（土木工程专业论文）呼和浩特市三联化工厂房计算分析与抗倒塌分析.pdf

中文摘要 本文介绍了轻型钢结构发展的现状、特点和主要结构形式，同时也对 轻型钢结构厂房的设计理论和方法进行了总结。对厂房轻钢结构在各种荷载组合 下的静承载能力、抗震性能和抗倒塌性能进行了分析研究，并在此基础上，结合 近几年来轻型钢结构由于自然灾害发生的事故，进行了分析与思考，从设计与施 工角度提出了避免事故的见解。 在对结构静力分析计算当中，根据规范考虑了各种不利的荷载组合，对 其中三种最不利的荷载，组成6 种荷载工况分别对结构的静力进行了计算，得到 了结构构件的变形和内力，其结果都能满足设计要求，体现了强柱弱梁的设计原 则。 对整体厂房结构进行了抗震分析和抗倒塌验算，计算结果表明：在不同烈度 下结构对的地震响应都不显著，结构的构件是安全的，同时也说明了轻钢结构是 有良好的抗震性能。 由于2 0 0 8 年一二月间连降大雪，造成南方部分地区受灾，大雪持续时间很 长，许多地区经历了自有气象记录以来最大的暴风雪、冻雨天气，给这一地区造 成严重的经济损失，大量的轻钢结构厂房、仓库及临时建筑物倒塌，造成了人员 及财产的巨大损失，本文从设计与施工方面去探讨轻钢结构在雪灾中的安全性。 在轻钢结构的抗倒塌分析中，对雪灾时轻钢结构大面积倒塌的原因作出分析，并 进一步提出今后在应对类似灾害时的措施。 关键词：轻型钢结构；计算分析：抗震性能；抗倒塌分析 a b s t r a c t t h el 蛳e 适b is t e e ls m l c u a i sa 鹏wk i n do fi n d u s 缸i a lc o n s t r u c t i o n s i th a s b e e n d e v e l o p e d m o s t r a p i d l y a n d a p p l i e dw i d e l y i ni n d u s t r i a l ，r e s i d e n t i a l a n d p u b u eb u i l d i n g s w i t hm u c h i t s a d v a n t a g e s ，s u c h a sf a s ta n d e a s y c o l l s f f u c l j o n ，a t t r a c t i v e a p p e a r a n c e ，l i 班w e i g h t ，l o wc o 删v ep r i c e ，e t c t h i sp a p e r p r e s e n t s t h er e v i e wa n ds u m m a r yo ft h e d e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c a n ds h a p eo f 山el i g h t w e i 出s t e e l 鼬m c n 邛器哒帅e i g i 吐s t e e ls m z c l x 鹏i si nv a r i o u sl o t u s c a r r yu n d e rt h ec o m b i n a t i o no fq u i e tl o a d i n ga b i l i t y ，a n t i - v i b r a t i o na b i l i t ya n dt h ea n t i t u m b l e dd o w nf u n c t i o nt oc a r r yo na n a l y s i sr e s e a r c h ，a n dc o m b i n et ob ec l o s et o l i g h t w e i 曲t s t e e ls m a c t u r ei nt h el a s ty e a r so nt h i sf o u n d a t i o nb e c a u s eo fl l a t u 陀 d i s a s t e ro c c t l i t e n c eo f 血 o u b l e ，c a r r i e do n a n a l y s i s a n dt b i n 硒玎g ，f r o md e s i g n m a dc o n s m 刎o nt h ea n g l ep u tf o r w a r dt oa v o i dt h ev i e w so fl a o u b l e a c c o r d i n g t o c r i t e r i o n a l l k i n d so ft m f a v o r a b l el o a dc o m b i n a t i o n s 魄 c o n s i d e r e di nt h eb 啦c a p a b i l i t y a n a l y s i s ，t h el i g h t w e i 班s t e e l s t r u c t u r eo f s l e e p e rw o r k s h o pi sc a l c t t l a t e ds e p a r a t e l ya t t h ea c t i o no fs i xl o a dc o m b i n a t i o n c a s e s b yu s m g s o f t w a r e t h ed e f o r m a t i o na n di m e m a lf o r c eo fs t r u c t m a lm e m b e r s m a y b eo b t a i n e d t h er e s u l t sa l es a t i s f i e dw i t ht h ed e s i g n t h e d y n a m i c c h a m c t e r i 曲c so f l i g h t w e i g h t s t e e ls t r u c t u r ea l ea l s o r e s p e c t i v e l y c a l c u l a t e dm a d a 1 1 a i 嗣i ns i n g l e s p a n o rw h o l es m a c t u r e t h e c o m p u t a t i o n a l r e s u l t ss h o wt h a tt h eo u t - p l a n a r s t i f f n e s s h a sg r e a t i n f l u e n c e so nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s d u r i n g t h e s i n g l es p a nc a l c u l a t i o n ；i n t h e t o t a ls m l c t u r a l a n a l y s i s t h ec r a l l eh a sn o e v i d e n t l y e f f e c to nd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sw i t hc o n l r a s tt o s i n g l es p a n f o ras e i s m i ca n a l y s i so fl i g h t w e i g h ts t e e ls l l u c t u r e ，t h er e s p o n s es p e c l r a a n dt i m e h i s t o r ya c c e l e r a t i o n m e t h o da l e a p p l i e d t oc a l c u l a t ei nt h e p a p e r ，t h e c o m p u t a t i o n a l r e s u l t ss h o wt h a tt h el o a dr e s p o n s e so fs t r u c t t t r a lm e m b e r sa l e s m a l la td i f f e r e n te a r t h q u a k e i n t e n s i t y ；t h es l e e p e rw o r k s h o pi sv e r ys a f e i ti n d i c a t e st h e l i g h t w e i g h ts t e e ls t r u c t u r eh a sf a v o r a b l ea n t i s e i s m i cc a p a b i l i t y k e y w o r d s ：蛳e i 咖s t e e l s t r u c t u r e ；c a l c u l a t i o na n a l y s i s ；a n t i - s e i s m i cc a p a b i l i t y ： t h ea n t i - t u m b l ed o w na n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤垄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：羽谚乇嗄签字日期：2 t ，o 占年月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨垄叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤星盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：吾退彩毛要 签字日期：力留年月手e l 导师签名： 筝字日期： op 年6 月仁日 第一章概述 1 1 轻型钢结构发展现状 第一章概述 从1 8 7 2 年，欧洲大陆的索尔尼尔工厂大楼世界上第一座钢框架结构 房屋落成至今已有1 0 0 多年历史，在这1 0 0 多年当中钢结构的应用得到迅速发展。 钢结构的结构形式日趋广泛，其设计理论及制造工艺亦日趋完善。 钢结构以其高强度、良好的变形性能、制造加工易于工业化、施工周期短等 优点而广泛用于大跨、重载及高层、高耸结构中。其结构形式多种多样，主要有： 桁架结构、框排架结构、平板网架结构、空间网壳结构、门式刚架及悬索结构等。 在习惯上，我国又将钢结构按型钢轧制方式分为热轧型钢结构和冷弯型结构两 类。热轧型钢结构，又称普通钢结构、重钢结构；冷弯型结构又称冷型钢结构、 轻型钢结构。 轻型钢结构是指承受相对较轻的外荷，构件截面相对较小，结构自重相对较 轻的全钢结构，是钢结构的一个重要分支。轻钢结构的层数一般为单层或二层， 屋面、墙面通常采用轻质材料，通常人们也将每平方米用钢量小于4 0 千克的钢 结构房屋称为轻钢结构。 轻钢结构源于1 9 世纪中后期，但美、英等国家较为广泛的应用是二次世鼎 大战后。当时，由于钢产量有限，从节约建筑用材出发，提出了采用轻钢房屋结 构。随着工业技术水平的提高和自动化生产线的建立以及各国钢产量的不断增 加，到了六七十年代，出现了专l - j 匍j 造和生产轻钢结构的工厂，它们采用标准化 设计生产，从结构构件到屋面、墙面及所有零配件在工厂生产加工制作完成后， 到现场进行组装，减少了搬运次数和避免现场制作带来的许多问题。 轻钢结构厂房在国外特别是美国已有近1 0 0 年的历史。早在本世纪的三、四 十年代，这种结构形式就因其自重轻、跨度大、安装方便等特点被广泛应用在飞 机库等大跨度的建筑中。后来，西欧、北美、日本、韩国等经济发达国家又普遍 地在其它各类公共建筑例如仓库、超级市场、办公楼、餐厅、体育馆等采用这种 结构形式，并逐步取代了传统的钢筋混凝土结构。虽然钢结构比其它传统的结构 形式在造价上有所增加，但由于轻钢结构自重轻、体积小、强度高、施工周期短， 因此从另一方面来讲它增加了建筑面积，提高了使用效率，投资回报比其它结构 形式快。目前，在美国轻钢结构房屋占底层房屋市场的4 0 0 , 6 。 “轻钢结构 的概念最初主要是指“冷弯薄壁型钢结构 。我国冷弯型钢结 第一章概述 构研究始于5 0 年代，但轻钢结构的应用时起时落，发展比较缓慢。6 0 年代在上 海等地兴建了约1 0 万平方米轻钢房屋试点工程，7 0 年代湖北十堰二汽近2 0 万 平方米厂房屋架采用了管形冷弯型钢屋架。在此期间，国内一批高校、科研机构 进行大量冷弯钢结构领域的研究并修订了国家设计规范，1 9 8 7 年正式颁布了国 家标准冷弯薄壁型钢结构技术规范。为了推广冷弯薄壁型钢结构，国家标准 主管部门成立了全国冷弯薄壁型钢结构标准技术委员会，负责设计标准的制定、 修订工作。 1 2 轻型钢结构厂房的特点 传统结构形式的工业厂房由于施工周期长、结构笨重、抗震性能差、不便于 工艺调整等不利因素将逐渐被轻钢结构厂房所取代。 1 结构自重轻，节约钢材 轻钢结构是相对于普通钢结构而言的，自重轻是轻钢结构区别于普通钢结构 的特点之一。通常，在外荷载相同、结构形式、跨度相同的情况下，轻钢结构要 比普通钢结构节约钢材4 0 以上。 2 结构安全可靠，抗震性能好 轻钢结构采用的钢材材质均匀，各项同性，塑性韧性好，构件断裂前有较大 的延伸变形，抗震性能好。 3 房屋空间大，使用灵活 轻钢房屋构件截面远小于混凝土结构，结构占空间小，门架式轻钢房屋内墙 均为非承重墙，用户可根据使用要求，随意划分使用空间。所以轻钢房屋为用户 提供了最大、最有效的使用空间。 4 工厂制造、工地拼装，运输、安装方便，施工周期短。 制造工业化、构件加工精度高。加工自重轻，安装不需大型安装机械，施工 周期短，加速了资金周转，综合经济效益好。 5 轻钢房屋墙面、屋面采用彩色压型钢板或夹芯保温板，建筑外观美观，造 型好。 2 第一章概述 1 3 轻型钢结构厂房的结构形式 1 3 1 国外轻型钢结构厂房的结构形式 灵活多变的结构形式，使轻型钢结构能满足各类工业建筑的要求，对于那些 受工艺布置限制而需要有大跨度、大柱距的工业厂房、轻钢结构体系也能胜任自 如。特别是当工艺调整改造，原轻钢结构厂房需要扩建时，因其四周围护墙是非 承重的，可以随时拆除，轻易地按需要扩展厂房。通常国外轻钢结构厂房可分为 以下三大系统，并可以相互组合以满足不同的要求。通常每一系统都遵循以下设 计原则：跨度及柱距以1 5 c m 为模数，檐口高度以3 0 c m 为模数，屋面坡度可以2 8 ，屋面可选用单向坡或双向坡，柱可为变截面柱或等截面柱。国外轻钢结构 厂房的结构形式主要有以下几种： 1 大跨度系统 大跨度系统是各钢结构制造公司最基本、最普通的系统。该系统充分利用了 钢结构弹性好及适应性强的特点，来满足使用者的实际要求。一般又可分为单跨、 多内柱、扩展等三种形式。单跨形式主要适用于屋面坡度小、跨度大的各类厂房； 多内柱形式为大型工业厂房而设计：扩展形式主要是用于贴建及扩展之用。 2 “l a n d m a r k ”系统 简支跨及“积木式”的设计思想，使该系统的主体钢架可以按需要随意组合。 其长和宽可达到3 0 5 m ，钢架间距可达1 5 m ，因此该系统几乎可满足任何类型工 业厂房的要求。如果辅以各种可靠的构造措施及杆件形式的选择，该系统可为用 户提供一个美观实用、经济可靠的大型联合厂房。如果屋面梁选用格构式析架其 空隙可供各类管线通过，因而可以充分利用空间。 3 多层建筑系统 多层建筑系统是轻钢结构的延伸，一般多采用钢框架结构，它适用于2 8 层 的多层工业厂房，其主要特点是建造速度快、投资少、便于维修等。 1 3 2 我国轻型钢结构厂房的结构形式 就我国目前应用情况，轻钢结构厂房主要包括以下两类： 1 冷弯薄壁型钢结构 整个结构由冷弯型钢构件组成。其主要承重结构中，梁、柱等构件为厚度在3 6 m m 的冷弯型钢，其围护结构由壁厚0 3 - - 0 8 m m 的压型钢板组成，这类房屋常 用于1 - - 2 层最多不超过4 层的各类工业与民用建筑。 冷弯型钢是以热轧和冷轧带钢为原料，经辊式弯曲或压弯、或折弯、或拨弯成 第一章概述 各种断面形状的型材。由于冷弯型钢结构在设计中考虑了板件的屈曲后强度以及 冷加工硬化效应，故其具有断面经济合理，钢材利用率高的优点。一般较热轧型 材节约用钢2 5 左右并可生产形状复杂的断面，品种规格多，可满足建筑结构需 要。目前我国可生产轻钢建筑中的方管、矩形管、圆管及大型z 型钢、c 型钢， 可直接或再组合后在建筑中用作承重梁、柱、空间网架、析架、擦条、墙梁、支 撑等构件。 冷弯型钢具有重量轻、外形尺寸精度高、能源消耗少、安装工序简单、劳动强 度低、材料利用率高等显著优点、应用前景广阔。3 0 多年来，由于冷弯型钢的 强重比大，成型灵活、施工快捷、结构轻型化、能降低钢耗，已逐渐被各国建筑 业所认同，得到广泛地应用。 2 轻型门式刚架结构 表卜1 轻钢结构类型及选择范围 类型跨度( m )屋面坡度檐口高度柱距 ( m )( m ) a l6 1 22 - - - - 1 0 9 63 0 6 0 t 净跨、单坡，工字形柱的建 筑 a e 1 0 2 02 3 3 3 3 - - 6 6 净跨，坡项、工字形柱的建 筑 a z m l 1 5 一3 02 3 3 4 2 9 0 净跨，坡项，变截面柱的建 筑 a z m 2 m 3 m 43 0 0 1 1 0 3 3 4 2 1 2 o 净跨，坡项，变截面柱的建 - 6 0 筑一根、二根或三根标准柱 a s 1 8 7 22 3 3 4 2 1 2 o5 o 净跨，坡顶、跨度极大的建9 o 筑屋顶坡度2 0 ，变截面柱 心 4 2 一7 22 0 5 4 9 0 附属于主体建筑的分反结 构部分具有嵌入墙体的特 殊轻型工字钢 a t 特殊设计，作为室内网球可变 中心的建筑物 轻型门式刚架结构是近几年才发展起来的一种新型的结构形式，由于其轻 型、简洁、美观和易于现场装配的特点已被广泛应用于仓库、体育馆和轻型单层 厂房等结构中。这种结构形式，能充分有效地利用钢材的弹、塑性能、进行塑性 4 第一章概述 设计，可克服弹性分析中带来的缺点，合理地降低用钢量。在国外，应用这种方 法已有相当长的时间和经验：我国于1 9 9 8 年9 月颁布了门式刚架轻型房屋钢 结构技术规程( c e c s1 0 2 ：9 8 ) ，但对这方面的研究和应用尚有许多( 如门式刚架 构件计算长度系数、压型钢板围护结构蒙皮效应等) 方面有待发展之处。 轻型门式刚架主要承重结构形式分为等截面和变截面门式刚架。钢架柱、梁 可采用焊接或热轧h 型钢，屋面擦条、墙梁、墙柱及其它支撑等次要构件由冷 弯型钢构件组成，屋面板、墙板采用彩色压型钢板。这类结构体系一般多用于单 层、单跨、多跨工业厂房和仓储库房建筑，建筑总跨度可在6 0 - - 1 0 0 m 。门式刚 架梁柱节点通常做成高强度螺栓刚接节点，柱脚通常为铰接。这类建筑基础工程 量小，用钢量仅2 0 - - - 4 0 k g 衬，房屋空间大，使用灵活。房屋可做成保温或不保 温，厂房可做成无吊车或有吊车( 起重量小于2 0 0 。士0 0 0 0 以上钢结构部分( 包 括围护结构) 造价约为4 0 0 - - - - 6 0 0y r , m 2 。目前，这是我国推广运用最多的一类轻 钢结构，建于北京郊区的2 4 0 0 0 m 2 爱立信移动通讯工程就采用了这种结构。 对于单层工业厂房，轻钢结构体系的种类主要有以下几种，根据不同跨度的 建筑，选用不同的坡度与檐口高度及柱距。 1 4 门式刚架 1 4 1 刚架特点 刚架结构是轻钢结构形式的一种。它由梁、柱单元构件组合而成，其形式种 类繁多，但在单层工业与民用房屋的钢结构中，应用较多的为单层的单跨、双跨 或多跨的双坡门式刚架。它可根据通风、采光的需要设置天窗、通风屋脊和采光 带等。 门式刚架与屋架结构相比，整个构件的截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空 间，从而降低房屋的高度，减小建筑体积，在建筑造型上也较简洁美观。其次， 刚架构件的刚度较好，其平面内、平面外差别较小，为制造、运输、安装提供较 为有利的条件。架结构的屋面材料一般多采用石棉水泥中小波瓦、瓦楞铁一级其 它轻型瓦材。屋面坡度主要取决于屋面材料及排水要求。当采用压型钢板屋面时， 屋面坡度较平。 1 4 2 门式刚架的适用范围 门式刚架通常用于跨度为9 一- 1 8 m ，柱距为4 5 - - 6 0 m ，设有起重量较小的 悬挂吊车的工业房屋和辅助性建筑。对于无吊车的房屋，柱高多在5 m 以内；对 第一章概述 于设有吊车的房屋，则柱高多在6 m 左右及6 m 以上。在某些情况下，门式刚架 也有用于跨度为2 1 3 0 m 柱距为6 - - - 1 2 m ，柱高为9 m 左右的工业房屋或公共建 筑。 1 4 3f - i 式刚架的结构形式 门式刚架的结构形式是多种多样的。按构件体系分，有实腹式与格构式；按 横截面组成分，有等截面与变截面。实腹式刚架的横截面一般为工字型，少数为 z 型；格构式的横截面为矩形或三角形。按结构选材分，有普通型钢、薄壁型钢、 钢管或钢板焊成。 一般来说，门式实腹刚架适用于荷载小、跨度为9 1 8 m ，柱高为4 5 - - 9 o m ， 无吊车或吊车起重量较小的房屋。当跨度不超过1 5 m ，柱高不超过6 m ，以及按 塑性理论设计时，宜采用等截面：当跨度大于1 5 m ，柱高为7 m 以上以及有吊车 时，宜采用变截面。变截面与等截面相比，能节约材料，但在构造连接及加工制 造方面，不如等截面方便。用三块钢板焊成的工字型截面的实腹刚架，截面形式 简单，受力性能好。 1 5 本项目的研究内容 1 5 1 厂房概况 呼和浩特市金川开发区三联华工车间厂房采用单层单跨钢结构，柱高6 m ， 柱距6 m ，厂房纵向长度6 m x1 6 = 9 6 m ：有擦屋盖，屋架间距6 m ，跨度2 4 m 屋顶 起坡8 。该厂房梁、柱均采用三块钢板焊成的工字型截面，属于典型的门式实 腹刚架。 1 5 2 研究内容 本文针对呼和浩特市金川开发区三联华工车间厂房钢采用结构、静力特性和 抗倒塌和抗震进行了分析研究。本文按照现有的结构实况，计算了厂房结构的抗 倒塌特性，以及在考虑最不利的荷载组合情况下，进行了静力分析。并根据计算 结果，针对厂房钢架的抗震设计和抗倾覆给出一些建议。 6 第一章概述 1 。6 小结 本章介绍了轻型钢结构发展现状以及特点，其中门式刚架作为轻型钢结构的 一种形式近年来被广泛的应用，其优点突出，另对本文研究的轻钢厂房作出了介 绍。 第二章轻钢结构厂房的设计理论及方法 第二章轻钢结构厂房的设计理论及方法 2 1 基本设计原则 同其它各种结构一样，轻钢结构( 厂房) 设计应保证结构构件在充分满足功能 的基础上，安全可靠地工作，同时应尽量节约钢材，认真贯彻执行国家的技术经 济政策，做到技术先进，经济合理，安全适用，确保质量。 2 2 设计理论 为了满足基本设计原则的要求，也就是寻求钢结构( 厂房) 在可靠性和经济性 之间的最佳平衡，设计方法的研究始终受到人们的重视，并推动设计方法不断向 前发展。随着人们对结构设计的认识不断加深和工程实践经验的逐渐积累，钢结 构设计方法的发展经历了传统容许应力法、三系数法、多系数分析单系数表达的 半经验半概率容许应力设计方法和以概率论为基础的近似概率极限状态设计方 法四个阶段。 以概率论为基础的近似概率极限状态设计方法是现行钢结构设计规范所 采用的方法。它把各种影响结构或构件可靠性的因素如材料抗力、构件几何参数、 各种作用等，都作为独立的随机变量，根据统计分析确定失效概率来度量结构或 构件的可靠性。但由于在分析中忽略或简化了基本变量随时间的变化关系，对随 机变量的分布规律做了相当程度的近似处理，并且为了简化计算而将一些复杂关 系进行了线性化处理，所以它还只能算是一种近似概率设计方法。 采用概率统计理论进行统计分析，再将各因素概括为相互独立的两个综合随 机变量，即结构或构件的抗力r 和各种作用对结构或构件的综合效应s ，建立如 下的功能 函数 z = r - 一s ( 2 1 ) 当结构或构件达到极限状态时，抗力r 和效应s 相等，e p ： z = 1 0 一s = o( 2 2 ) 此即为极限状态方程。 当r s 时，z o ，结构安全可靠：当r s 时，z o ，结构失去使用功能，称 第三章厂房结构的静力分析 为结构失效。 结构设计的任务是保证结构失效概率足够小，小到人们可以接受的程度，而 不是百分之百的保证r 总大于s 。由于抗力，计算模式和各种作用总是存在着不 确定性，都是随机变量，要求结构绝对安全可靠，要求r 总大于s ，或者是不可 能的，或者是不切实际的，或者是不经济的。 根据概率理论，结构失效的概率可表示为： p f = - p z = r - - s 0 ) = 1 一p f( 2 - 4 ) 可靠概率与失效概率互补。 用概率理论研究结构或构件的可靠性，综合考虑风险和经济性，使失效概率 足够小或使可靠概率足够大，即认为构件是安全可靠的。因此结构可靠度的定义 为在设计基准期( 我国规定为5 0 年) 内，结构在规定条件下完成预定功能的概率， 称为结构的可靠度。 可靠度可以用可靠概率或失效概率来表示，但计算概率值时不仅要首先知道 随机变量的分布，而且要进行无穷积分，其过程相当繁杂，因此引入可靠指标 来表达结构可靠度。定义 ：一0 z m z ( 2 5 ) 式中，m z 为功能函数的平均值，吒：为其均方差，b 的物理意义见图2 - - 1 。 假定功能函数中的抗力r 和作用效应s 为相互独立的两个正态分布随机变 量，那么z - - r s 也服从正态分布，根据随机变量的性质有： m z 2 m r m 5 ( 2 6 ) d z = 厅焉 ( 2 7 ) 9 第三章厂房结构的静力分析 因此b 的计算式为： l 旭 - 丝! _ 。j 弋。 一。 拼t 2 图2 1 夕2 丽m _ z r - - 霉m _ _ 2 s 4 - 、仃；呸 式中，m r 和m s 分别为r 和s 的平均值， 的分布密度函数为： ! ! 二竺! 1 邝) 2 丽p 2 拐 从而失效概率可表示为： ( 2 8 ) or 和os 分别为相应的均方差，z ( 2 - 9 ) 弓= f ( z ) d z = 寿髻出 陋， p f 就是图2 1 中纵坐标左边的阴影区域面积。 通过变量代换，可将上式转化为标准正态分布函数的概率积分形式： 弓= 售去导出叫专h ( 一励 ( 2 _ 1 1 ) 根据失效概率与可靠概率的互补性，可靠概率与可靠指标的关系为： e = 矽( 历 r 2 1 2 ) 矽为标准正态概率积分函数，可以由表格查出。可见p r 、k 和p 之间存在着 数值上的一一对应关系，b 值越大，p f 越小，因而b 可以很好反映结构的可靠度。 确定b 时不需进行积分计算，只要知道r 和s 的平均值和均方差即可，计算较 为简单。 1 0 第三章厂房结构的静力分析 2 3 对结构物的功能要求 设计任意一个结构，都必须使其满足下列四个功能要求： 1 能够承受正常施工和使用时可能出现的各种作用，包括各种荷载、温度效 应、风力作用、地震反应和基础不均匀沉降等； 2 在正常使用时能够满足各种使用要求并具有良好的工作性能； 3 在正常维护下具有足够的耐久性； 4 在偶然事件发生时及发生后仍能保持必要的整体稳定性。 上述四项功能要求中，第1 ，4 两项是结构安全性要求，第2 项是结构的适 用性要求，第3 项是结构的耐久性要求。结构的安全性、适用性和耐久性统称为 可靠性。 2 4 两种极限状态 根据结构物的功能要求，存在某一特定状态，当结构或构件或其组成部分达 到或超过这一状态时，就不能满足某一功能的要求，这一特定状态就是极限状态。 结构的极限状态包括两类： 1 承载能力极限状态 这种极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变 形，包括整个结构或其一部分作为刚体失去平衡；结构构件或连接因材料强度超 过而破坏；疲劳破坏；产生过大的塑性变形而不适于继续承载，结构转变为机动 体系；结构或构件丧失稳定等。 2 正常使用极限状态 这种极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值。 包括结构或构件出现了影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性的局 部损坏；影响正常使用的振动或影响正常使用的其它特定状态。 2 5 设计表达式 承重结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。 结构构件或连接按承载能力极限状态设计时，应考虑荷载效应的组合必要时 尚应，考虑荷载效应的偶然组合。按荷载效应基本组合进行强度和稳定性设计时， 极限状态设计表达式一般为： 第三章厂房结构的静力分析 ( 口倒+ 矿q l d + 缈“矿q 讨) f i = 2 ( 2 1 3 ) 式中： 一一一结构重要性系数，对安全等级为一、二、三级的结构分别取y o 为 1 1 ， 1 0 ，0 9 ；般工业与民用建筑钢结构的安全等级取二 级，特殊建筑钢结构的安全等级可根据具体情况另行规定： 仃g d 一永久荷载的设计值g d = g k 、在结构构件截面或连接中产生 的应力； 7 0 一永久荷载分项系数，一般采用= l 一2 ，当永久荷载效应对结 构承载能力有利时取= 1 0 ； g k 一永久荷载的标准值； d q l d 、d 掣第一个可变荷载的设计值q 1 j = 。o ，。和其它第i 个可变荷 载的设计值线= ，口级在结构构件截面或连接中产生的应力，规定取所 有可变荷载设计值引起的应力最大值，即- d 盯倒( f 2 1 ； ，翻、7 9 一第一个可变荷载和其它第i 个可变荷载分项系数： 2 、一第一个可变荷载和其它第i 个可变荷载的标准值； 吵“第i 个可变荷载的组合值系数； ， f - 结构构件和连接的设计强度；f = ! 旦； 7 斤 7 詹抗力分项系数，它已包含在规范直接给出的设计强度指标f 之内； ，x 一材料强度的标准值，包括连接材料。 对于一般排架、框架结构，很难区分出产生最大应力的可变荷载，可采用下 列简化的承载能力极限状态设计表达式 y o ( o “+ 沙) ( 2 1 4 ) f = 1 对于正常使用极限状态，结构或构件应按荷载的短期效应组合采用下式进行 计算： 式中： w = 1 4 w g k + y d m ( 2 - 1 5 )+ 乙y d s 州 ) ， i = 2 w 结构或构件产生的变形值； w g k 一永久荷载标准值引起的结构或构件变形值； 第三章厂房结构的静力分析 w 叫 w o r k 一第一个和其它第i 个可变荷载标准值引起的结构或构 件变形值，规定峋。t 童( i 至2 ) ； 1 w l 一结构或构件的容许变形值。 现行规范采用的上述设计表达式从形式上看是采用定值分项系数表达结构 的可靠度，实质上，它代表着用可靠指标表达结构可靠度的近似概率极限状态 设计方法。各分项系数是根据国家统一规定的目标可靠指标经过校准，优选确定 的。目标可靠指标见表2 1 。所谓校准，就是针对现有结构根据各类材料的原结 构设计规范进行可靠度分析，求出大量现有结构的可靠指标，经综合平衡后定出 目标可靠指标，因而现行规范从安全度上讲是继承了原规范的平均安全度。所谓 优选，指规范给出的各分项系数系按下列原则经优选确定的：在各种荷载标准值 已给定的情况下，要选取一组分项系数，使按极限状态设计表达式设计的各种结 构构件具有的可靠指标，与目标可靠指标之间在总体上误差最小，因而所采用的 各分项系数是在“各种荷载组合下各种结构的计算可靠指标最接近目标可靠指 标”意义上的最优定值。 表2 1 承载能力极限状态设计时的目标可靠指标 破坏类型安全等级 一级 一奶= 级 延性破坏 3 73 22 7 脆性破坏 4 2 3 73 2 2 6 小结 本章介绍轻钢结构厂房的设计理论及方法，其中有基本设计原则，既以概 率论为基础的近似概率极限状态设计方法，两种极限状态既承载能力极限状态和 正常使用极限状态，按荷载效应基本组合进行强度和稳定性设计时的极限状态设 计表达式。 第三章厂房结构的静力分析 第三章厂房结构的静力分析 3 1 工程项目概况 呼和浩特市金川开发区三联华工厂房采用单层单跨钢结构，柱高5 8 4 m ，柱 距6 ，厂房纵向长度6 r e x1 5 = 9 0 m ；有柃屋盖，屋架间距6 m ，跨度2 3 7 m ，屋顶 起坡8 ，屋面板为：9 5 0 型，l o o m m 厚e p s 彩钢夹芯板，维护结构材料同屋面为 1 1 5 0 型，l o o m m 厚e p s 彩钢夹芯板。厂房平立剖图如下： o 0 0 0 建筑平面图 1 4 第三章厂房结构的静力分析 八 暑 _ v ”p i1 矿2 1p j ：f 托| ( 1 l _ 。卜t ，卜 - o 墨 ： 苫 罾 萎 一 苦 一 8 g暑 刘蓍 宫 一 _ 量一 窨 一言 5 8l 言 宝 o 宝8 1 i 弓 g 8 宝 1 苫 - 暑g 2 苫 苫 l 8量 l 割苫 ：。 yn 窖 晷 量 1 基 喜 量 1 季 1 苦 gl 苫 业 - 量 。 莩l l 1 离r 吾 量l 苫 ， 若 、， 1 i i - 寸 l 砸。t ? 。吼1 ；：l ：1 竹二1 ，：i 一1 ：t 。；沁：。“- ! 。i 匝旧瀑艘。o。o刊 第三章厂房结构的静力分析 1 6 圃恒倒景苗 ： l ： ： ： ： 窖p l。障p镥 - 圃 日 鲁 ， q 国 目 目； 一 一 目； 日 1 一 目 圜 一 目 一 日 一 _ g 1 国： 目 、 i ；陆 9 缈鹕p镥 第三章厂房结构的静力分析 1 轴立面图 1 6 轴立面图 1 7 第三章厂房结构的静力分析 圃 旧 覆 梁、柱采用的钢材屈服强度为2 3 5 b m p a ，柃条、屋架与柱间支撑采用的钢材 第三章厂房结构的静力分析 强度为2 3 5 m p a ，两种钢材具有相同的弹性模量、质量密度和泊松比，分别为 2 0 6x1 0 3m p a 、7 8 5 0 k g m 3 、0 3 0 。 3 2 工程基本资料取值 ( 1 ) 厂房概况 设计依据 设计中采用的规范 ( 1 ) 、建筑结构荷载规范( g b 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ) ( 2 ) 、建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) ( 3 ) 、冷弯薄壁型钢结构技术规范( g b 5 0 0 1 8 2 0 0 1 ) ( 4 ) 、钢结构设计规范( g b 5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 ) ( 5 ) 、门式刚架轻型房屋钢结构设计规程( c e c s l 0 2 ：9 8 ) ( 6 ) 、建筑钢结构焊接规程( j g j 8 1 - 9 1 ) ( 2 ) 设计荷载 永久荷载：0 2 0 i ( n m 可变荷载：0 3 l ( n m 基本风压：0 4 0 k n m 基本雪压：0 3 5 l ( n m ( 3 ) 结构设计 1 、该车间的结构计算中抗震设防烈度为8 度。 2 、钢柱及钢屋面梁采用q 2 3 5 b 钢材。 3 、屋面檩条、墙梁采用c 型钢其间设置拉条及压杆以保证檩条的整体稳定。 4 、柱间设置压杆，以保证车间结构的纵向稳定。 5 、支承窗的边框与上、下c 型钢的连接为了便于窗的安装采用焊接。 6 、上屋面钢梯见图集0 1 j 9 2 5 - 14 3 页，位置请现场确定。 7 、梁及柱的工厂拼接接头采用直角焊缝的等强对接接头，翼缘焊缝与腹板 焊缝错开2 0 0 。 ( 4 ) 主要材料 1 、刚架柱梁均采用q 2 3 5 b 钢材，抗风柱、屋面檩条、墙梁及柱间支撑采用 q 2 3 5 b 钢材，其抗拉强度、伸长率、屈服点及冷弯机械试验性能符合碳素 结构钢( g b 7 0 0 8 8 ) 的规定要求外，尚应保证碳、磷、硫的含量。刚架所 用主材尚应符合下列规定： ( 1 ) 、钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1 2 。 ( 2 ) 、钢材应有良好的屈服台阶，且伸长率应大于2 0 9 6 。 2 、手工焊接时，采用e 4 3 焊条，其技术条件应符合碳钢焊条( g b 5 1 1 7 8 5 ) 1 9 第三章厂房结构的静力分析 的规定，自动焊或半自动焊的焊丝和焊剂应与主体金属强度相应，焊丝采用 h 0 8 a ，焊丝应符合熔化用钢丝( g b t 1 4 9 5 7 9 4 ) 的规定。 3 、普通螺栓，螺母，垫圈及槽钢的方斜垫圈采用q 2 3 5 b f 钢制作，其外型 尺寸及技术要求须符合g b 5 7 8 0 8 6 ，g b 4 1 - 8 6 ，g b 9 5 8 5 的规定。 4 、钢材、连接材料、焊条、焊丝、焊剂及螺栓、涂料底漆、面漆均应附有 质量证明书。 5 、基础采用混凝土标号c 2 5 ，垫层采用c 1 5 ( 5 ) 、施工 1 、施工中应遵守下列规范 ( 1 ) 、钢结构工程施工质量验收规范( g b 5 0 2 0 5 2 0 0 1 ) ( 2 ) 、混凝土结构工程施工质量验收规范( g b 5 0 2 0 4 2 0 0 2 ) ( 3 ) 、冷弯薄壁型钢结构技术规范( g b 5 0 0 1 8 2 0 0 1 ) ( 4 ) 、压型金属板设计施工规程( y b j 2 1 6 8 8 ) ( 5 ) 、建筑钢结构焊接规程( j g j s l - 9 1 ) 2 、焊接质量检验等级：所有工厂对接焊缝以及坡口焊缝按照( g b 5 0 2 0 5 9 5 ) 中的二级检验，其它焊缝按三级检验。 3 、板材对接接头要求等强焊接，焊透全截面，并用引弧板施焊，引弧板割 去处应予打磨平整，腹板与翼缘对接接头应错开2 0 0 毫米以上，并注意避开 加劲肋。 4 、未注明焊缝高度工厂焊6 m m ，现场焊8 m ，满焊。( 或等于焊件中较薄板 件的厚度) 5 、所有节点零件以现场放样为准。 6 、梁拼接、梁柱连接要求在工厂预拼接。 7 、构件在运输吊装时，应采取加固措施防止变形和损坏。 8 、柱脚锚栓采用双螺母，待柱子安装、校正、定位后，将垫板与柱底板焊 牢，防止松动，在柱底板下灌c 3 0 膨胀细石混凝土或灌浆料。 9 、钢结构安装完成受力后，不得在主要受力构件上施焊。 1 0 、结构安装工作应精心组织，采取有效措施，保证结构安装过程中受力合 理结构稳定。 ( 6 ) 、除锈及防火 1 、除锈 所有钢结构制品在刷防锈漆前应进行彻底除锈，除锈等级要求达到s t 2 标准。 2 、涂装 2 0 1 、譬嘴扒啪嘛嗍懈枞岫棚标 3 3 荷载计算及荷载组合 耋一萝一端瀑 7 j o o ， 如延 图3 一i 厂房横断面 2 l 第三章厂房结构的静力分析 梁、柱的截面见图3 - - 5 ( 图中尺寸单位均为m m ) 。 3 3 2 荷载标准值的取值 对于单层厂房结构，需要考虑的荷载有恒载( 屋面材料、墙体材料、结构构 件自重) ，屋面荷载( 屋面活荷载或雪荷载和积灰荷载) ，吊车荷载( 吊车水平力和 竖向力) ，风荷载。 1 ) 恒载： 屋盖：钢梁 1 2 9 6 2 8 7 8 0 1 0 6 7 8 5 0 x 9 8 1 7 5 1 k n 0 5 3 m m 厚v 8 2 0 镀铝锌彩钢板 1 2 9 6 2 ( 6 0 5 3 1 0 3 x 7 8 5 0 ) x 9 8 = 6 3 4k n 1 0 0 r a m 厚玻璃棉 1 2 9 6 2 x ( 6 0 1 x 0 8 ) = 1 2 4 4k n 0 5 3 m m 厚v 一7 6 0 镀铝锌彩钢板 1 2 9 6 2 ( 6 0 5 3 1 0 。3 x7 8 5 0 ) x 9 8 = 6 3 4k n 吊车梁：( 单根，取6 m 长) 6 1 8 1 2 0 1 0 4 x7 8 5 0 x 9 8 = 8 3 6 k n 柱：( 单根) 1 2x1 5 9 8 0 1 0 吨x 7 8 5 0x9 8 = 1 4 7 5 k n 维护墙：( 一个计算单元内单面墙) 0 5 3 m m 厚v 一8 2 0 镀铝锌彩钢板 1 2 6 0 5 3 1 0 3 x 7 8 5 0 9 8 = 2 9 4 k n 1 0 0 m m 厚玻璃棉 1 2 6 0 1 0 8 = 5 7 6 k n 0 5 3 m m 厚v 一7 6 0 镀铝锌彩钢板 1 2 6 x 0 5 3 1 0 - 3 7 8 5 0 x 9 8 = 2 9 4 k n 2 ) 活载： 屋面均布活荷载：不上人屋面，屋面均布活荷载取0 5 k n m = ； 雪荷载： & = , u r s 0 = 1 0 0 1 5 = 0 1 5 k n m 2 式中：s 。一雪荷载标准值( 1 ( n m 2 ) ； 以一屋面积雪分布系数；取, u r = 1 0 ； s o 一基本雪压( k n 加2 ) ；采用建筑结构荷载规范中给出的5 0 第三章厂房结构的静力分析 年一遇的雪压值。