинга программного обеспечения для автоматического выполнения расчетов.
Основные этапы проектирования включают:
1. Сварка: Нормы содержат обязательные требования к размерам и форме сварных швов, которые необходимо строго соблюдать. Выбор электродов должен соответствовать материалу соединяемых элементов. E43 соответствует Q235, E50 соответствует Q345. При соединении Q235 и Q345 следует выбирать электроды с низкой прочностью E43, а не E50.
При проектировании сварных соединений нельзя произвольно увеличивать размер швов. Центр тяжести сварного шва должен быть как можно ближе к центру тяжести соединяемого элемента. Другие подробные сведения можно найти в нормах, касающихся конструкции сварных швов.
2. Болтовые соединения:
Клепаные соединения в строительстве практически не используются.
Обычные болты имеют низкую прочность на срез и могут использоваться в несущих конструкциях.
Высокопрочные болты все шире используются. Обычно используются два класса прочности: 8.8s и 10.9s. В зависимости от характера нагрузки различаются болтовые соединения на сжатие и на трение. Методы расчета для них различны. Минимальный размер высокопрочных болтов — M12. Обычно используются болты M16-M30. Высокопрочные болты очень больших размеров имеют нестабильные характеристики и должны использоваться в проектах с осторожностью.
Саморезы используются для второстепенных соединений листового материала и тонкостенных профилей. За рубежом они также часто используются для соединения основных конструкций в малоэтажных домах с панельными стенами.
3. Соединительные пластины: Толщину можно приблизительно определить как толщину стенки балки плюс 4 мм. Затем проверить сопротивление сдвигу чистого сечения.
4. Стенка балки: Необходимо проверить сопротивление сдвигу чистого сечения стенки балки в местах отверстий под болты. Для болтовых соединений на сжатие также необходимо проверить местное давление на стенку отверстия.
5. При проектировании узлов необходимо учитывать монтажные отверстия для болтов, пространство для сварки на месте, последовательность монтажа элементов и т.д. Невозможность монтажа элементов на месте — распространенная ошибка начинающих. Кроме того, следует по возможности обеспечить удобство для рабочих при выполнении позиционирования и временной фиксации на месте.
6. При проектировании узлов следует также учитывать технологические возможности завода-изготовителя. Например, для соединения стальных труб требуется использование станка с ЧПУ для резки пересекающихся линий.
(8) Составление чертежей
Составление чертежей для стальных конструкций осуществляется в два этапа: разработка проектных чертежей и разработка рабочих чертежей. Проектные чертежи разрабатываются проектными организациями, а рабочие чертежи, как правило, составляются изготовителями стальных конструкций на основе проектных чертежей, иногда их также разрабатывают проектные организации. В связи с увеличением числа проектов по строительству стальных конструкций в последние годы и нехваткой инженеров-конструкторов стальных конструкций в проектных институтах, стали очень распространены случаи участия в разработке проектных чертежей проектных организаций, обладающих соответствующими знаниями.
1. Проектные чертежи: служат основой для составления изготовителем рабочих чертежей. Глубина и содержание должны быть полными, но не избыточными. В проектных чертежах следует четко указать исходные данные, данные о нагрузках (включая сейсмическое воздействие), технические данные, выбранные материалы и требования к материалам, требования к проектированию (включая изготовление и монтаж, класс контроля качества сварных швов, окраску и транспортировку), расположение конструкции, выбранные сечения элементов и основные конструктивные узлы, что обеспечит беспрепятственное составление рабочих чертежей и позволит правильно отразить замысел проекта. Основные материалы должны быть указаны в таблице.
Рабочие чертежи: также называются технологическими чертежами, чертежами раскроя и т.д. Их глубина должна позволять производить изготовление непосредственно в цехе. Неидентичные элементы должны быть нарисованы отдельно, и к ним должны прилагаться подробные спецификации материалов.
Методы представления проектных чертежей и конструктивных чертежей, а также контроль глубины проработки чертежей в настоящее время довольно хаотичны и различаются у разных проектных организаций, а также между проектными организациями и компаниями, занимающимися строительством стальных конструкций. Новичкам рекомендуется обращаться к успешным проектам других авторов и соответствующим справочникам [3], а также разрабатывать документацию в соответствии с нормативными требованиями.