钢结构特点及应用

钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用 和其他材料的结构相比 钢结构具有下列特点 一 钢结构的重量轻 钢材的容重虽然较大 但与其他建筑材料相比 它的强度却高得多 因而当承受的荷载和 条件相同时 钢结构要比其他结构轻 便于运输和安装 并可跨越更大的跨度 二 钢材的塑性和韧性好 塑性好 使钢结构一般不会因偶然超载或局部超载而突然断裂破坏 韧性好 则使钢结构 对动力荷载的适应性较强 钢材的这些性能对钢结构的安全可靠提供了充分的保证 三 钢材更接近于匀质和各向同性体 钢材的内部组织比较均匀 非常接近于匀质和各向同性体 在一定的应力幅度内几乎是完 全弹性的 这些性能和力学计算中的假定比较符合 所以钢结构的计算结果较符合实际的 受力情况 四 钢结构制造简便 易于采用工业化生产 施工安装周期短 钢结构由各种型材组成 制作简便 大量的钢结构都在专业化的金属结构制造厂中制造 精确度高 制成的构件运到现场拼装 采用螺栓连接 且结构较轻 故施工方便 施工周 期短 此外 已建成的钢结构也易于拆卸 加固或改造 五 钢结构的密封性好 钢结构的气密性和水密性较好 因此一些要求密闭的高压容器 大型油库 气柜 管道等 板壳结构 大多采用钢结构 六 钢结构的耐热性好 但防火性差 众所周知 钢材耐热而不耐高温 随着温度的升高 强度就降低 当周围存在着幅射热 温度在 150 以上时 就应采取遮挡措施 如果一旦发生火灾 结构温度达到 500 以上时 就可能全部瞬时崩溃 为了提高钢结构的耐火等级 通常都用混凝土或砖把它包裹起来 七 钢材易于锈蚀 应采取防护措施 钢材在潮湿环境中 特别是处于有腐蚀介质的环境中容易锈蚀 必须刷涂料或镀锌 而且 在使用期间还应定期维护 这就使钢结构经常性的维护费用比钢筋混凝土结构高 另外 钢结构价格比较昂贵 钢材又是国民经济各个部门必需的重要材料 从全局观点来 看 建筑中钢结构的应用就受到一定的限制 并且设计时要尽量节约钢材 但若采用其他 建筑材料不能满足要求或不经济时 则可考虑采用钢结构 当前钢结构在我国的合理应用范围大致有如下几个方面 一 大跨度结构 用于大会堂 体育馆 展览馆 影剧院 飞机库 汽车库等 采用的结构体系主要有框架 结构 拱架结构 网架结构 悬索结构和预应力钢结构 二 厂房结构 如冶金工厂的平炉车间 初轧车间 混铁炉车间等 重型机器厂的铸钢车间 水压机车间 锻压车间等 造船厂的船台车间 飞机制造厂的装配车间等 这些车间的主要承重骨架往 往全部或部分采用钢结构 三 高层建筑 用于旅馆 饭店 公寓 办公楼等高层楼房 四 塔桅结构 用于电视塔 微波塔 高压输电线路塔 化工排气塔 大气监测塔 石油钻井塔 火箭发 射塔以及无线电桅杆等 五 板壳结构 冶金 石油 化工企业中大量采用钢板造成的容器 如大型储液库 煤气库 高炉 热风 炉等 六 可拆卸结构 用于装配式活动房屋 临时性展览馆等 七 轻钢结构 用于中 小型房屋 钢结构的节点类型及形式钢结构的节点类型及形式 一 梁与柱刚接连接 1 H 形柱强轴与 H 形梁连接 翼缘剖口焊 腹板高强螺栓连接 2 H 柱强轴带悬臂梁与 H 梁连接 悬臂梁段与柱和与中间梁段均为全焊连接 腹板 用安装螺栓固定 3 H 柱强轴带悬臂梁与 H 梁连接 悬臂梁段与柱全焊连接 与中间梁段翼缘焊接 腹板用高强螺栓 连接 4 H 形柱弱轴与 H 形梁连接 翼缘剖口焊 腹板高强螺栓连接 5 H 形柱弱轴带悬臂梁与 H 梁连接 悬臂梁段与柱和与中间梁段均为全焊连接 腹 板用安装螺栓固定 6 H 形柱弱轴带悬臂梁与 H 梁连接 悬臂梁段与柱全焊连接 与中间梁段翼缘焊接 腹板用高强螺栓 连接 7 箱形柱与 H 形梁连接 翼缘剖口焊 腹板高强螺栓连接 8 箱形柱带悬臂梁与 H 形梁连接 悬臂梁段与柱和与中间梁段均为全焊连接 腹板 用安装螺栓固定 9 箱形柱带悬臂梁与 H 形梁连接 悬臂梁段与柱全焊连接 与中间梁段翼缘焊接 腹板用高强螺栓 连接 10 圆管柱带悬臂梁与 H 形梁连接 悬臂梁段与柱全焊连接 与中间梁段翼缘焊接 腹板用高强螺栓 连接 11 十字形柱与 H 形梁连接 翼缘剖口焊 腹板高强螺栓连接 12 十字形柱带悬臂梁与 H 形梁连接 悬臂梁段与柱和与中间梁段全部焊接 腹板 用普通螺栓固定 二 梁与柱铰接连接 1 H 形柱强轴与 H 形梁连接 连接板与梁腹板用高强螺栓连接 2 H 形柱弱轴与 H 形梁连接 连接板与梁腹板用高强螺栓连接 3 箱形柱与 H 形梁连接 连接板与梁腹板用高强螺栓连接 4 十字形柱与 H 形梁连接 连接板与梁腹板用高强螺栓连接 5 圆管形柱与 H 形梁连接 连接板与梁腹板用高强螺栓连接 三 主梁与次梁连接 1 H 形次梁与 H 形主梁的简支连接 次梁腹板伸入主梁翼缘内 腹板用高强螺栓连 接 2 H 形次梁与 H 形主梁的简支连接 主梁加劲肋伸出与次梁连接 腹板用高强螺栓 连接 四 支撑连接 1 斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与工字形柱强轴和工字形梁连接 2 斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与工字形柱弱轴和工字形梁连接 3 斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与箱形柱和工字形梁连接 4 斜杆为双槽钢或双角钢组合截面在横梁上的连接 5 斜杆为 H 型钢与 H 型柱强轴和工字形梁连接 6 斜杆为 H 型钢与 H 型柱弱轴和工字形梁连接 7 斜杆为 H 型钢与箱形柱弱轴和工字形梁连接 8 斜杆为 H 型钢在横梁伸臂上的连接 9 斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与工字形柱强轴在柱脚连接 10 斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与工字形柱弱轴在柱脚连接 11 斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与与箱形柱在柱脚连接 12 斜杆为 H 型钢与 H 型柱强轴在柱脚连接 13 斜杆为 H 型钢与 H 型柱弱轴在柱脚连接 14 斜杆为 H 型钢与箱形柱在柱脚连接 15 斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与节点板十字交叉连接 16 斜杆为 H 型钢十字交叉连接 五 柱拼接 1 H 形截面柱拼接 等截面 双边变截面 单边变截面 2 箱形截面柱拼接 等截面 双边变截面 单边变截面 3 圆管形柱拼接 4 十字形柱拼接 六 柱脚连接 1 H 形截面柱刚接连接 一 二 三 2 箱形截面柱刚接连接 一 二 三 3 十字形截面柱刚接连接 4 圆管柱刚接连接 5 H 截面柱铰接连接 6 箱形截面柱铰接连接 7 十字形柱铰接连接 8 圆管柱铰接连接 七 其它连接 1 剪力墙与 H 形钢梁的铰接连接 2 混凝土柱与 H 形梁连接 钢屋盖钢屋盖 11 3 1 钢屋架 1 钢屋架形式 屋架的形式很多 常用的钢屋架形式主要有三角形屋架 梯形屋架 平行弦屋架 多边形 屋架等 1 三角形屋架坡度大 i 1 3 1 2 上 下弦全长受力不均匀 支座附近内力较大而跨 中较小 腹杆长度较长 当用于大跨度时三角形屋架不够经济 由于方便运输 故应用较 广 2 梯形屋架可用于坡度小于 1 3 的屋盖 弦杆内力比较均匀 图 11 12c 12d 梯形 屋架在工业厂房中应用较广 3 平行弦屋架可用作单坡屋架及屋盖结构中的托架 图 11 12e 4 多边形屋架有上弦弯折及下弦弯折两种 上下弦杆相交的角度较大 使弦杆内力较小 上弦弯折后 在节点处需垫高 使屋面仍保持在一个坡度上 图 11 12f 采用下弦弯折 多边形屋架可使房屋总高度减小 但仅用于没有悬挂起重设备的房屋 图 11 12g 2 屋架杆件的受力特点 上弦杆一般为受压杆件 当有节间荷载时为压弯构件 下弦杆为受拉杆件 当有节间载荷 时为拉弯构件 腹杆为轴心受拉杆件或轴心受压杆件 3 钢屋架节点 屋架的弦杆和腹 杆一般采用两个 对称的角钢组成 通过节点板焊接 连接形成整体 在节 图 11 12 屋架形 式 点处 杆件重心 线应交于一点 节点板厚度常用 10 12mm 弦杆 和腹杆 腹杆与 腹杆之间的间隙 C 不应小于 20mm 不直接承受动力荷载 及 50mm 直接承受动力荷载 相邻角焊缝焊趾间净 距不应小于 5mm 焊接吊车桁架另有规定 节点形式很多 现叙述几种节点 1 下弦中间节点 如图 11 13 所示 节点板在所有杆件的两角钢之间 其下边伸出下弦肢背 10 15mm 在 满足焊缝长度及杆件距离情况下 定出合理的节点板形状与尺寸 2 上弦中间节点 上弦有檩条时 节点板应低于角钢肢背 形成槽焊缝 图 11 13b 3 屋脊节点 上弦杆在脊点处应用相同号数的角钢进行拼接 为使拼接角钢与上弦杆之间密合和便于焊 接 需将拼接角钢的肢背角尖削除 并将垂直肢切去一个三角形 冷弯后焊缝对接 图 11 14 下弦中间节点 上弦中间节点 图 11 13 下弦 上弦中间节点 图 11 14 屋脊节点 4 支座节点 钢屋架支座节点大都采用平板式支座 由节点板 加劲肋 支座底板及锚栓等组成 加劲 肋在支座节点中心 下弦杆高于支座底板 h 130mm 图 11 15a 为三角形屋架支座节点 图 11 13b 为梯形屋架支座节点 图 11 15 支座节点 11 3 2 屋架支撑 支撑是屋盖结构中不可少的重要构件 其主要作用是增加屋盖结构的空间刚度 保证结 构几何不变和稳定性 以及传递作用于屋盖的水平力 根据支撑设置的部位不同有上弦横 向水平支撑 下弦横向水平支撑 下弦纵向水平支撑 屋架垂直支撑和系杆等 当有天窗 时 还应注意天窗架间支撑 1 上弦横向支撑一般布置在房屋的两端和温度缝的两侧开间 间距控制在 50 60m 超 过后中间增设一道或几道 位于两榀屋架之间的上弦杆斜平面内 当房屋较长时 每隔离 50 60 米再增加一道 其作用减小上弦计算长度 平面外 与屋架组成空间体系 保证屋架 上弦的稳定性 图 11 16 2 下弦横向水平支撑一般布置在上弦横向水平支撑的同一开间 当屋架下弦有悬挂设 备或下弦弯折的屋架或山墙抗风柱支承于屋架下弦时 必须设置 图 11 17 3 下弦纵向水平支撑一般都布置在屋架的两端部节间 与屋架下弦横向水平支撑组成 封闭的水平支撑系统 当厂房振动较大或有托架时必须设置 4 屋架垂直支撑布置在屋架之间 并与上下弦横向水平支撑在同一开间 在梯形屋架 两端支座处也应布置 当横向水平支撑相隔较远时 可每隔 4 5 榀屋架设置 屋架垂直支 撑的主要作用是保证屋架的稳定和承受纵向水平力 屋架垂直支撑可设计成平行弦桁架 5 系杆一般设置在屋架上下弦节点之间 沿房屋长度方向统长布置 以保证无横向支 撑的各屋架的稳定 当屋架上弦已有檩条或大型屋面板时 一般可不再设上弦系杆 系杆 可用角钢组成 图 11 16 上弦横向支撑 图 11 17 下弦横向支撑 钢结构的支撑体系钢结构的支撑体系 支撑系统属钢结构体系中一个次要的部分 但又是 个必不可少的部分 在门式刚架钢结构中 支撑体系有重要的功能 主要表现在 保证总体结构和单个构件的稳定性 传递水平作用至基础和辅助安 装工程等 对于平面布置复杂的结构 支撑系统还有利于结构刚度的调整 使结构受力均匀 合理 提高 其整体性 本章将系统介绍门式刚架轻型钢结构房屋的屋盖水平支撑 柱间支撑及其他支撑的功能 设置原则 节点构造和截面承载力验算等方面的内容 同时 还将就支撑内力分析的有关问题展开讨论 第一节 支撑系统的功能 设置原则与构造 1 支撑系统设置原则 门式刚架钢结构中 支撑系统可分为屋盖水平支撑 柱间支撑及其他辅助支撑系统 支撑系统设置的基本原则为 明确 合理简捷地传递纵向荷载 尽量缩短传力途径 保证结构体系平面外的稳定 为结构和构件的整体稳定性提供侧向支撑点 方便结构的安装 满足必要的强度 刚度要求 具有可靠的连接 在门式刚架钢结构房屋中 针对不同类别的支撑 还存在一些具体的规定和要求 1 屋盖水平支撑 屋盖水平支撑和柱间支撑是一个整体 共同保持结构的稳定 并将纵向水平荷载通过屋盖水平支撑 经柱间支撑传至基础 为保证结构山墙所受纵向荷载的传递路径简短 快捷 屋盖横向水平支撑应设置在建筑物 0 或建筑 物温度区段的两端开间内 以求直接传递山墙荷载 如第 开问内不能设置时 可设置在第二开间内 但 必须注意 第一开间内相应传递水平荷载的杆件应该设计成压杆 当建筑物或温度伸缩区段较长时 应增 设一道或多道水平支撑 间距不得大于 60m 当结构简单 对称且各跨高度一致时 屋盖水平支撑相对简单 即在满足温度区段长度条件下 可 仅在端开间设置 图 4 1 1 在建筑物内 当柱列有不同柱距时 或当建筑物有高低跨变化时 应设置纵向水平支撑提高结构的 整体性 调整结构抗侧刚度的分布 以求减小各刚架柱侧向水平位移的差异 使结构受力均匀 合理 当 建筑平面布置不规则时 如有局部凸出 凹进 抽柱等情况时 为提高结构的整体抗侧力 在上述区域均 需设置纵 横向封闭的连续水平支撑系 檩条是屋盖结构体系中次要的承重结构 它将屋面荷载传递到刚架 檩条一只有一层 即直接搁置在 刚架斜梁上 如果主刚架的间距过大 同时又不设置托梁 若仅设置一层檩条会出现挠度过大 截面不经 济等不合理现象 则可增设一层次梁 此时 屋面荷载先传到檩条上 再通过次梁传到刚架斜梁上 在屋脊处有气楼时 檩条尚须承受