钢结构设计第一章

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1、钢结构设计开课单位：建筑工程学院主讲教师：叶成杰本课程的内容 绪论（了解应用范围特点、发展、设计方法） 屋盖钢结构（平面、空间桁架、波纹瓦等） 单层厂房钢结构 （组成、支承、框架、柱、梁） 轻型门式钢架结构 （应用范围、结构形式、设计计算） 大跨钢结构（网架、悬索、膜结构等） 多、高层房屋结构（结构特点、设计计算）本次课的主要内容 第一章 绪论 1.1 钢结构的应用范围及特点 1.2 钢结构发展 1.3 钢结构的设计方法和设计要求 第二章 屋盖钢结构 2.1 概述 2.2 平面桁架体系屋盖结构1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点；本次课的基本要求2.掌握钢结构的设计方法和设计要求。

2、4.了解平面桁架体系屋盖结构的布置。掌握普 通钢屋架的设计与计算。3.了解钢结构在国内外的发展概况和趋势。5.了解轻型钢屋架和钢管屋架的形式、应用及 设计计算。第一章 概述1.1.1 钢结构的应用范围高层钢结构建筑杂交结构 大跨度钢结构 重型厂房钢结构 轻型钢结构 高耸结构和多、高层建筑 受动力荷载影响的结构 （如桥梁钢结构） 可拆卸的结构 容器和其他构筑物第一章 绪论 1.1 钢结构的应用范围及特点网架结构拱 结 构桥梁拱 结 构天津体育场千年穹顶西班牙迪加航空港上海会展中心单层厂房多层工业厂房工业厂房金陵石化总厂承受动力荷载及地震 作用的结构帝王大厦高层建筑与高耸结构金 茂 大 厦 88

3、层 420 米北 京 财 富 中 心东京千年塔多层轻型房屋建筑构筑物建筑小品第一章 概述 材料的强度高，塑性和韧性好 材质均匀，和力学计算的假定比较符合 钢结构制造简便，施工周期短 钢结构的质量轻 钢材耐腐蚀性差 钢材耐热但不耐火1.1.2 钢结构的特点钢拉杆和压杆性能比较（一）按承载能力极限状态设计应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载（效应）组合，采用下列表达式设计：式中：o-结构重要性系数；S -荷载效应（组合）的设计值；R -钢结构构件或连接材料抗力的设计值。 1.3 钢结构的设计方法及设计要求荷载效应组合如下：2.由永久荷载效应控制的组合：3.荷载分项系数取值如下：1.由可变荷载

4、效应控制的组合：（1）永久荷载分项系数当其效应对结构不利时-对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;-对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;当其效应对结构有利时-一般情况下应取1.0；-对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。（2）可变荷载的分项系数-一般情况下应取1.4；-对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载标准值应取1.3。对于钢结构这种单一材料，可以将荷载效应表达式用应力形式表示。 可变荷载起控制作用时：永久荷载起控制作用时：式中：4、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式-钢材或连接材料强度设计值。-钢材或连接材料强度标准值。-钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢R

5、=1.087;Q345、Q390、Q420钢R=1.111 。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。(二) 正常使用极限状态1. 对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过 相应的规定限值。Gk -永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；Q1k-第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；Qik-其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。-结构或结构构件的容许变形值。(315页附录2) 2. 对于受压、受拉构件，规范规定应限制其长细比，即: (1-24）式中：-受压、受拉构件的计算长细比 ；-

6、规范规定的受拉、受压构件容许长细比，按规范采用。（三）使用设计表达式的注意事项1.计算静力强度和稳定时，采用荷载的设计值；疲劳计算、变形计算采用荷载的标准值。2. 强度设计指标f1)强度设计值的种类、性质；2)按板厚或直径分组；3)强度设计值的折减。例如:按轴心受力计算单面连接单角钢的强度时。见教材，附表1.41.3.2设计要求 钢结构设计应满足的要求： （1）应从工程实际出发，合理选用材料、 结构方案和构造措施、采 用的制造和安装技术； （2）满足结构在运输、安装和使用过程中 的强度稳定和刚度要求； （3）优先选用标准化的结构和构件； （4）应符合防火和防腐要求。 钢结构节约钢材、降低造价的

7、措施有： （1）结构尺寸模数化、构件标准化、构造 简洁化； （2）采用高强度的钢材； （3）运用新的计算理论和设计方法； （4）采用新的结构体系。第二章 屋面钢结构 2.1 概述 屋盖钢结构的组成： 屋盖钢结构由屋面承重结构（如屋架、拱、 网架等结构）、屋面维护系统（屋面板、檩 条）、屋面支撑系统（垂直支撑、水平支撑 ）和辅助构件（天窗架、托架等）组成。屋盖钢结构体系的分类： 屋盖钢结构体系按照结构受力可分为平面结 构体系和空间结构体系。 屋盖钢结构体系按照功能可分为公共建筑屋 盖体系和工业建筑屋盖体系。 屋盖钢结构体系按照跨度可分为大跨度体系 （60m）、中等跨度体系(60m30m)和小 跨

8、度体系(30m)。2.2 平面桁架体系屋盖结构 2.2.1 屋盖结构布置 1）结构组成 采用平面桁架作为主 要承重构件的屋盖钢 结构，其组成部分包 括屋面板、檩条、屋 架、托架、天窗架和 支撑构件等。图2-1 屋架结构布置 2）结构体系 根据屋面结构布置情况的不同，屋盖钢结构 可分为无檩体系和有檩体系。 无檩体系 优点：屋盖刚度大，整体性好，构造上易于设置保 温和防水材料，构件的种类和数量较少，屋盖的施 工速度快。 缺点：无檩体系屋盖自重较大，这将导致下部承重 结构的截面过大，且对抗震不利。 有檩体系 优点：屋盖柱距布置灵活，屋面材料可选择的种类 较多且自重较小。 缺点：屋盖刚度较差，构件类别

9、、数量较多，且构 造相对复杂。 结构体系的选择应： 综合考虑建筑的使用要求、受力特点 、材料供应、施工及运输条件等因素 。 3）屋面材料 传统材料： 有檩体系传统的屋面材料主要有粘土瓦、水泥 平瓦、石棉瓦等，由于这些材料的尺寸较小， 且在强度、耐久性、保温隔热等方面具有一定 的缺陷，因此其应用都受到一定的限制。 无檩体系传统的屋面材料为预应力大型屋面板 ，标准规格为1.5m6m或3m6m。其优点是受 力性能好，缺点是自重过大（约1.4kN/mm2， 若加上保温和防水层，自重则达到2.53 kN/mm2。） 新型建筑材料： 压型钢板和夹心板 发泡水泥复合板（亦称为太空板） 玻璃纤维增强混凝土板（

10、亦称为GRC板）等 。2.2.2 屋盖支撑及檩条 1）屋盖支撑 （1）屋盖支撑的作用 屋盖支撑的主要作用： 保证屋盖结构的整体稳定、增强屋盖的刚度 、增强屋架的侧向稳定、承担并传递屋盖的 水平荷载、便于屋盖的安装与施工。 （2）屋盖支撑的布置 (1)上弦横向水平支撑 (2)下弦横向水平支撑 (3)下弦纵向水平支撑 (4)垂直支撑 (5)系杆 （3）屋盖支撑的形式 A.屋盖上弦横向 B.下弦横向 C.下弦纵向水平支撑 一般均为平行弦桁架形式 (系杆除外)，其弦 杆由屋架弦杆兼任，其腹杆常采用十字交叉 形式。通常横向水平支撑节间的距离为屋架 弦杆节间距离的24倍，纵向水平支撑的宽 度取屋架下弦端节

11、间的长度。 屋盖垂直支撑亦常采用平行弦 桁架形式，其上、下弦可兼作 水平支撑的横杆。垂直支撑腹 杆形式可根据桁架的宽（屋架 间距）、高比例确定。当桁架 宽、高尺寸接近时，可用十字 交叉斜杆；当高、宽尺寸相差 较大时，可用V式及W式斜杆， 如图2-6(e)2-6(g)所示。 （4）屋盖支撑的计算和构造 屋盖支撑受力较小，一般可不进行内力计 算，杆件截面通常由容许长细比和构造要求 决定。 交叉斜杆和柔性系杆(包括兼任柔性系杆的 檩条)按拉杆设计，可采用单角钢， 取400或 350（有重级工作制吊车的厂房）；非交叉 斜杆、弦杆、横杆以及刚性系杆按压杆设计 ，可采用双角钢组成十字形或T形截面， 取 2

12、00。 当支撑桁架的跨度较大(24m)且承受较大 的墙面传来的风荷载（ ），或垂直支撑兼 作檩条以及考虑厂房空间工作须使纵向水平 支撑作为柱的弹性支承时，支撑杆件除应满 足容许长细比要求外，尚应按桁架体系计算 内力，并据此内力选择截面 具有交叉斜腹杆的支撑桁架是超静定体系， 但其受力较小，可采用如图2-7所示计算简 图。 在节点荷载 作用下，每节间只考虑一根受 拉斜腹杆工作，另一根虚线所示斜腹杆则视 为柔性杆件因受压屈曲而退出工作，因此桁 架可按单斜杆体系分析。 为水平节点荷载 ，由风荷载或吊车荷载引起。 支撑与屋架的连接构造应尽量简单方便。 角钢支撑与屋架一般用M20粗制螺栓连接， 支撑杆件

13、每端至少两个螺栓。 在有重级工作制吊车或其他较大振动设备的 房屋中，屋架下弦支撑和系杆宜用高强度螺 栓连接，或用C级螺栓加焊缝。当采用圆钢 作支撑时，应用花篮螺栓预加拉力将圆钢拉 紧。2）檩 条 在有檩体系屋盖中，檩条有实腹式和桁架式两大 类。 （1）实腹式檩条 实腹式檩条具有构造简单、制造及安装方便的优 点，但适用跨度较小，多用于36m的情形。实腹 式檩条截面常采用槽钢、角钢、H型钢、Z形或C 形薄壁型钢。 实腹式檩条的截面高度根据跨度、檩距和荷载大 小等因素确定，一般取檩条跨度的1/351/50。 实腹式檩条一般通过檩托与屋架上弦连接， 檩托用短角钢做成，先焊在屋架上弦，待屋 架吊装就位后

14、用螺栓或焊缝与檩条连接。檩 条的上翼缘肢尖应朝向屋脊，以利于受力和 安装。檩条连接构造如图2-8所示。 檩条多垂直于屋架坡度放置。 在竖向荷载作用下，当屋面构造能够阻止檩 条的扭转时，实腹式檩条产生双向弯曲，其 两主轴分别受到 和 作用，如图2-9所示。 型钢檩条的壁厚较大，因此抗剪和局部承压 可不验算，抗弯强度应满足双向受弯构件的 强度要求。 在计算 时应考虑拉条的影响，无拉条时， 按简支梁计算；有拉条时，按多跨连续梁计 算，弯矩图如图所示。 当屋面设有拉条时，一般可不计算檩条的整体稳 定； 当无拉条且屋面材料不能阻止檩条受压翼缘侧向 位移时，应计算檩条整体稳定。 当屋面无拉条时，应控制总挠

15、度不超过挠度容许 值；当设有拉条时，檩条可只计算垂直于屋面方 向的最大挠度，以保证屋面平整，计算公式如下 ： 上式中 为檩条沿 方向的线荷载标准值； 为檩 条挠度容许值，按规范取 /150或 /200。 （2）桁架式檩条 当檩条的跨度较大时（ 6m），采用实腹式 檩条将不再经济，可考虑采用桁架式檩条。 桁架式檩条可分为平面桁架式檩条、T形桁架 式檩条和空间桁架式檩条。 桁架式檩条的节间划分可根据计算确定，一 般取4080cm，檩条的高度一般为跨度的 1/12 1/20，T形桁架式和空间桁架式檩条 截面的宽高比一般取1/1.51/2.0。 平面桁架式檩条可按平面桁架计算，T形桁 架式檩条可近似地将上弦两角钢集中在腹杆 平面内后按平面桁架计算，空间桁架式檩条 可分解为两个平面桁架进行计算，具体计算 过程参见相关资料。 （3）檩条的拉条及撑杆 为了给檩条提供侧向支承，减小檩条沿屋面 坡度方向的跨度，减少檩条在施工和使用阶 段的侧向变形和扭转，除了侧向刚度较大的 空间桁架式檩条和T形桁架式檩条以外，在 实腹式檩条和平面桁架式檩条之间需设置拉 条。 当檩条跨度为46m时，至少应在跨中布置 一道拉条；当跨度大于6m时宜布置