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钢结构设计 浙江大学建筑工程学院钢结构研究室 2020年3月18日 浙江大学钢结构研究室 1 2020 3 18 可编辑 2 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 2020 3 18 可编辑 3 结构选型与布置 钢结构体系选择 根据结构的受力情况 使用功能等方面选择最有效率 适合现有制造水平的 安全性好 造价低的 结构布置 平面布置 竖向布置 支撑布置 维护结构布置等等返回下一页 2020 3 18 可编辑 4 钢结构体系与组成构件 结构荷载 竖向荷载 水平荷载结构传力体系 竖向荷载传递体系水平荷载传递体系结构体系就是两种体系的结合 2020 3 18 可编辑 5 确定选用的钢材牌号 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 结构形式 应力状态 拉应力或压应力 板件厚度Q235 Q345 Q390 Q420返回 2020 3 18 可编辑 6 建立结构的计算简图 确定其所受的各类荷载 结构计算简图 符合实际情况 尽量简化 依据简图导算荷载竖向荷载 永久荷载D可变荷载L雪荷载其他竖向荷载 积灰荷载 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 返回 2020 3 18 可编辑 7 按不同荷载分别进行结构内力分析 进行内力组合 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 一般组合 1 35D 0 7x 1 4L 恒荷载控制1 2D 1 4L1 2D 1 4L 0 6x1 4W活荷载为主的有风组合1 2D 1 4x0 7 或0 9 L 1 4W风荷载为主的组合0 9 1 0 D 1 4W风荷载为主倾覆验算1 2 D 0 5L 1 3E地震工况D 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 返回 2020 3 18 可编辑 8 三角形屋架 内力组合通常只考虑一种情况 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 对芬克式和扇式三角形屋架 这里需说明3点 1 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 2 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 3 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1 0 2020 3 18 可编辑 9 梯形屋架 内力组合时通常都需考虑以下几种基本组合 1 永久荷载 雪荷载和屋面均布可变荷载中的较大值 考虑满跨荷载 2 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 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 3 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 2020 3 18 可编辑 10 进行各构件的截面设计 初估截面截面验算构造要求返回 2020 3 18 可编辑 11 进行构件相互间的连接设计 各种连接的构造传力路线计算内容返回 2020 3 18 可编辑 12 绘制施工详图 编制材料表 施工图包括 结构设计总说明布置图 构件布置与编号 构件和节点详图必要说明材料表 2020 3 18 可编辑 13 2020 3 18 可编辑 14 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 屋盖的设计 2020年3月18日 浙江大学钢结构研究室 15 2020 3 18 可编辑 16 屋盖的组成 屋架 支撑系统 屋面系统 2020 3 18 可编辑 17 2020 3 18 可编辑 18 屋面系统 有檩体系 无檩体系 2020 3 18 可编辑 19 屋架的名义跨度和计算跨度 两相邻柱列定位轴线间的距离为屋架的名义跨度L屋架左右两支座中心线间的距离为屋架的计算跨度l 计算跨度常取名义跨度减去300mm 2020 3 18 可编辑 20 屋架间距 一般应由设计人员按经济要求确定 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实际设计时屋架间距l约为屋架跨度的1 3 1 5常用间距 6m 压型钢板屋面 6 12m 2020 3 18 可编辑 21 屋盖平面尺寸 当区段长度超过某规定值时 需设置伸缩缝 最常用的设置方法是在伸缩缝处设置双柱 2020 3 18 可编辑 22 屋架概述 2020年3月18日 浙江大学钢结构研究室 23 2020 3 18 可编辑 24 平面桁架的外形 三角形 梯形 平行弦 人字行 多边形 2020 3 18 可编辑 25 上弦坡度 主要由屋面材料确定 1 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 2 油毡防水屋面则要求 因此常用的梯形屋架3 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 2020 3 18 可编辑 26 屋架的适用跨度 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 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24 27m以下 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 屋架外形图与弯矩图的比较 2020 3 18 可编辑 27 屋架的高跨比 对三角形屋架 1 4 1 6 与柱刚接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 与柱铰接的梯形屋架的常用端部高度2m左右 保证连续性 平行弦桁架的经济高度常为其跨度1 15的左右 2020 3 18 可编辑 28 平面桁架的腹杆体系 布置原则1 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 2 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 3 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35 55 范围内 目的都是减小腹杆的截面积 屋架的支撑系统 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 2020年3月18日 浙江大学钢结构研究室 29 2020 3 18 可编辑 30 支撑系统图 2020 3 18 可编辑 31 2020 3 18 可编辑 32 2020 3 18 可编辑 33 支撑系统作用 保证桁架结构的空间几何稳定性 及几何形状不变保证桁架结构的空间刚度和空间整体性为桁架弦杆提供必要的侧向支撑点承受并传递水平荷载保证结构安装的稳定和方便防止构件在动力荷载作用下产生较大的振动 2020 3 18 可编辑 34 横向支撑 布置在屋架上下弦和天窗架上弦平面 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横向支撑一般应设置在房屋两端 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 2020 3 18 可编辑 35 2020 3 18 可编辑 36 纵向支撑 布置在屋架上弦或下弦 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 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 与横向支撑构成环路 2020 3 18 可编辑 37 2020 3 18 可编辑 38 2020 3 18 可编辑 39 垂直支撑 布置在屋架间和天窗架间 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 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L 30m的梯形屋架和跨度L 24m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 2020 3 18 可编辑 40 2020 3 18 可编辑 41 垂直支撑形式 2020 3 18 可编辑 42 系杆 2020 3 18 可编辑 43 支撑系统与屋架的连接节点 2020 3 18 可编辑 44 屋盖设计的内容和屋架的内力计算 2020年3月18日 浙江大学钢结构研究室 45 2020 3 18 可编辑 46 屋盖设计内容 1 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 2 檩条设计 3 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 4 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 5 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 6 施工详图的绘制包括材料表的编制 2020 3 18 可编辑 47 屋架的荷载 永久荷载 包括屋面材料 保温材料 檩条及屋架 包括支撑及天窗 的自重 屋面均布可变荷载雪荷载风荷载其他荷载 吊顶 积灰 2020 3 18 可编辑 48 屋架的内力计算 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 2020 3 18 可编辑 49 屋架内力包括 构件的轴力 和有节间荷载时的上弦弯矩 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 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支撑自重估计值的1 4 1 5 2020 3 18 可编辑 50 2020 3 18 可编辑 51 2020 3 18 可编辑 52 2020 3 18 可编辑 53 屋架的内力组合 三角形屋架荷载组合 1 2全跨恒荷载 1 4全跨活荷载梯形屋架荷载组合 1 2全跨恒荷载 1 4全跨活荷载 左 右 1 2全跨恒荷载 1 4半跨活荷载 左 右 大型屋面板时 1 2全跨屋架及支撑自重 1 2半跨屋面板自重 1 4半跨活荷载 左 右 桁架杆件的计算长度和容许长细比 2020年3月18日 浙江大学钢结构研究室 54 2020 3 18 可编辑 55 桁架平面内计算长度 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1 0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0 8 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 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 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0 8 2020 3 18 可编辑 56 2020 3 18 可编辑 57 桁架平面外计算长度 在桁架平面外 弦杆的计算长度取其侧向支承点的距离 所有单系腹杆在平面外的计算长度都等于其各自的几何长度 桁架弦杆侧向支承点间距为节间长度2倍时弦杆的平面外计算长度 同样适用再分式腹杆体系中的受压主斜杆和K形腹杆体系的竖杆 2020 3 18 可编辑 58 桁架交叉腹杆所在平面外计算长度 在桁架交叉腹杆所在平面外 当两交叉杆的长度相等时 其计算长度按下列规定采用 2020 3 18 可编辑 59 斜平面计算长度 单角钢截面和双角钢十字截面的腹杆 斜平面计算长度系数可取0 9对支座竖杆则取1 0 当确定交叉腹杆中单角钢杆件 斜平面内计算长度应取节点中心至交叉点的距离 2020 3 18 可编辑 60 桁架构件计算长度 2020 3 18 可编辑 61 容许长细比 2020 3 18 可编辑 62 桁架杆件的截面形式 节点板厚度和角钢间的填板 截面形式图节点构造节点板厚度 表 给出计算规范出处 角钢间的填板 2020年3月18日 浙江大学钢结构研究室 63 2020 3 18 可编辑 64 截面形式 2020 3 18 可编辑 65 节点构造 单节点板双节点板无节点板 2020 3 18 可编辑 66 节点板厚度 表9 1单节点板桁架和屋架的节点板厚度 mm 注 表列厚度系按钢材为Q235钢考虑 当节点板为Q345钢或其它低合金高强度结构钢时 其厚度可较表列数值减小1 2mm 但板厚不得小于6mm 2020 3 18 可编辑 67 在通常设计中仍可按上述表9 1选用节点板厚度而不经计算 仅当遇到重要的节点或拟采用较表9 1规定的板厚为小的节点板时 可按规范的规定进行复核 2020 3 18 可编辑 68 角钢间的填板 填板作用 格构式构件的缀板 设计规范GB50017中规定 用填板连接的双角钢 或双槽钢 构件 可按实腹式构件进行计算 但填板间的距离不应超过下列数值 受拉构件80i 受压构件40i受压构件除满足外 在构件的两个侧向支承点之间的填板数还应不得少于2个 填板的尺寸 厚度 节点板厚度宽度 保证最小焊缝长度 可按构造要求采用 高度 当为T形截面时 角钢连接边宽度 2 10 15 mm 即填板伸出角钢连接边每边10 15mm 当为十字形截面时 填板不伸出角钢轮廓以外 每边缩进15 20mm 以布置焊缝 2020 3 18 可编辑 69 2020 3 18 可编辑 70 桁架杆件的截面设计 注意9点 一 应优先选用厚度较薄的截面 使在相同用钢量下截面具有较大的刚度 截面回转半径 与此同时 还需注意规范中规定的最小截面 规范GB50017规定 在钢结构的受力构件及其连接中不宜采用 厚度小于4mm的钢板 厚度小于3mm的钢管 截面小于 45 4或 56 36 4的角钢 对焊接结构 或截面小于 50 5的角钢 对螺栓连接的结构 2020 3 18 可编辑 71 二 凡需用C级螺栓与支撑杆件相连接的屋架杆件角钢的边长 应注意其所能采用的螺栓最大直径 连接支撑系统的C级螺栓直径一般为d 20mm 拼接处定位用的安装螺栓直径可用d 16mm 直径为18mm的螺栓为不常用规格 必要时才选用 相应的角钢开孔边的最小边长将为70mm和63m 参阅第5章表5 2 三 为减少拼接的设置 屋架弦杆的截面常根据受力最大的节间杆力选用 只当跨度较大 例如大于24m 因角钢供应长度限制而必须设置拼接以接长时 可根据节间内力变化在半跨内改变截面一次 改变截面时宜改变角钢的边长而保持厚度不变 以利拼接 各种型号角钢通常的供应长度见角钢的国家标准 2020 3 18 可编辑 72 四 焊接屋架中 弦杆角钢水平边上连支撑构件的螺栓孔的位置 若位于竖向节点板范围以内并距竖向节点板边缘 100mm时 考虑节点板的参与 计算弦杆净截面时可不计孔对弦杆截面的削弱 否则应考虑其影响 五 由于屋架杆件在屋架平面内和平面外的计算长度有的相同 例如支座斜杆 有的不同 例如一般单系腹杆和上 下弦杆 当采用以角钢组成的T形截面时 应根据图9 18 b 所示相应截面的值 尽可能使两个方向的长细比与相接近 以获得经济的截面 例如一般单系腹杆 此时宜选用两等边角钢 又如弦杆的 2 则宜选用长边外伸的两不等边角钢 但当上弦杆承受节间荷载时 宜改用两个等边角钢 支座斜杆 1 0 则宜选用短边外伸的两不等边角钢 选用截面时 最好能预先得知型钢规格的供应情况 据此选用 则不易造成制造时的截面替代而多费钢材 2020 3 18 可编辑 73 六 当屋架竖杆的外伸边需与垂直支撑相连接 则该竖杆宜采用由双角钢组成的十字截面 十字截面不但刚度大于T形截面 而且还可使垂直支撑对该竖杆的连接偏心为最小 此外当该竖杆位于屋架中央时还可使在工地吊装时屋架的左 右端可以任意放置 如用T形截面 由于截面对杆件轴线为不对称 屋架左 右端不能任意放置 否则各屋架中央竖杆截面的外伸边将不在同一竖向平面 2020 3 18 可编辑 74 七 单面连接的单角钢截面 因连接偏心易使构件受压时弯扭失稳 故只能用于跨度较小的桁架或桁架中受力较小 长度较短的次要腹杆 八 为了便于备料 整榀屋架所用角钢规格品种不宜超过5 6种 当两种规格尺寸相近时 宜尽量使其统一 以减少规格数量 九 屋架的弦杆可选用热轧剖分T型钢 此时腹杆可直接焊接在T型钢的腹板上 省去节点板 2020 3 18 可编辑 75 桁架的节点设计 节点设计时 构造很重要 每种构造都是为了保证使用方便 并确保力的安全传递 不同节点构造有不同的传力路径 节点设计就是先根据受力特点确定节点构造 再计算每一个传力步骤 保证其满足强度要求即可 2020 3 18 可编辑 76 点设计的步骤和一般设计原则 画出节点轴线 轴线交于一点 确定构件的轴心线 依据轴线画出构件外轮廓切断杆件布置焊缝确定节点板外形布置节点板与弦杆焊缝绘制节点大样尺寸标注 杆端到节点距离节点板平面尺寸轴线到肢背距离角钢边长焊缝标注 2020 3 18 可编辑 77 2020 3 18 可编辑 78 主要节点的设计 一般节点a有集中荷载的上弦节点b下弦拼接节点c屋脊拼接节点d支座节点e 2020 3 18 可编辑 79 一般节点 要求验算 弦杆与节点板间的焊缝 由于弦杆在节点处是连续的 因此弦杆与节点板间的焊缝只需抵抗节点左右两弦杆的内力差 2020 3 18 可编辑 80 有集中荷载的上弦节点 2020 3 18 可编辑 81 主要受力 1 承受弦杆两节间的内力差 2 承受檩条传给上弦杆的竖向节点荷载 近似假设 1 弦杆角钢背的槽焊缝承受节点荷载 2 弦杆角钢趾部的两条角焊缝承担内力差和由于内力差与趾部焊缝的偏心距而产生的弯矩 计算公式 P430 2020 3 18 可编辑 82 下弦拼接节点 2020 3 18 可编辑 83 验算内容 1 拼接角钢的截面和长度截面 切角 断肢长度 2 下弦杆与节点板的连接角焊缝 1 传递内力差2 较大内力的15 注意 工厂焊缝与工地焊缝 2020 3 18 可编辑 84 屋脊拼接节点 2020 3 18 可编辑 85 验算内容 1 拼接角钢与弦杆角钢的连接计算及拼接角钢总长度的确定 拼接角钢与受压弦杆的连接可按弦杆中的实际压力设计值进行计算 每边共有4条焊缝平均承受此力 弦杆杆端空隙 2020 3 18 可编辑 86 2 弦杆与节点板的连接计算 内力 弦杆内力的竖向分力与作用在屋脊节点弦杆上的节点荷载之差节点每侧的焊缝按计算由于屋脊节点的节点板宽度相对较大值一般不大 求得的焊缝焊脚