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1、淮 阴 工 学 院课 程 实 训课程名称： 钢结构设计原理 专业层次： 土木工程（卓越）班 级： 土木1134班 姓 名： 学 号： 指导老师： 刘慧、顾文虎 2 0 15年 11 月第一部分实 习 报 告关于钢结构梁柱的设计的探讨 本文结合对钢结构梁设计的实践经验，从钢结构梁柱的三个方面进行探讨，高层建筑钢结构梁柱节点试验研究，多高层房屋钢结构梁柱刚性节点的设计建议和提高钢结构梁柱焊接节点 抗震性能的探讨，供大家参考。 钢结构工程因其具有跨度大，利用空间大，施工速度快，经济且实用等特点被广泛利用于企业厂房及跨度较大的建筑上。钢结构工程质量直接影响着建筑结构及使用安全。为确保钢结构工程施工质量
2、，保障人民生命财产安全，作为钢结构设计者，特别是主要人员对钢结构工程的设计质量的控制就显得极其重要。1.高层建筑钢结构梁柱节点试验研究1.1试验 狗骨式节点是近几年研究最多的一种节点形式，目前在国外工程中已应用较多，我国在建的天津国贸中心大厦也采用了这种节点。这种节点最主要的特点就是在梁的上下翼缘靠近节点处进行了削弱,它的设计思想是：削弱部分的梁起到一个保险丝的作用，迫使大震作用下塑性铰偏离脆弱的节点焊缝，出现在具有很大延性的梁上，即通过削弱梁来保护节点;同时它针对普通节点塑性区小的缺陷，对梁进行了合理的削弱，使得较长的一段梁几乎同步进入了塑性，即真正做到了延性设计，充分发挥了钢材的塑性。这种
3、节点最初给人们的感觉是削弱了梁，虽提高了延性，但会降低结构强度和刚度。实际上，这种由于梁的削弱所造成的结构刚度和强度的降低较小。狗骨式节点根据削弱形状的不同分为直线型、锥型和圆弧型三种，其中直线型和锥型狗骨式节点在性能上较普通节点有很大的改善，但由于削弱部位横截面的突然变化造成应力集中，易引起脆性破坏，故本试验主要集中研究圆弧型狗骨式节点。1.2试验结果 试验的第一个试件为普通节点试件，它在第三级荷载之前基本保持在完全弹性状态，加载端竖向刚度为2101107N/m。从第四级荷载开始，节点处梁翼缘开始进入塑性,翼缘表面的油漆涂层开始出现裂纹。由于第一个试件的两侧没有加侧向支撑系统，试件在第6级荷
4、载时发生了扭转失稳破坏。 第二至第四个试件为狗骨式节点，并且从第二个试件起，每个悬臂梁两侧都增加了侧向支撑系统以保证梁的侧向稳定。这3个试件在前3级荷载作用下都保持在弹性状态，加载端竖向刚度为21004107N/m。从第四级荷载开始，梁翼缘削弱部位开始屈服进入塑性，在第六级荷载时梁削弱部位已全部进入塑性，形成塑性铰。在外力作用下试件继续变形，同时梁翼缘削弱部位的油漆大量的脱落，节点试件表现出很好的延性。最终，第二个试件和第三个试件由于梁削弱部位的腹板屈曲而失去承载力，试验中止，第四个试件由于承载力和变形都超过了试验设备的能力而试验中止。试验中止时梁端的最大挠度基本达到5cm。2.多高层房屋钢结
5、构梁柱刚性节点的设计建议2.1连接设计的正确方法 在多遇地震阶段，按表达式SR/RE对杆件和节点进行设计验算时，结构杆件的地震内力组合设计值只能作为控制杆件截面的依据，当结构杆件截面确定之后，就应以杆件截面承载力设计值为依据来进行连接的抗力设计(这个概念和原则非常重要)。如框架结构中的框架梁，就应使梁柱连接处连接的抗弯承载力设计值大于框架梁的抗弯承载力设计值，并使二者之比不小于连接承载力抗震调整系数与框架梁抗震调 整系数之比(112)。但在执行表达式SR/RE的问题上，却有两种截然不同的认识和处理方法，直接影响到是否能满足“强节点弱杆件”的设计要求，实现“小震不坏，大震不倒”的设计目标，因此有
6、必要进行深入的讨论。2.2大震阶段为确保梁端塑性铰的形成需采取的若干构造措施在大震阶段，为了满足正确的连接设计要求，必然需采用塑性铰外移的梁端增强式连接或在离梁端不远处将梁的上下翼缘进行削弱的狗骨式连接。加强连接的方法很多，列举其中具有代表性的两种，两者都是为了使连接处焊缝的弯曲应力低于梁在塑性铰处的弯曲应力而采取的。狗骨式连接之所以要采用削弱梁截面的方式，就是因为考虑到梁端与柱的连接焊缝，不可避免地存在某些缺陷，连接承载力有可能还是低于梁的承载力，为了确保万无一失，不得已采取削弱梁截面抗弯能力的措施，相对而言，也就等于提高了连接的抗弯能力，使两者之间的强弱关系发生转化,同样也可以使框架梁在水
7、平地震作用下不会首先在连接处破坏，达到异曲同工。2.3设计塑性铰时对腹板连接的考虑在采用梁端增强式塑性铰外移的连接中，梁腹板与柱的连接有条件可采用只承受剪力(当然也可以同时承受剪力和弯矩)的假定;但在狗骨式连接中，梁腹板与柱的连接只宜采用同时承受剪力和弯矩的假定(不然梁端与柱的连接不等强,翼缘的削弱宽度将很多才能满足设计要求)。 梁端翼缘采用加强式连接，使塑性铰外移后，梁腹板在塑性铰处的弯矩就可以通过一定长度的盖板及其侧焊缝(根据文4介绍，不宜在盖板的尾部采用端焊缝与翼缘焊接)传递给梁端的对接焊缝。从而梁腹板与柱的连接也就可以采用便于工地安装的单支承板和螺栓单剪受力的作法了。腹板连接只承受剪力
8、不承受弯矩的这一假定也适用于工字形梁与箱形柱的连接(因箱形柱的壁板不能传递梁腹板上的弯矩)。因此当为非抗震时，如为了充分利用梁截面的抗弯能力，则宜在梁端增设盖板，其盖板的截面面积按梁腹板的抗弯能力确定。腹板连接的剪力设计值按实际剪力计算。2.4对抗震规范推荐节点的看法美国北岭地震和日本阪神地震之后，一些国家乐于采用加工制造都比较麻烦的加强式连接和狗骨式连接，也是出于对仅采用名义上等强的全焊接连接在抗震中并不十分可靠的考虑。3.提高钢结构梁柱焊接节点 抗震性能的探讨3.1地震载荷的特征Northridge地震算不上强震，测量到的震级只有里氏6.8级。Koba地震的震级是里氏7.2级。但这两次地震
9、持续时间短，地面运动加速度大。Northridge地震的水平加速度达到1764gal，垂直加速度达到1176gal，地面运动的最大加速度脉冲持续时间只有68s;Koba地震的水平加速度达到833gal，垂直加速度达到322gal。在这样的地震作用下，钢结构的梁上未及出现明显的塑性铰，地震能量即直接作用于梁柱焊接节点，致使部分节点发生了源于焊缝的脆性断裂。这表明在梁柱焊接节点的设计和制造上，需要注意提高节点的柔性与局部韧性，改善节点焊缝的受力状态，增大其抗震设防的安全裕度。3.2 梁柱节点的抗震设计狗骨型节点：这是一种利用梁的塑性储备来吸收地震能量的节点设计思想。在这种节点上梁翼缘焊缝的附近，沿
10、梁的轴向对其上下翼缘板分别进行了对称的圆弧状切割，切割的径向深度2c约占梁翼缘全宽的40%。直觉上认为狗骨型节点设计利用了梁的延性但损失了结构刚度。然而实际上，因梁的翼缘板削弱而造成的结构刚度的降低较小。研究表明，当径向切割深度2c分别为梁翼缘板全宽的50%和40%时，结构刚度仅分别降低约6%7%和4%5%。槽型节点：槽型梁柱焊接节点的结构及梁腹板上槽的槽用火焰切割而成，切割面无需打磨。这一节点构造已由美国的SSDA(TheseismicStructuralDesignAssociates,Inc)申请专利。理论和试验分析表明，腹板上槽的存在对梁弹性阶段载荷-位移特性的影响不明显。焊接工艺孔设
11、计：梁腹板上焊接工艺孔的形状和尺寸对梁柱焊接节点的断裂特性有影响。尽管有试验表明无焊接工艺孔的节点的断裂强度和塑性变形吸收的能量分别是有焊接工艺孔的1.11.3和1.52.0倍，但考虑到安装施工的需要，多数情况下还是要在梁的腹板上开出焊接工艺孔，因此要研究焊接工艺孔的几何形态对节点焊缝承载环境的影响。有研究表明，在不改变梁柱焊接节点结构的情况下，将梁腹板上焊接工艺孔的尺寸增加显著缓解梁翼缘焊缝根部的应力集中，降低其发生脆断的可能性。同时这一改变对节点强度的影响很小。3.3 节点焊缝的韧性在Northridge和Koba地震中，用一般意义上的韧性材料制造的梁柱焊接节点未能表现出良好的抗断能力。在
12、大约0.1mm/mm/s的高应变速率地震的作用下，梁上未及出现明显的塑性铰，地震能量即直接作用到梁柱焊接节点上，造成了梁翼缘焊缝的脆性开裂。因此，在评价梁柱焊接节点抗震设防需要的局部韧性时，应同时考虑地震作用高应变速率对焊缝韧性的影响，并据以选用韧性达标的焊接材料。参考文献1 徐忠根等.超高层住宅建筑模拟地震振动台 试验研究.建筑结构,2001;(4)2 建筑抗震试验方法规程(JGJ101-96).北 京:中国建筑工业出版社,19973易方民.高层建筑偏心支撑框架结构抗震性能和设计参数研究. 博士学位论文,中国建筑科学研究院,20004高小旺,张维 ,易方民等.高层建筑钢结构梁柱节点试验研究
13、报告.中国建筑科学研究院试验报告,20005建筑抗震设计规范(GB500112001).中国建筑工业出版社, 2001.6TambollAR,FascePE.Handbookofstructuralsteelconstruction designanddetails.7魏 琏.建筑结构抗震设计.万国学术出版社,19918刘大海等.高层建筑抗震设计.中国建筑工业出版社,19939杨尉彪,高小旺等.高层建筑钢结构梁柱节点试验研究.建筑结 构,2001,31(8)10刘其祥,蔡益燕等.多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点的抗震 设计.建筑结构,2001,31(8)第二部分课 程 设 计设计某车间的梯形钢
14、屋架课程设计计算书1 工程概况11 设计资料1）某厂房跨度为21m，总长90m，柱距6m，屋架下弦标高为18m。2） 屋架铰支于钢筋混凝土柱顶，上柱截面400400，混凝土强度等级为C30。3） 屋面采用1.56m的预应力钢筋混凝土大型屋面板，屋面坡度为1:10，上铺二毡三油加绿豆沙、找平层2cm厚。（屋面板不考虑作为支撑用）4） 该车间所属地区为南京市。5） 屋架采用的钢材及焊条为：选用Q345钢，焊条为E50型。6） 采用梯形钢屋架，荷载分类情况静载动载如下，屋架几何尺寸和内力系数情况见下。荷载：屋架自重（120+11L），其中L屋架跨度。屋面活荷载标准值为0.7kN/m，雪荷载标准值为0
15、.65kN/m。桁架计算跨度：L0=21-2*0.15=20.7m桁架跨中起拱约40mm跨中及端部高度：桁架的中间高度：h=3.040m在21m轴线处端部高度：h0=1.990m在20.7m的两端高度：h0=2.005m1.2 结构形式与布置桁架形式及几何尺寸如图图 桁架形式及几何尺寸（图中杆件尺寸为未起拱前的尺寸）桁架支撑布置如图1.3 荷载计算屋面活荷载与雪荷载不会同时出现，从资料可知屋面活荷载大于雪荷载，故取屋面活荷载计算。沿屋面斜面分布的永久荷载应该乘以1.005换算为沿水平投影面分布的荷载。桁架沿水平投影面积分布的自重按经验公式（Pw=0.12+0.11*跨度）计算，跨度单位为m。标准永久荷载：预应力钢筋混凝土屋面板（包括嵌缝 1.005*1.4kN/m=1.407kN/m二毡三油加绿豆沙
