钢结构概念设计.ppt

第一章概念设计,1.1钢结构的适用范围 1.2钢材的选用 1.3建筑钢结构荷载与作用的特点 1.4钢结构的计算 1.5结构体系 1.6节点设计,提纲,1、钢结构的适用范围 优点：轻质高强，材质均匀，工业化生产，施工 工期短，韧性好，密封性好，抗震性好； 缺点：耐腐蚀性较差，耐火性差，单价高，维护 费用高。,钢结构概念设计,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,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,钢结构概念设计,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,钢结构概念设计,建筑工程重要性等级划分,一级工程，重要工程,后果很严重，重要工业、民用建筑;20层以上的高层建筑;体型复杂的14层以上高层;对地基变形有特殊要求的,单柱荷载在4000kn以上的 二级工程，一般工程,后果严重，一般的工业、民用建筑 三级工程，次要工程,后果不严重，次要的建筑物,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,钢结构概念设计,1.3.1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,钢结构概念设计,空气流动形成的风遇到建筑 物时，就在建筑物表面产生 压力或吸力，这种风力作用 叫风荷载。,风的大小与 （1）近地风的性质、风速、风向有关 （2）建筑物所在地的地藐及周围环境 （3）建筑本身的高度、形状以及表面状况有关,风的破坏力,“森拉克”肆虐浙闽 防波堤被冲垮百米 2003 七月 28 12:43 由于16号“森拉克”台风的袭击，投资1.2亿元、总长达1837米的玉环县坎门渔港防波堤遭受严重的损坏。渔港西堤被巨浪冲垮2个缺口，造成防波堤砌面下滑，总长达100多米。险情发生后，当地政府组织公安、边防、民兵应急分队和群众及时进行抢修，力争将损失降低到最低限度。,风的破坏力,风的破坏力,风的破坏力,风的破坏力,广州大道南一栋五层厂房 近1000平方米的2块铁皮被卷起后砸中附近五金厂，100多名工人侥幸逃过大难,8月18日台风圣帕,建筑结构荷载规范 ： 规范正文 条文说明,7 风 荷 载 7.1 风荷载标准值及基本风压 7.1.1 垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算： 2 当计算围护结构时 (7.1.1-2) 7.1.2 基本风压应按本规范附录d.4中附表d.4给出的50年一遇的风压采用，但不得小于0.3knm2。,规范正文,风荷载标准值 nominal value of wind load,垂至于建筑物表面的风荷载标准值,(kn/m2),风压高度变化系数,按照地面粗糙度类别和距地面高度确定 地面粗糙度分类 a 近海海面、海岛、海岸、湖岸、沙漠 b 田野、乡村、丛林、丘陵、房屋稀少的乡 镇及城郊 c 有密集建筑群的城市市区 d 有密集建筑群且房屋较高的城市市区,风压高度变化系数,总风载,（kn/m）,建筑物各个表面承受的风力的合力为总风载，是沿高度变化的分布荷载,1.3.2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 建筑结构荷载规范规定活荷载不与雪荷载同时组合。,钢结构概念设计,第三节 雪荷载,积雪过重压塌市场屋顶 莫斯科市场坍塌压死48人,06年德国东南部阿尔卑斯山小镇巴特赖兴哈尔当地时间1月日发生惨剧，大雪压塌当地一处溜冰馆的屋顶，21人死亡3人失踪,2005年威海12月8日讯(特派记者 黄强)今天凌晨3时58分，位于威海市崮山镇的威海大峻金属制品有限公司一车间发生坍塌，造成1人死亡、多人受伤。,基本雪压,定义：当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计 得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。 s =gh=h 雪压（2 ） 雪重度（） 雪密度（kg） h 雪深（),屋面雪压,屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算： skrs0 式中 sk-雪荷载标准值，kn/m2； r-屋面积雪分布系数；屋面雪载与地面雪载比值 s0-基本雪压，kn/m2。 影响屋面雪压的因素： 风；屋面形式；屋面散热,漂积作用的影响：,高低屋面上漂积雪的分布如右示,使敞风较好的平屋面或小坡度屋面上的雪压小于邻近地面上的雪压； 在高低跨屋面的情况下，在低屋面形成局部较大的漂积荷载；高低屋面上漂积雪的分布如右示：,在多跨坡屋面情况下，屋谷附近区域的积雪比屋脊区大,当屋面坡度大到某一角度时，积雪就会在屋面上产生滑移或滑落，坡度越大滑落的雪越多，使屋面雪载越小。 屋面坡度对屋面积雪分布系数的影响,2 屋面形式对积雪的影响滑落,“爬坡风”效应。风速越大，吹走的积雪越多。而且坡度越陡，这种效应越明显。对双坡屋面及曲线型屋面，风作用使总的屋面积雪减少，还会引起屋面的不平衡积雪荷载。,3 屋面散热的影响 屋面散发的热量使部分积雪融化，同时也使雪滑移更易发生，故采暖房屋的积雪一般比非采暖房屋小。,例1 某木屋架仓库屋盖，剖面图如图所示坡度为26.56度，该地区基本雪压为0.55kn/m2,求作用在屋盖上的雪荷载标准值（雪不均匀分布）。,r= 11.56*0.2/5=0.94 sk = 1.25 r s0=0.65kn/m2,1.3.3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）,钢结构概念设计,什么是温度作用？,指结构或构件受外部或内部条件约束,当外界温度变化时或在有功的条件下,不能自由胀缩而产生的作用.,当然对于静定结构,通常温度的改变不会引起构件内力的变化.但需要说明的是,这种结论是在结构的变形能够自由充分发展的假设上的.而实际的结构或多或少与计算模型有一定的差异,因此需要在构造上保证结构的温度变形不要受到约束. 例如桥梁结构的支座构造和伸缩缝的构造就是一个很好的例子. 对于超静定结构,温度引起的变形是受到约束的,会产生附加的内力.因此必须在结构分析中考虑温度的作用,将其作为两种工况来考虑(1.温度升高 2.温度降低),并参与荷载效应组合.,1.3.4地震作用及抗震,尽可能减小配套结构的重量-采用轻质围护结构 提高钢结构的延性变形能力-延性变形可促使结构内力重新分布 避免坍塌 利用一切附加因素提高阻尼比,1.3.5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。,钢结构概念设计,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 1,钢结构概念设计,结构极限状态验算,(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 极限状态验算公式关系图,4、钢结构的计算,钢结构概念设计,可变活荷载的组合值系数为 0.7 雪荷载组合值系数为 0.7 风荷载组合值系数为 0.6 积灰荷载组合值系数为 0.9,作业,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。,4、钢结构的计算,钢结构概念设计,（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。 b）各设计工种对限定的变形值应取得协调。,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。,钢结构概念设计,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。,钢结构概念设计,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。,钢结构概念设计,6、节点设计 单元的划分与结合