建筑钢结构教案.doc

成都理工大学简直钢结构课程教 案教师姓名： 高 涌 涛 所在学院：环境与土木工程学院授课专业： 建 筑 工 程 课程代码： 0301B332 总 学 时： 40 学分： 2.5 教材名称： 钢结构设计 2011年2月21日授课时间8课时授课题目单层工业厂房教学目的与要求：目的：了解钢屋架的特点、应用和发展状况，掌握钢屋架的设计方法。要求：了解钢屋架发展概况、特点、应用范围；掌握钢屋架的主要结构体系；掌握钢屋架的设计方法。教学基本内容：钢屋架的结构选型和结构布置；钢屋架荷载和结构分析；钢屋架的屋盖结构设计；型钢吊车梁系统的设计；排架结构中框架柱的结构设计；排架柱间支撑和端柱抗风体系设计。7.1.1 屋盖结构体系钢屋盖由屋面、屋架和支撑组成。其它：托架、天窗、檩条等。 无檩体系：一般用于预应力混凝土大型屋面板等重型屋面，将屋面板直接放在屋架上。 有檩体系：常用于轻型屋面材料的情况。 7.1.2 屋架的形式确定屋架形式的原则：1.满足使用要求屋架外形应与屋面材料的排水要求相适应。2.满足经济要求 屋架外形应尽量和弯矩图接近，使上下弦杆 内力沿跨度方向分布较均匀，腹杆受力较小； 腹杆的布置宜使短杆受压，长杆受拉； 荷载布置在节点上，减少弦杆局部受弯。3.满足制造、安装和运输要求 构造简单，杆件夹角3060； 杆件与节点数量少； 分段制造，便于运输与安装；三角形屋架 按腹杆布置方式不同有： 芬克式人字式 单斜式 梯形屋架 特点： 外形和弯矩图不相适应，弦杆内力分布不均匀，近支座处内力大，近跨中处小，横向刚度小。 上下弦交角小，端节点构造复杂。可将上弦或下弦改变为折线形或陡坡梯形，以改善受力和节点构造。 按腹杆布置方式不同有： 人字式 单斜杆式 特点：多数腹杆受压，杆件数量多，总长大，应用少。 特点 外形和弯矩图比较接近，弦杆内力沿跨度分布较均匀，用料经济，应用广泛。 适用范围 适用于屋面坡度平缓且跨度较大时的无檩屋盖结构。 屋架高度 梯形屋架的中部高度一般为（1/101/8）L，与柱刚接的梯形屋架，端部高度一般为（1/161/12）L，通常取为2.02.5m。 与柱铰接的梯形屋架，端部高度可按跨中经济高度和上弦坡度决定。3.人字形桁架上、下弦可为平行，坡度为1/201/10，节点构造较为统一；上、下弦可以具有不同坡度或下弦有一部分水平段，以改善屋架受力情况。跨中高度一般为2.02.5m，跨度大于36m时可取较大高度但不宜超过3m；端部高度一般为跨度的1/181/12。 4.平行弦屋架上、下弦杆水平，杆件和节点规格化、便于制造。屋架的外形和弯矩图分布不接近，杆件内力分布不均匀。一般用于托架和支撑体系。7.2 屋盖支撑平面屋架在屋架平面外的刚度和稳定性很差，不能承受水平荷载。因此，为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性，必须在屋架间设置支撑系统。7.2.1 支撑的作用 保证屋盖的整体性，提高空间刚度 仅由平面桁架、檩条及屋面材料组成的屋盖结构，是一个不稳定的体系，如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来，成为稳定的空间体系，其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上，就保证了整个屋盖结构的稳定。 避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动 支撑可作为屋架弦杆的侧向支撑点，减小弦杆出平面外的计算长度。 承担和传递水平荷载（如纵向和横向风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震作用等）。 保证结构安装时的稳定与方便 屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本空间稳定体，在此基础上即可顺序进行其他构件的安装。7.2.2 支撑的布置1上弦横向水平支撑上弦横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段两端的第一柱间或第二柱间，其最大间距为60m，否则在中间应增设一道或几道支撑。有时可将其布置在第二个柱间，但在第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。 2下弦横向水平支撑当屋架间距12m时，尚应在屋架下弦设置横向水平支撑，一般和上弦横向水平支撑布置在同一柱间以形成空间稳定体系的基本组成部分。 但当屋架跨度比较小（18m）又无吊车或其他振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。3纵向水平支撑当房屋较高、跨度较大、空间刚度要求较高时，设有支承中间屋架的托架，或设有重级或大吨位的中级工作制桥式吊车等较大振动设备时，均应在屋架端节间平面内设置纵向水平支撑。 一般情况可以省掉。屋架间距12m时，通常布置在屋架下弦平面。屋架间距12m时，宜布置在屋架的上弦平面内。4垂直支撑垂直支撑联系屋架上、下弦水平支撑，并和屋架水平支撑一起形成几何不变的屋盖空间结构，是上弦横向水平支撑的支承点，在屋盖安装过程中保证屋盖稳定。屋架的垂直支撑应与上、下弦横向水平支撑设置在同一柱间。5系杆作用：系杆能保证无横向水平支撑的所有屋架在上弦杆平面外的稳定和安装时屋架的稳定，第一柱间的刚性系杆能将山墙的风荷载传到横向水平支撑。 设置：在横向支撑或垂直支撑节点处应沿房屋通长设置系杆。在屋架上弦平面内，对无檩体系屋盖应在屋脊处和屋架端部处设置系杆；对有檩体系只在有纵向天窗下的屋脊处设置系杆。 系杆分刚性系杆（既能受拉也能受压）和柔性系杆（只能承受拉力）两种。屋架主要支承节点处的系杆，屋架上弦脊节点处的系杆均宜用刚性系杆。 7.2.3 支撑的计算和构造屋架支撑为平行弦桁架，其弦杆可兼作支撑桁架的弦杆，斜腹杆一般采用十字交叉式，与弦杆的交角在30o60o之间。通常横向水平支撑节点间的距离为屋架上弦节间距离的24倍，纵向水平支撑的宽度取屋架端节间的长度，一般为6m左右。支撑中的交叉斜杆以及柔性系杆按拉杆设计，通常用单角钢做成；非交叉斜杆、弦杆、横杆以及刚性系杆按压杆设计，宜采用双角钢做成的T形截面或十字形截面，其中横杆和刚性系杆常用十字形截面使在两个方向具有等稳定性。 屋盖支撑受力较小，截面尺寸一般由杆件容许长细比和构造要求决定。 7.3 简支屋架设计7.3.1 屋架的内力分析 屋架上的荷载包括恒载、活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载及悬挂荷载等。 （1）基本假定 通常将荷载集中到节点上，并假定屋架各杆均为理想直杆，各杆轴线在同一平面内且汇交于节点中心，各节点均为理想铰接，忽略实际节点产生的次应力。 （2）节间荷载引起的局部弯矩节间荷载作用的屋架，除把节间荷载分配到相邻节点外，还应计算节间荷载引起的局部弯矩。（3）内力计算与荷载组合 全跨恒载+全跨活载：即全跨永久荷载+全跨屋面活载或雪荷载（取较大值）+全跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。 全跨恒载+半跨活载：即全跨永久荷载+半跨屋面活载（或半跨雪荷载）+半跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。 采用大型混凝土屋面板的屋架，尚应考虑安装时可能的半跨荷载：即屋架、支撑和天窗自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载。 7.3.2 杆件的计算长度和容许长细比 1. 杆件的计算长度 (1)在桁架平面内 A.弦杆、支座斜杆、支座竖杆：本身线刚度大，但两端节点嵌固程度较低，视为两端铰接杆件。 lox = lB.中间腹杆：两端或一端嵌固程度较大，视为弹性嵌固。lox= 0.8l(2)在桁架平面外 取决于弦杆侧向支承点间距离。(3)腹杆在斜平面内的计算长度单面连接的单角钢和双角钢组成的十字形杆件，受力后有可能斜向失稳，由于两端节点有一定的嵌固作用，故斜平面计算长度略作折减(支座斜杆和支座竖杆除外），l0=0.9l(4)其他如桁架受压弦杆侧向支承点间的距离为两倍节间长度，且两节间弦杆内力不等时，该弦杆在桁架平面外的计算长度按下式计算： 2. 杆件的容许长细比规范中对拉杆和压杆都规定了容许长细比。 7.3.3 杆件的截面形式对轴心受压杆件，宜使杆件对两个主轴有相近的稳定性，即可使两方向的长细比接近相等。基本上采用由两个角钢组成的T形截面或十字形截面形式的杆件，也可用H型钢剖开而成的T形钢代替双角钢组成的T形截面。受力较小的次要杆件可采用单角钢。双角钢杆件的填板：由双角钢组成的T形或十字形截面杆件按实腹式杆件进行计算，必须每隔一定距离在两个角钢间加设填板。填板的宽度一般取5080mm；填板的长度：对T形截面应比角钢肢伸出1020mm，对十字形截面则从角钢肢尖缩进1015mm。填板的厚度与桁架节点板相同。填板的间距对压杆l140i1，拉杆l180 i1；在T形截面中，i1为一个角钢对平行于填板自身形心轴的回转半径；在十字形截面中，填板应沿两个方向交错放置，i1为一个角钢的最小回转半径，在压杆的桁架平面外计算长度范围内，至少应设置两块填板。7.3.4 杆件的截面选择1.一般原则应优先选用肢宽而薄的板件或肢件组成的截面，一般板件或肢件的最小厚度为5mm。角钢杆件或T型钢的悬伸肢宽不得小于45mm。直接与支撑或系杆相连的最小肢宽，应根据连接螺栓的直径d而定。屋架节点板（或T型钢弦杆的腹板）的厚度，可根据腹杆的最大内力（对梯形和人字形屋架）或弦杆端节间内力（对三角形屋架），按教材表7-3选用。跨度较大的桁架（24m）与柱铰接时，弦杆宜根据内力变化改变截面，半跨内一般只改变一次。同一屋架的型钢规格不宜太多，以便订货。当连接支撑等的螺栓孔在节点板范围内且距节点板边缘距离100mm时，计算杆件强度可不考虑截面的削弱。单面连接的单角钢杆件，在按轴心构件计算其强度或稳定以及连接时，钢材和连接的强度设计值应乘以相应的折减系数。2. 杆件的截面选择轴心受拉杆件应验算强度和长细比要求。轴心受压杆件和压弯构件要计算强度、整体稳定、局部稳定和长细比。7.3.5 钢桁架的节点设计1.节点设计的一般要求 以桁架杆件的形心线为轴线并在节点处相交于一点，肢背至轴线的距离为5mm的倍数。 节点处，腹杆与弦杆或腹杆与腹杆之间焊缝的净距，不宜小于10mm，或者杆件之间的空隙不小于1520mm。角钢端部的切割一般垂直于其轴线。有时允许切去一肢的部分，但不允许将一个肢完全切去而另一肢伸出的斜切。节点板的外形应简单而规则，至少宜有两边平行，如矩形、平行四边形和直角梯形等。节点板边缘与杆件轴线的夹角不应小于15。节点板的平面尺寸，一般应根据杆件截面尺寸和腹杆端部焊缝长度画出大样图来确定。2. 角钢桁架的节点设计 一般节点一般节点是指无集中荷载和无弦杆拼接的节点 7.3.4钢屋架施工图施工图的内容：屋架正面详图、上弦及下弦平面图、部分侧面图和零件图、整榀屋架的几何轴线图和材料表。施工图布置：左上角为屋架几何轴线图；图纸正中从上而下依次为上弦平面、屋架正面详图、下弦平面；右上角为材料表；右下角为必要的图纸说明。材料表的内容：所有杆件和零件的编号、规格尺寸、长度、数量（正、反）和重量、整榀屋架的总用钢量。说明的内容：钢材的钢号、焊条型号、加工精度要求、焊缝质量等级、图中未注明的焊缝和螺栓孔的尺寸、防锈及防火处理及其他特殊要求。教学重点和难点：重点：钢屋架屋盖结构的设计方法。难点：钢屋架的典型节点设计和构造要求。教学过程：介绍钢屋架的结构体系；分析系统之间各构件的相互关系和作用；分析屋盖荷载和荷载简化方法和形式；按桁架内力计算方法进行钢屋架杆件内力计算；按照强度和稳定要求选择杆件截面；按照结构受力和构造要求设计节点；按照屋盖稳定和空间构造要求设计支撑系统；按照制图标准绘制屋架结构施工图。思考题、讨论题、作业： 钢屋架的特点是什么？钢屋架的主要结构体系有哪些？ 目前我国钢屋架主要应用于哪些方面？ 影响钢屋架结构的主要因素是什么？ 吊车梁的设计方法和构造要求？角钢屋架和其他屋架的特点比较。参考资料（含参考书、文献等）：钢结构基础：房屋部分，陈绍藩主编.中国建筑工业出版社，2008钢结构原理与设计，夏志斌，姚谏主编. 中国建筑工业出版社，2004房屋钢结构设计，沈祖炎主编.中国建筑工业出版社，2005教学后记：通过本单元的教学，使学生了解了我国钢结构屋架的发展概况，同时对我国的钢结构屋架形式有了一个了解，明晰了我国钢结构屋架的使用特点和主要使用范围，从大量的工程实例中理解了钢结构屋架的主要结构体系和我国建筑钢屋架所经历的三个设计阶段，从而激起大家学习钢结构的兴趣。如果能有真实的钢结构工程参观或钢结构工程的资料短片会让学生加深对钢结构的感性认识。授课时间8课时授课题目轻型门式刚架结构教学目的与要求：目的：了解门式刚架钢结构的力学性能、受力方式、影响因素，以及构造要求。要求：理解门式刚架钢结构的主要力学性能；掌握门式刚架钢结构的内力计算方法；了解门式刚架钢结构的形式；掌握门式刚架钢结构的构造要求。教学基本内容：门式刚架钢结构的形式；门式刚架钢结构的力学性能；门式刚架钢结构的荷载分析；门式刚架钢结构的设计原则。教学重点和难点：重点：门式刚架钢结构的力学性能、荷载分析、构造要求。难点：门式刚架钢结构的构造要求。教学过程：按以下顺序授课门式刚架的特点：（1）质量轻：围护材料均轻质，承重结构用钢量10-30公斤，为同类混凝土结构自重的1/20-1/30，地基处理费用少，地震作用小，风荷载作用大。（2） 工业化程度高，施工周期短，质量易于保证。（3）综合经济效益高：造价略高于砼结构，但设计周期短，加工、安装方便，资金回报快，投资效益高。（4）柱网布置比较灵活一、结构形式按结构体系分：有实腹式和格构式按截面形式分：有等截面和变截面按结构选材分：有普通型钢、薄壁型钢、钢管按跨数分：有单跨和多跨门式刚架体系构成：屋面：单层或夹芯压型钢板（彩钢板）檩条：冷弯薄壁型钢，C形，Z形，工字形主刚架：常用等截面或变截面工字形隅撑：常用角钢支撑：常用张紧的圆钢，在有吊车荷载时柱间支撑用型钢拉条与撑杆：常用小直径圆钢。二、结构布置1、柱网布置：柱距：常用为6m，也可为7.5或9m；跨度：9-36m，对模数的要求可有可无；高度：斜梁与柱轴线交点到柱脚的尺寸一般为4.5-9m。2、变形缝的设置：纵向温度区段300m，横向温度区段150m；设缝措施：设双柱、或在檩条端头开长圆孔3、墙梁布置：作用：固定刚架的外围护构件，安装彩钢板等用如果采用砖砌体时，砖墙应立于钢柱外侧开设圈梁及构造柱布置：安装于刚架柱的外侧，间距根据板材规格并结合计算确定。4、支撑布置：作用：稳定结构体系；柱间支撑：间距：无吊车30-45m，有吊车设于温度区段中部或3分点处且60m布置：与屋盖水平支撑设于同一柱间，不允许有柱间支撑时，设柱间或支撑刚架。屋盖支撑：设于第一（二）柱间，且在刚架转折处沿纵向全长设刚性系杆。屋盖支撑常用20的圆钢，夹角30-608.2 门式刚架计算简图的确定门式刚架钢结构的尺寸应符合下列规定门式刚架的跨度，应取横向刚架柱轴线间的距离；门式刚架的高度，应取地坪至柱轴线与斜梁轴线交点的高度；柱的轴线可取通过柱下端（小头）中心的竖向直线，工业建筑边柱的定位轴线宜取外皮，斜梁的轴线可取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。门式刚架的柱脚多为铰接，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计为刚接。檐口高度，取地坪至房屋外侧檩条上缘的高度；最大高度，取地坪至屋盖顶部檩条上缘的高度；房屋的宽度，取房屋侧墙墙梁外皮之间的距离；房屋的长度，取两端山墙墙梁外皮之间的距离。8.3 门式刚架的荷载计算和荷载组合一、屋面荷载1、永久荷载：屋面板、檩条、支撑、刚架自重；吊顶、管线、天窗、保温通风设施自重。2、可变荷载：屋面均布活荷载，雪荷载、积灰荷载。屋面均布活荷载：当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向荷载的标准值（按水平投影计算）应取0.5kN/m2；对受荷水平投影面积大于60m2刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3kN/m2荷载效应组合的原则：屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；多台吊车的组合应符合现行国家荷载规范的规定；风荷载不与地震作用同时考虑。8.4支撑和刚性系杆的布置支撑和刚性系杆的布置应满足的规定支撑宜用十字交叉圆钢，圆钢与相连构件的夹角宜接近45，不超出3060。圆钢应用特制的连接件与梁、柱腹板连接，校正定位后张紧固定。房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢支撑。当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向框架。8.5刚架的内力和侧移计算1 内力计算变截面门式刚架应采用弹性分析方法确定各种内力。采用有限元法（直接刚度法）编程计算，采用一般结构力学方法（力法、位移法、弯矩分配法等）或利用静力计算的公式、图表进行手算。控制截面：柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。控制截面的内力组合主要有：1）最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值。2）最大弯矩Mmax和同时出现的N及V的较大值。3）最小轴压力Nmin和相应的M及V，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M0。2侧移计算变截面门式刚架的柱顶位移应采用弹性分析方法确定。计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果刚架的侧移不满足要求，可采用：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨刚架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。3梁腹板加劲肋的配置梁腹板应在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋。其他部位是否设置中间加劲肋，根据计算需要确定。规程规定，当利用腹板屈曲后抗剪强度时，横向加劲肋间距a宜取hw2hw。加劲肋稳定性验算按GB50017规范的规定进行，按两端铰接轴心受压构件进行计算。4斜梁和隅撑的设计（1）斜梁的设计当斜梁坡度不超过1：5时，可按压弯构件计算强度和刚架平面外的稳定，不计算平面内的稳定。实腹式斜梁的平面外计算长度，取侧向支承点的间距。5节点设计斜梁与柱的连接及斜梁拼接斜梁与柱的刚性连接，一般采用高强度螺栓端板连接。由端板竖放、端板斜放、端板平放三种形式。斜梁拼接也可用高强度螺栓端板连接，宜使端板与构件外边缘垂直。端板螺栓应成对地对称布置。在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧各设一排，并宜使每个翼缘的四个螺栓的 中心与翼缘的中心重合。节点上的剪力由上边两排抗拉螺栓以外的螺栓承受，第三排螺栓拉力未用足，可以和下面两排（或两排以上）螺栓共同抗剪。螺栓排列应符合构造要求，间距应满足施工的净空要求，通常不小于35mm，螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径，两排螺栓之间的最小距离位3倍螺栓直径，最大距离不应超过400mm。6柱脚门式刚架的柱脚一般采用平板式铰接柱脚，当有桥式吊车或刚架侧向刚度过弱时，则应采用刚接柱脚。计算风荷载作用下柱脚锚栓的上拔力时，应计入柱间支撑的最大竖向分力，此时，不考虑活荷载（或雪荷载）、积灰荷载和附加荷载的影响，同时永久荷载的分项系数1.0。锚栓直径不宜小于24mm，且应采用双螺帽以防松动。柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可用底板与混凝土基础之间的摩擦力（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键承受。7牛腿设计牛腿截面一般采用焊接工字形截面，变截面牛腿端部截面高度不宜小于根部截面高度的一半。在吊车梁下对应位置应设置支承加劲肋。吊车梁与牛腿的连接宜设置长圆孔。牛腿上下翼缘与柱的连接焊缝均采用焊透的对接焊缝，腹板与柱的连接采用角焊缝。8.6压型钢板设计1压型钢板的材料压型钢板的