鋼結構由鋼制材料組成，是主要的建築結構類型之一。因其自重較輕，且施工簡單，廣泛應用於大型廠房、場館、超高層等領域。但其構件種類多、設計節點復雜、材料多樣等特點，也使得鋼結構設計較其他建築結構復雜。

因此，在鋼結構設計中，為瞭使最終的設計成果符合國傢標準，能投入生活和使用，鋼結構設計國傢標準《鋼結構設計標準》GB50017-2017對鋼結構設計作出瞭嚴格規定，尤其是強制性條文第4.3.2、4.4.1、4.4.3、4.4.4、4.4.5、4.4.6、18.3.3條。下面，我們一起來看下鋼結構設計需要遵循哪些規定：

01 一般規定

1.鋼結構設計應包括下列內容：

1）結構方案設計，包括結構選型、構件佈置；

2）材料選用及截面選擇；

3）作用及作用效應分析；

4）結構的極限狀態驗算；

5）結構、構件及連接的構造；

6）制作、運輸、安裝、防腐和防火等要求；

7）滿足特殊要求結構的專門性能設計。

2.除疲勞設計應采用容許應力法外，鋼結構應按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行設計。

3.計算結構或構件的強度、穩定性以及連接的強度時，應采用荷載設計值；計算疲勞時，應采用荷載標準值。

4.對於直接承受動力荷載的結構：計算強度和穩定性時，動力荷載設計值應乘以動力系數；計算疲勞和變形時，動力荷載標準值不乘動力系數。計算吊車梁或吊車析架及其制動結構的疲勞和撓度時，起重機荷載應按作用在跨間內荷載效應最大的臺起重機確定。

5.預應力鋼結構的設計應包括預應力施工階段和使用階段的各種工況。預應力索膜結構設計應包括找形分析、荷載分析及裁剪分析三個相互制約的過程，並宜進行施工過程分析。

6.結構構件、連接及節點應采用下列承載能力極限狀態設計表達式：

1）持久設計狀況、短暫設計狀況：

y0S≤R

2）地震設計狀況：

多遇地震

S≤R/yRE

設防地震

S≤Rk

式中：y0——結構的重要性系數：對安全等級為一級的結構構件不應小於1.1，對安全等級為二級的結構構件不應小於1.0，對安全等級為三級的結構構件不應小於0.9；

S ——承載能力極限狀況下作用組合的效應設計值：對持久或短暫設計狀況應按作用的基本組合計算；對地震設計狀況應按作用的地震組合計算;

R——-結構構件的承載力設計值；

Rk——結構構件的承載力標準值；

yRE———承載力抗震調整系數，應按現行國傢標準《建築抗震設計規范》GB 50011的規定取值。

7.對安全等級為一級或可能遭受爆炸、沖擊等偶然作用的結構，宜進行防連續倒塌控制設計，保證部分梁或柱失效時結構有一條豎向荷載重分佈的途徑，保證部分梁或樓板失效時結構的穩定性，保證部分構件失效後節點仍可有效傳遞荷載。

8.鋼結構設計時，應合理選擇材料、結構方案和構造措施，滿足結構構件在運輸、安裝和使用過程中的強度、穩定性和剛度要求並應符合防火、防腐蝕要求。宜采用通用和標準化構件，當考慮結構部分構件替換可能性時應提出相應的要求。鋼結構的構造應便於制作、運輸、安裝、維護並使結構受力簡單明確，減少應力集中，避免材料三向受拉。

9.鋼結構設計文件應註明所采用的規范或標準、建築結構設計使用年限、抗震設防烈度、鋼材牌號、連接材料的型號(或鋼號）和設計所需的附加保證項目。

10.鋼結構設計文件應註明螺栓防松構造要求、端面創平頂緊部位、鋼結構最低防腐蝕設計年限和防護要求及措施、對施工的要求。對焊接連接，應註明焊縫質量等級及承受動荷載的特殊構造要求;對高強度螺栓連接，應註明預拉力、摩擦面處理和抗滑移系數;對抗震設防的鋼結構，應註明焊縫及鋼材的特殊要求。

02 結構體系

1.鋼結構的佈置應符合下列規定：

1）應具備豎向和水平荷載傳遞途徑；

2）應具有剛度和承載力、結構整體穩定性和構件穩定性；

3）應具有冗餘度，避免因部分結構或構件破壞導致整個結構體系喪失承載能力；

4）隔墻、外圍護等宜采用輕質材料。

2. 施工過程對主體結構的受力和變形有較大影響時，應進行施工階段驗算。

03 鋼材牌號及標準

1.鋼材宜采用Q235、Q345、Q390、Q420、Q460和Q345GJ鋼，其質量應分別符合現行國傢標準《碳素結構鋼》GB/T 700、《低合金高強度結構鋼》GB/T 1591和《建築結構用鋼板》GB/T 19879的規定。結構用鋼板、熱軋工字鋼、槽鋼、角鋼、H型鋼和鋼管等型材產品的規格、外形、重量及允許偏差應符合國傢現行相關標準的規定。

2.焊接承重結構為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時，其質量應符合現行國傢標準《厚度方向性能鋼板》GB/T 5313的規定。

3.處於外露環境，且對耐腐蝕有特殊要求或處於侵蝕性介質環境中的承重結構，可采用Q235NH、Q355NH和Q415NH牌號的耐候結構鋼，其質量應符合現行國傢標準《耐候結構鋼》GB/T 4171的規定。

4.非焊接結構用鑄鋼件的質量應符合現行國傢標準《一般工程用鑄造碳鋼件》GB/T11352的規定，焊接結構用鑄鋼件的質量應符合現行國傢標準《焊接結構用鑄鋼件》GB/T 7659的規定。

5.當采用本標準未列出的其他牌號鋼材時，宜按照現行國傢標準《建築結構可靠度設計統一標準》GB 50068進行統計分析，研究確定其設計指標及適用范圍。

04 材料選用

1.承重結構所用的鋼材應具有屈服強度、抗拉強度、斷後伸長率和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚應具有碳當量的合格保證。焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構采用的鋼材應具有冷彎試驗的合格保證；對直接承受動力荷載或需驗算疲勞的構件所用鋼材尚應具有沖擊韌性的合格保證。（強制執行條文）

2.鋼材質量等級的選用應符合下列規定：

1）A級鋼僅可用於結構工作溫度高於0℃的不需要驗算疲勞的結構，且 Q235A鋼不宜用於焊接結構。

2）需驗算疲勞的焊接結構用鋼材應符合下列規定：

1)）當工作溫度高於0℃時其質量等級不應低於B級；

2）當工作溫度不高於0℃但高於-20℃時，Q235、Q345鋼不應低於C級，Q390、Q420及Q460鋼不應低於D級；

3)當工作溫度不高於-20℃時，Q235鋼和Q345鋼不應低於D級，Q390鋼、Q420鋼、Q460鋼應選用E級。

3需驗算疲勞的非焊接結構，其鋼材質量等級要求可較上述焊接結構降低一級但不應低於B級。吊車起重量不小於50t的中級工作制吊車梁，其質量等級要求應與需要驗算疲勞的構件相同。

4.采用塑性設計的結構及進行彎矩調幅的構件，所采用的鋼材應符合下列規定：

1）屈強比不應大於0.85；

2）鋼材應有明顯的屈服臺階，且伸長率不應小於20%。

5.連接材料的選用應符合下列規定：

1）焊條或焊絲的型號和性能應與相應母材的性能相適應，其熔敷金屬的力學性能應符合設計規定，且不應低於相應母材標準的下限值；

2）對直接承受動力荷載或需要驗算疲勞的結構，以及低溫環境下工作的厚板結構，宜采用低氫型焊條；

3）連接薄鋼板采用的自攻螺釘、鋼拉鉚釘(環槽鉚釘)、射釘等應符合有關標準的規定。

05 設計指標和設計參數

1.鋼材的設計用強度指標，應根據鋼材牌號、厚度或直徑按下表采用。（強制執行條文）

2.建築結構用鋼板的設計用強度指標，可根據鋼材牌號厚度或直徑按下表采用。

3.結構用無縫鋼管的強度指標應按下表采用。（強制執行條文）

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4.鑄鋼件的強度設計值應按下表采用。（強制執行條文）

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5.焊縫的強度指標應按下表采用並應符合下列規定：（強制執行條文）

1）手工焊用焊條、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於母材的性能。

2）焊縫質量等級應符合現行國傢標準《鋼結構焊接規范》GB 50661的規定,其檢驗方法應符合現行國傢標準《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB 50205的規定。其中厚度小於6mm鋼材的對接焊縫,不應采用超聲波探傷確定焊縫質量等級。

3）對接焊縫在受壓區的抗彎強度設計值取fwc，在受拉區的抗彎強度設計值取fwt。

4）計算下列情況的連接時，下表規定的強度設計值應乘以相應的折減系數；幾種情況同時存在時，其折減系數應連乘：

①施工條件較差的高空安裝焊縫應乘以系數0.9；

②進行無墊板的單面施焊對接焊縫的連接計算應乘折減系數0.85。

6.螺栓連接的強度指標應按下表采用。（強制執行條文）

7.鉚釘連接的強度設計值應按下表采用，並應按下列規定乘以相應的折減系數，當下列幾種情況同時存在時，其折減系數應連乘：

1）施工條件較差的鉚釘連接應乘以系數0.9；

2）沉頭和半沉頭鉚釘連接應乘以系數0.8。

8.鋼材和鑄鋼件的物理性能指標應按下表采用。

06 結構分析與穩定性分析

1.建築結構的內力和變形可按結構靜力學方法進行彈性或彈塑性分析，采用彈性分析結果進行設計時，截面板件寬厚比等級為S1級、S2級、S3級的構件可有塑性變形發展。

2.結構穩定性設計應在結構分析或構件設計中考慮二階效應。

3.結構的計算模型和基本假定應與構件連接的實際性能相符合。

4.框架結構的梁柱連接宜采用剛接或餃接。梁柱采用半剛性連接時，應計入梁柱交角變化的影響，在內力分析時，應假定連接的彎矩—轉角曲線，並在節點設計時，保證節點的構造與假定的彎矩—轉角曲線符合。

5.進行析架桿件內力計算時應符合下列規定：

1）計算珩架桿件軸力時可采用節點餃接假定；

2）采用節點板連接的析架腹桿及荷載作用於節點的弦桿，其桿件截面為單角鋼、雙角鋼或T形鋼時，可不考慮節點剛性引起的彎矩效應；

07 鋼結構連接

1.鋼結構構件的連接應根據施工環境條件和作用力的性質選擇其連接方法。

2.同一連接部位中不得采用普通螺栓或承壓型高強度螺栓與焊接共用的連接；在改、擴建工程中作為加固補強措施，可采用摩擦型高強度螺栓與焊接承受同一作用力的栓焊並用連接，其計算與構造宜符合行業標準《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》JGJ 82-2011第5.5節的規定。

3.C級螺栓宜用於沿其桿軸方向受拉的連接，在下列情況下可用於抗剪連接：

1）承受靜力荷載或間接承受動力荷載結構中的次要連接；

2）承受靜力荷載的可拆卸結構的連接；

3）臨時固定構件用的安裝連接。

4. 沉頭和半沉頭鉚釘不得用於其桿軸方向受拉的連接。

5.鋼結構焊接連接構造設計應符合下列規定：

1）盡量減少焊縫的數量和尺寸；

2）焊縫的佈置宜對稱於構件截面的形心軸；

3）節點區留有足夠空間，便於焊接操作和焊後檢測；

4）應避免焊縫密集和雙向、三向相交；

5）焊縫位置宜避開最大應力區；

6）焊縫連接宜選擇等強匹配；當不同強度的鋼材連接時，可采用與低強度鋼材相匹配的焊接材料。

除瞭以上規定外，本設計標準還對受彎構件、軸心受力構件、拉彎、壓彎構件、加勁鋼板剪力墻、鋼與混凝土組合梁等作瞭相關規定，這裡就不作詳細贅述瞭，感興趣的相關從業者可以查看《鋼結構設計標準》GB50017-2017。

鋼結構設計完成後，為瞭保障鋼結構的安全和穩定，我們需要對鋼結構進行分析。目前，鋼結構分析主要采用有限元分析方式，對鋼結構內力（軸力，剪力，彎矩，扭矩）載荷、結構在動力荷載作用下的動力響應（自振周期，振型）、土壤結構相互作用或風力、地震及移動（線位移，角位移）載荷等進行分析。

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