建筑钢结构设计第二版－讲义全文新幻灯片

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1、建筑钢结构设计,2010年9月,同济大学土木工程学院,内容 重点 考试,课程介绍,概念设计 （2节） 平台钢结构设计 （6节） 轻型门式刚架钢结构设计 （8节） 多层框架钢结构设计 （10节） 单层（重型）钢结构厂房设计 （10节）,结构体系设计（布置和计算） 节点设计（计算及与主体结构协调） 构造设计（综合满足全寿命各种要求）,平时作业：2次*15% 考试：70%,同济大学土木工程学院,第一章 概念设计,钢结构的适用范围 钢材的选用 建筑钢结构荷载与作用的特点 钢结构的计算 结构体系 节点设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,1、钢结构的适用范围 特点：轻质高强，材质均匀，工业化生产，

2、施工 工期短，韧性好，密封性好； 耐腐蚀性较差，耐火性差，单价高。,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,1、钢结构的适用范围 钢结构的适用性： 1）结构选材目标：技术性能和经济性。（性价比） 2）选用钢材的原因： A）基本原因 结构自重与全部荷载与作用之 比越大，采用钢结构越合理。 B）强震地区（受力小，延性好） C）劳动力价格高（工业化生产， 现场劳动力少） D）软土地基（基础耗资小） E）大跨、超高结构（结构效应 函数值大）,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,2、钢材的选用 钢材强度的选择 1）变形控制选低强度等级 2）强度控制选高强度等级 3）长

3、细比控制或应力水平较低选低强度等级 4）施工条件差选较低强度等级,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,2、钢材的选用 钢材冲击韧性指标选择：,表1-1 选择钢材冲击韧性指标的影响因素及选择因子,=1234,表1-2 选择因子之积与材料冲击韧性指标的关系表,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,3、建筑钢结构荷载与作用的特点 风荷载 冰雪荷载 温度作用 地震作用及抗震 荷载与结构的变异,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,风荷载,（控制性荷载之一）,风对墙体的压力、吸力 结构整体侧向风力计算 维护结构的阵风系数 与主体结构的风振系数,风对

4、屋面的作用力 A）一般屋面风的体型系数； B）几何与物理形态与风压的关系； C）风压与结构自重的组合； D）风吸对结构的破坏作用。,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,冰雪荷载,屋面外形设计的原则：快速排水，排向强处 覆冰荷载 覆冰荷载危害的产生过程,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,温度作用,建筑结构的绝对温度作用 （即时温度与合龙温度之最大差值） 建筑结构的相对温度作用 （同一结构不同温度下的温差）,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,地震作用及抗震,尽可能减小配套结构的重量 提高钢结构的延性变形能力 利用一切附加因素提高阻尼比

5、,荷载与结构的变异,在钢结构的建造及使用过程中，结构本身以及荷载的状态都在不断变化。,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,4、钢结构的计算 钢结构计算的两种方法 （1）极限状态设计法：强度、刚度、稳定 （2）许用应力法：疲劳、对变形敏感结构的稳定 结构极限状态验算,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,(1-2) 永久荷载效应控制,(1-3) 标准组合,(1-4) 频遇组合,(1-5) 准永久组合长期效应,基本组合,承载能力极限状态,正常使用极限状态,（罕遇地震验算）偶然组合,结构效应计算,短期效应,(1-1),可变荷载效应控制,=1.0,图2 极限状态验

6、算公式关系图,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,4、钢结构的计算,同济大学土木工程学院,结构抗力及正常使用极限： （1）钢结构以强度表现的抗力，主要有以下几种变化： A）随钢材尺寸（厚度、直径）的不同，强度变化； B） 单角钢受力（存在偏心），整体稳定抗力变化； C） 单角钢单肢螺栓连接时连接强度变化； D）地震作用时强度的修正。 （2）广义变形限值 A）预拱的选择 ）楼面钢梁的预拱为恒载标准值引起的变形加1/2活载频遇值引起的变形； ）屋面钢梁的预拱为恒载标准值引起的变形； ）曲线型屋面钢梁，当结构对变形不敏感时不必预起拱，当结构对变形较为敏感时应该预起拱。 ）悬臂梁应考虑排水坡度予以起拱。

7、 B）各设计工种对限定的变形值应取得协调。,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,4、钢结构的计算,同济大学土木工程学院,5、结构体系 结构体系与使用要求：,1）住宅建筑要求相对小跨度、小分隔、小高度多层重合空间，一般用框架结构； 2）办公建筑与住宅相仿，仅要求平面空间略大且灵活，框架体系也较合适； 3）一般工业建筑要求相对大跨度、大高度规整空间，一般用门式刚架； 4）公共建筑要求大跨度、大高度、异型空间，可用造型优美的拱、壳、索、膜或杂交结构。,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,5、结构体系 主体钢结构的优化设计方向 ：,（1）框架结构 框架结构以梁受弯，柱受压弯为主，它的

8、优化主要是选择合适的截面； （2）门式刚架结构 可以根据制造分段及内力状况分段，每段均为直线变坡，优化构件的折线外形； （3）空间结构 使单个构件全截面应力趋于均匀，提高强度利用率。,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,5、结构体系 辅助结构与主体结构的关系 ：,1）两者共同抵御水平荷载； 2）前者可减小后者的计算长度； 3）前者提高后者的整体性和刚度； 4）前者维持后者在施工过程中的稳定； 5）两者可相互转换； 6）后者为前者提供支座。,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,6、节点设计 单元的划分与结合 节点的分类,（1）刚接 刚接节点应满足如下要求：

9、 A）能传递内力； B）具有连续的刚度； C）具有变形可容性及耗能能力。,（2）半刚接 半刚性节点的两面性： A）在整体计算中可按铰接计算； B）局部计算时可按实际刚度。,（3）铰接 A）铰接对变形不敏感； B）铰接的实现； C）固定铰与滑动铰。,第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,6、节点设计 焊接和螺栓连接,焊接和螺栓连接的选择； 焊接和螺栓连接不同等级的选择。,s第一章 概念设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,同济大学土木工程学院,）构成：板、次梁、主梁、柱、支撑；,）传力路线：,竖向荷载 板 次梁 主梁 柱,水平荷载 板 次梁 主梁,基础,）受力特点：,a)

10、 竖向荷载为主要荷载； b) 板有单向和双向之分，钢板常以变形控制； c) 梁分次梁、主梁，可连续或单跨； d) 柱两端常用铰接，为轴压杆。,1、平台钢结构的构成、传力线路和受力特点：,第二章 平台钢结构设计,建筑钢结构设计,一） 结构布置及结构形式：,第二章 平台钢结构设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,2、平台构件的形式：,）板：a) 花纹钢板焊接连接,b) 轻型预制钢铺板螺栓连接,第二章 平台钢结构设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,2、平台构件的形式：,）板：,c) 压型钢板钢砼复合板抗剪销连接,第二章 平台钢结构设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,2、平台构件

11、的形式：,ii) 梁,a) 一般用型钢，主梁一般用“I”型钢或焊接“H”型钢。 b) 支座方式有连续梁叠接或简支梁平接，与柱连接时一般为铰接。,iii) 柱： a) 实腹柱； b) 格构柱,第二章 平台钢结构设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,二） 板的计算（略）（分单向板、双向板，计算正应力和变形） 三） 梁的计算：,1、截面选择,A梁高估算：,h应满足三个条件,hhs经济高度：hs3Wx2/5或hs=7,hhmin由梁的刚度条件确定：hmin,hhmax 由建筑高度确定,-30cm,B腹板厚度估算：,tw,按抗剪计算，按钢板规格,C翼缘尺寸确定：,A1=,-,1/6twhw（近似公

12、式）,第二章 平台钢结构设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,三） 梁的计算：,2、强度计算：,A正应力 a) 单向弯曲： =,b) 双向弯曲： =,+,式中Wnx,Wny相对于Mx,My处的对x轴，y轴的净截面抗弯模量。,:塑性截面发展系数。对I形截面： =1.05, =1.2。,对箱形截面： 1.05 ；其他截面查规范，有疲劳荷 载者： 1.0,fv,B剪应力：,f,f,式中：S计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩； V剪力 tw 腹板厚度 I毛截面惯性矩 fv抗剪强度设计值,第二章 平台钢结构设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,三） 梁的计算：,2、强度计算：,C局部压应

13、力：（有集中荷载，无加劲肋）,c=,F集中荷载（考虑动力系数）,集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁=1.35，其它=1.0；lz=a+5hy+2hk,a=50mm, hy：梁顶至腹板计算高度之距离，hk轨道高度，对无轨梁hk=0,D折算应力：,f,式中、x、c腹板计算高度边缘同一点上同时产生的正应力，剪应力和局部压应力。和c以拉应力为正，压应力为负。,= y1,式中In梁净截面惯性矩；y1所计算点至中和轴距离； 1强度增大系数：当与c异号时，1=1.2，同号或c=0时 1=1.1,第二章 平台钢结构设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,三） 梁的计算：,3、刚度计算：,VTVT，VQV

14、Q,VT 全部荷载标准值产生的挠度（减去预拱值）的容许值；,VQ 可变荷载标准值产生的挠度容许值；,预拱值一般为恒载1/2活载下的挠度值。,A 符合下列情况之一时，可不计算梁的整体稳定性。,4、梁的整体稳定,a) 在最大刚度平面受弯时，应满足,B不符合条件A时，则：,a) 梁上翼缘有连接牢固的铺板，能阻止其侧移时； b) 梁受压翼缘的自由长度l1与宽度b1之比不超过表2-4的规定时； c) 箱形梁高h与两腹板间隔宽度b0之比h/b06时，若l1/b095(235/fy)；,f；,梁的整体稳定系数，按附录D2定：,b) 在两个主平面内受弯时，H型截面构件应满足：,f；,+,C. 无论何种情况，均要求梁的支座处应能防止截面扭转。,第二章 平台钢结构设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,三） 梁的计算：,5、梁的局部稳定：,A组合梁翼缘板的局部稳定应符合下列要求 ：,a)工字型,b)箱形,B. 组合梁腹板的局部稳定：,a)加劲板的配置：,)当 时，当 时宜设构造加劲肋， 时不设加劲肋；,第二章 平台钢结构设计,建筑钢结构设计,同济大学土木工程学院,a)加劲板的配置：,)纵向加劲肋布置在腹板高