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1、钢结构设计浙江大学建筑工程学院钢结构研究室5/23/20221钢结构的设计一般过程1.结构选型与结构布置2.确定选用的钢材牌号3.建立结构的计算简图，确定荷载4.进行结构内力分析与组合5.进行各构件的截面设计6.进行构件相互间的连接设计7.绘制施工详图，编制材料表5/23/20222结构选型与布置l钢结构体系选择：根据结构的受力情况，使用功能等方面l选择最有效率，适合现有制造水平的，l安全性好，造价低的。l结构布置：平面布置，竖向布置，支撑布置，维护结构布置等等l返回下一页5/23/20223钢结构体系与组成构件l结构荷载：竖向荷载，水平荷载l结构传力体系：l竖向荷载传递体系l水平荷载传递体系
2、l结构体系就是两种体系的结合5/23/20224确定选用的钢材牌号l选用依据：1，应根据结构的重要性（损坏带来后果的严重性）2，荷载特征（静力荷载、动力荷载等）3，连接方法（焊接或非焊接）4，工作环境（低温等）l结构形式、应力状态（拉应力或压应力）l板件厚度lQ235，Q345，Q390，Q420l返回5/23/20225建立结构的计算简图，确定其所受的各类荷载l结构计算简图：符合实际情况，尽量简化。l依据简图导算荷载l竖向荷载：永久荷载D可变荷载L雪荷载其他竖向荷载（积灰荷载）l水平荷载风荷载W地震荷载E其他水平荷载（吊车制动荷载）l返回5/23/20226按不同荷载分别进行结构内力分析，进
3、行内力组合,l按不同荷载分别进行结构内力分析，进行内力组合，确定各构件在最不利组合下产生的最大内力。l一般组合：l1.35D+0.7x(1.4L)恒荷载控制l1.2D+1.4Ll1.2D+1.4L+0.6x1.4W活荷载为主的有风组合l1.2D+1.4x0.7(或0.9)L+1.4W风荷载为主的组合l0.9(1.0)D+1.4W风荷载为主倾覆验算l1.2(D+0.5L)+1.3E地震工况lD+0.5L+1.3E地震工况倾覆验算注意：当刚架内力采用二阶弹性分析时和采用塑性设计时,均应先进行荷载组合而后按各荷载组合进行内力分析。l返回5/23/20227三角形屋架l内力组合通常只考虑一种情况:l“
4、永久荷载雪荷载和屋面均布可变荷载中的较大者”，考虑全跨满载。l对芬克式和扇式三角形屋架，这里需说明3点：l1.不论弦杆和腹杆，都是全跨满载时使杆件内力为最不利，因而不需考虑雪荷载等在半跨上作用的情况；l2.屋架的屋面坡度通常都小于30，此时屋面的风荷载一般为吸力，因此风荷载不参与内力组合；l3.当屋面荷载特轻而风荷载特大时，还应考虑“永久荷载风荷载”的组合，以考察在风的吸力作用下使屋架下弦杆等拉杆变成压杆和支座反力变向的可能性。在计算此荷载组合时，永久荷载的分项系数应取。5/23/20228梯形屋架l内力组合时通常都需考虑以下几种基本组合：l1、“永久荷载雪荷载和屋面均布可变荷载中的较大值”，
5、考虑满跨荷载；l2、“永久荷载半跨雪荷载和半跨屋面均布可变荷载中的较大值”，要考虑左半跨和右半跨两种受荷情况。l当采用钢筋混凝土大型屋面板等重屋面时，还要考虑屋架在安装时的半边受荷情况，即半跨的屋面板已吊装、另半跨屋面板未吊装时：l3、“满跨屋架自重半跨（左半或右半两者）屋面板和施工荷载”，用以考察腹杆中是否有内力变号的可能性。5/23/20229进行各构件的截面设计l初估截面l截面验算l构造要求l返回5/23/202210进行构件相互间的连接设计l各种连接的构造l传力路线l计算内容l返回5/23/202211绘制施工详图，编制材料表l施工图包括：l结构设计总说明l布置图(构件布置与编号)l构
6、件和节点详图l必要说明l材料表5/23/2022125/23/202213钢结构设计所用的规范建筑结构荷载规范（GB50009-2001）钢结构设计规范（GB50017-2003）冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50017-2003）钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ18-2002、J218-2002）门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102）建筑抗震设计规范（GB50011-2001）5/23/202214屋盖的设计5/23/202215屋盖的组成l屋架，支撑系统，屋面系统5/23/2022165/23/202217屋面系统l有檩体系
7、，无檩体系5/23/202218屋架的名义跨度和计算跨度l两相邻柱列定位轴线间的距离为屋架的名义跨度Ll屋架左右两支座中心线间的距离为屋架的计算跨度l。l计算跨度常取名义跨度减去300mm5/23/202219屋架间距l一般应由设计人员按经济要求确定。l当屋架间距增大，所有纵向构件如檩条等因跨度加大而需增大其截面；但在一定建筑面积下，屋架和支柱（包括柱基础）数目则可减少，利用求极值的数学方法理论上可求得使整个屋盖和支柱用钢量最少或工料最省时的屋架经济间距l实际设计时屋架间距l约为屋架跨度的1/31/5l常用间距：6m，压型钢板屋面：612m5/23/202220屋盖平面尺寸l当区段长度超过某规
8、定值时，需设置伸缩缝。最常用的设置方法是在伸缩缝处设置双柱。5/23/2022215/23/202222屋架概述5/23/202223平面桁架的外形l三角形、梯形、平行弦、人字行、多边形5/23/202224上弦坡度l主要由屋面材料确定：l1）波形石棉瓦屋面要求屋面坡度，瓦楞铁屋面要求，若这种屋面的坡度过小，易造成漏雨，因此常需选用三角形屋架。l2）油毡防水屋面则要求，因此常用的梯形屋架l3）近来常被采用的长尺压型钢板屋面，则可用于时，因而常选用梯形屋架和接近于平行弦的屋架。5/23/202225屋架的适用跨度l平面桁架作为两端简支的受弯构件在满跨均布荷载作用下，弯矩图形为一抛物线，其上、下弦
9、杆主要承受桁架截面上的弯矩，而腹杆则主要承受桁架截面上的剪力。l三角形屋架外形与抛物线形差别较大，因而其弦杆各节间的内力很不均匀，屋架端部高度小，该处节间的内力最大，因弦杆截面常按整根弦杆的最大内力选用，造成弦杆截面钢材的增加，故跨度较大时选用三角形屋架是不经济的，其常用跨度宜在2427m以下。l梯形屋架因为外形接近于抛物线形，则弦杆各节间中的内力最为均匀。加之刚度也较好，常用跨度可达36m左右l平行弦屋架弦杆内力不及梯形屋架均匀，但其腹杆长度一致，杆件类型少，节点构造统一，便于制造，是其优点。l屋架外形图与弯矩图的比较5/23/202226屋架的高跨比l对三角形屋架，1/41/6。l与柱刚接
10、的梯形屋架的端部高度常取跨度的（常用端部高度2m左右），端弯矩愈大，比值可取大；跨度愈大，比值可取小些。高跨比：1/6-1/10。l与柱铰接的梯形屋架的常用端部高度2m左右，保证连续性。l平行弦桁架的经济高度常为其跨度1/15的左右。5/23/202227平面桁架的腹杆体系l布置原则l1.提供承受荷载的节点，尽可能使荷载都作用在节点上而使桁架的弦杆都是轴心受力构件；l2.使荷载传递至支座的路线最短，以减少腹杆的总长度和节点数目；l3.对非人字形的腹杆体系，应使长腹杆受拉，短腹杆受压。对人字形腹杆体系，宜使斜腹杆的倾角在3555范围内。目的都是减小腹杆的截面积。5/23/202228屋架的支撑系
11、统1，横向支撑2，纵向支撑3，垂直支撑4，系杆5，支撑系统与屋架的连接节点5/23/202229支撑系统图5/23/2022305/23/2022315/23/202232支撑系统作用l保证桁架结构的空间几何稳定性，及几何形状不变l保证桁架结构的空间刚度和空间整体性l为桁架弦杆提供必要的侧向支撑点l承受并传递水平荷载l保证结构安装的稳定和方便l防止构件在动力荷载作用下产生较大的振动5/23/202233横向支撑布置在屋架上下弦和天窗架上弦平面l功能:1，对保证上弦杆的侧向稳定性有着重要的作用。2，传递作用在房屋山墙上的纵向水平风荷载的作用。3，在传力平面增加屋盖结构的刚度l横向支撑一般应设置在
12、房屋两端（或温度伸缩缝区段两端）的第一个柱间或第二柱间，两道横向支撑的间距不宜超过60m。5/23/2022345/23/202235纵向支撑布置在屋架上弦或下弦l功能:1.与横向支撑一起形成一水平刚性盘，增加房屋的整体刚度；2.当房屋为工厂车间并设有吊车时，在吊车横向制动力作用下使框架起空间作用，可减轻受荷较大的框架所受水平荷载和产生的水平变形；3.当有托架时，可保证托架的侧向稳定。l布置位置：纵向支撑仅当房屋的跨度和高度较大或房屋为厂房并设有壁行吊车或有较大振动设备（如锻压车间）因而对房屋的整体刚度要求较高时始设置之。对梯形屋架，纵向支撑常设在屋架的下弦平面，而对三角形屋架则常设在上弦平面
13、，与横向支撑构成环路。5/23/2022365/23/2022375/23/202238垂直支撑：布置在屋架间和天窗架间l垂直支撑的作用是：1.保持屋架侧向的几何稳定性；2.下弦无横向支撑时，作为下弦系杆的支点；3.传递山墙所受纵向风荷载等至屋架支柱；4.保证吊装屋架时的稳定和安全。l布置位置：垂直支撑只设在有横向支撑的同一柱间的屋架上，对跨度L30m的梯形屋架和跨度L24m的三角形屋架，通常只在跨度中点设置一道中间垂直支撑；当跨度大于上述情况时，则需在跨度中间设置两道垂直支撑。此外，在梯形屋架两端则不论跨度大小均需设置垂直支撑。5/23/2022395/23/202240垂直支撑形式5/23
14、/202241系杆5/23/202242支撑系统与屋架的连接节点5/23/2022435/23/202244屋盖设计的内容和屋架的内力计算5/23/202245屋盖设计内容l1.结构方案的确定和结构布置例如选定屋盖的组成，确定屋架的间距、形式和腹杆体系，布置各种支撑系统等；l2.檩条设计；l3.屋架的内力分析包括屋架荷载的计算、内力分析及内力组合等；l4.屋架杆件截面设计包括钢材牌号、杆件截面形式和尺寸的选用，强度和稳定计算等；l5.屋架节点设计包括各个节点中的连接计算和构件的拼接等；l6.施工详图的绘制包括材料表的编制。5/23/202246屋架的荷载l永久荷载：包括屋面材料、保温材料、檩条
15、及屋架（包括支撑及天窗）的自重。l屋面均布可变荷载l雪荷载l风荷载l其他荷载（吊顶，积灰）5/23/202247屋架的内力计算l计算假定：1.所有荷载都作用在节点上；2.所有杆件都是等截面直杆；3.各杆轴线在节点处都能相交于一点；4.所有节点均为理想铰接。在这些假设下，桁架杆件就只承受轴心拉力或压力。5/23/202248屋架内力包括：构件的轴力，和有节间荷载时的上弦弯矩l杆件轴力由节点荷载计算，节点荷载包括所有荷载，就是屋面水平投影计算的荷载。l上弦弯矩由节间荷载计算，节间荷载应从屋面水平投影计算的荷载中应扣除屋架自重再加上屋架上弦杆的自重，在上弦杆的截面尚未知道时，可取上弦杆的自重为屋架和
16、支撑自重估计值的1/41/5。5/23/2022495/23/2022505/23/2022515/23/202252屋架的内力组合l三角形屋架荷载组合：l全跨恒荷载全跨活荷载l梯形屋架荷载组合：l全跨恒荷载全跨活荷载（左、右）l全跨恒荷载半跨活荷载（左、右）l大型屋面板时：l全跨屋架及支撑自重+（半跨屋面板自重半跨活荷载）（左、右）5/23/202253桁架杆件的计算长度和容许长细比5/23/202254桁架平面内计算长度l弦杆和支座斜杆（支座竖杆）在桁架平面内的计算长度系数均取l对单系腹杆（即无中间节点的腹杆），其上端与受压弦杆相连，对其转动约束影响不大，而其下端则与刚度较大的受拉弦杆相连，对其转动约束的影响较大。取，l非单系腹杆（即有中间节点的腹杆），其在桁架平面内的计算长度应取节点中心间距离。l在桁架交叉腹杆所在平面内，计算长度应取节点中心到交叉点间的距离；l注意：只有一端与受压的上弦相连，一端与受拉的下弦相连的腹杆（支座斜杆与支座竖杆除外）取。5/23/2022555/23/202256桁架平面外计算长度l在桁架平面外，弦杆的计算长度取其侧向支承点的距离。l所有单系腹杆在平面
