华科土木建筑钢结构设计第一章-n PPT课件

1 建筑钢结构设计 华中科技大学土木工程与力学学院钢结构教研室2018年2月 2 0课程介绍 一 结构 由基本构件组成 连接 的受力体系二 钢结构设计原理与建筑钢结构设计课程区别和联系 区别 材料性能 连接 基本构件 构造要求 理念 知识 方法 对象 共性的节点和基本构件 应力设计 特点 局部 单个 零散 设计原理 3 结构体系 特点 组成 结构布置 荷载及计算 内力计算及组合 理念 知识 方法 对象 具体的结构 概念设计 特点 承载力 刚度 延性 整体局部整体 结构设计 构件 节点设计 施工图设计 4 联系 原理是从具体结构中抽象出来的 是基础 具体结构设计是设计原理的应用和扩展 二者是设计中不可分割两个方面 5 二 建筑钢结构设计课程内容 24学时 32学时 6 三 设计课程学习和思维方法 学什么 难点和重点 重视概念设计 方案设计 重视每一结构体系的特点 特别是受力特点 组成 结构布置 计算简图 设计步骤和方法 把结构看成构件 一栋大厦的结构就是一根悬臂梁 梁的压应力相当于柱子的压力 梁的剪应力相当于楼中的横梁的轴力 楼板相当于加劲肋 内力与应力相照应 一座桁架大铁桥就是一根连续梁 7 8 钢管适合做二力杆 不宜做抗弯构件等 把构件看成结构 一个H型钢构件是由三块板组成 一个钢管相贯的节点就是一个空间结构 把握结构和构件的特性 在设计和生活中学习设计 看到一个建筑物 就要考虑它的内部结构体系 传力方式 受力特点 有何优点和缺点 加深对结构的理解 注重结构知识的积累 9 蛋壳 海螺壳 燕窝 薄壳结构 肥皂泡 冲气薄膜结构蜘蛛网 索网结构 蜂窝 鸟巢 空间网格结构 棕榈树 折板结构 树木 树状结构 竹子 筒体结构 向大自然学习 自然界是结构大师 只有通过不断探索 优化的相对最优 结构设计没有唯一解 10 1概念设计 概念设计 在结构选型与布置阶段 可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系 破坏机理 震害 试验现象和工程经验所获得的设计思想 从全局的角度来确定控制结构的布置及细部构造措施 主要针对水平荷载 是保证结构具有优良抗震性能的一种方法 选择对抗震有利的结构方案和布置 采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施 设计延性结构和构件 分析结构薄弱部位 并采取相应的措施 避免薄弱层过早破坏 防止局部破坏引起连锁效应 避免设计静定结构 采取二道防线措施等等 11 什么是概念设计 1概念设计 概念设计 力学关系 破坏机理 震害 试验现象 工程经验 结构选型与布置 全局的角度来确定控制结构的布置及细部构造措施 设计思想 地震 风 12 减少扭转 增加抗扭刚度 延性结构和构件 避免薄弱层 多道设防 刚柔结合 承载力 刚度 延性为主导 13 1 概念设计不仅用于一些大的原则 如确定结构方案 结构布置等 而是贯穿整个设计过程中 2 不可迷信电脑 应做电脑的主人 人的设计 就是概念设计 3 结构设计不是 规范 计算 更不是 规范 一体化计算机结构设计程序 正确理解 概念设计是在总体上把握抗震设计的主要原则 弥补由于地震作用及结构地震反应的复杂性而造成抗震计算不正确的不足 抗震计算为建筑抗震设计提供定量保证 构造措施则为保证抗震概念与抗震计算的有效性提供保障 它们是一个不可割裂的整体 概念设计 结构计算 构造措施关系 14 土木工程师不仅是可靠的应力计算者 更应该是一个有魄力 足智多谋 能正确判断事物的设计者 设计概念 经验 悟性 判断力 创造力 结构师专业素质 15 珍惜每一次的设计机会 无论大小 都是一个完整的有机结构 都应激发自我的挑战感 创造感和乐趣感 概念 悟性 判断力和创造力不会凭空而来 都是在每一各工程的概念设计中 通过自身不断的反馈 比较 总结才能逐渐积累和充实 16 1 1钢结构的适用范围 钢结构特点 轻质高强 材质均匀 稳定 生产工业化程度高 施工周期短 塑性韧性好 密封性好 耐腐蚀性差 耐火性差 单价较高 钢结构的适用 高 大 重 动 轻 大跨度钢结构重型厂房钢结构受动力荷载影响的结构可拆卸的结构高耸结构和高层建筑容器和其他构筑物轻型钢结构 17 1 2钢材选用 原则 结构或构件的重要性 荷载性质 静载或动载 连接方法 焊接 铆接或螺栓连接 工作条件 温度及腐蚀介质 钢板的厚度 对于重要结构 直接承受动载的结构 处于低温条件下的结构及焊接结构 应选用质量较高的钢材 注意 焊接结构选用B级以上的钢材 如Q235B 钢材强度 刚度控制时 选低等级 强度控制时 选高等级 杆系 如支撑 稳定控制时 如长细比控制 选低等级 18 冲击韧性 质量等级 A B C D E Q235无 按选择因子查表 最高选择因子 3 3 3 3 81 温度 20 C 0 C 20 C 40 C 在冲击荷载作用下结构发生断裂时所吸收的能量 19 表1 1选择钢材冲击韧性指标的影响因数选择因子 表1 2选择因子之积u与质量等级关系 20 1 3钢结构荷载 风荷载 一般指标准值 由基本风压 风振系数 或阵风系数 体型系数 及风压高度变化系数组成 钢结构对风敏感 往往成为控制荷载 吸力和压力 冰 雪荷载和积灰荷载 冰 雪 积灰的自重荷载 冰凌 是过冷却的液态降水 冻雨 碰到地面物体后直接冻结而成的毛玻璃状或透明的坚硬冰层 外表光滑或略有隆突 比重 8 8kN m3 注意 雪荷载与屋面活荷载不同时考虑 取两者中较大者 积灰荷载与屋面活荷载或雪荷载两者中较大者同时考虑 吊车荷载 竖向荷载应乘以动力系数1 05 吊车工作制A1 A5 或1 1 A6 A8 水平荷载见规范 21 吊车等级 22 地震荷载 按 抗震设计规范 GB50011 2001采用 另见P4 概念措施 采用轻质维护材料的板材 提高结构的延性 提高结构和附属体整体抗震阻尼比 温度作用 相对不敏感 大跨和超长结构考虑 1 温差大时 钢结构安装要考虑施工时段 2 超出下表中数值时 应考虑温度应力和温度变形的影响 温度收缩缝 23 24 1 4钢结构计算 1 钢结构的计算 概率极限状态设计法 强度 稳定 变形容许应力法 疲劳 网壳稳定2 承重结构的验算 25 1 钢结构的计算概率极限状态设计法 强度 稳定 变形容许应力法 疲劳 网壳稳定2 承重结构的验算 1 4钢结构计算 26 图1 2极限状态验算公式关系图 27 结构重要性系数 按1 2 3级取 1 1 1 0 0 9 活载组合系数 雪载 0 7 积灰 0 9 吊车 0 7或0 95 硬钩和A8软钩 风载 0 6 1 永久荷载分项系数当其效应对结构不利时 对可变荷载效应控制的组合 应取1 2 对永久荷载效应控制的组合 应取1 35 当其效应对结构有利时 一般情况下应取1 0 对结构的倾覆 滑移或漂浮验算 应取0 9 2 可变荷载的分项系数 一般情况下应取1 4 对标准值大于4kN m2的工业房屋楼面结构的活荷载标准值应取1 3 28 3 结构效应一般满足 1 1 1 3 常遇地震作用时取1 0 此时风组合系数取0 2罕遇地震作用时所有的分项系数均为1 0正常使用极限状态实为广义变形 线位移 角位移 加速度 沉降 长细比等 4 结构抗力R及正常使用限值C 1 钢材强度变化 钢材厚度不同 强度不同 单角钢受力 整体按轴压构件计算时 强度修正 单角钢单肢连接时 连接强度修正 地震作用时强度的提高修正 2 正常使用极限状态下变形限值C 按GB50017 2003查找 预拱问题 楼面 屋面 曲梁 悬臂梁等取拱 荷载启用合适 变形限值应通知其它工种的设计人员 29 1 5结构体系1 5 1结构体系与使用要求结构需满足建筑功能和空间要求框架结构 住宅 办公楼门式刚架 轻工厂房空间结构 拱 壳 索 膜或杂交结构 公共建筑1 5 2主体钢结构的优化设计方向框架结构 选择合适的截面 尽可能大的惯性矩和抗弯模量 同时满足局部稳定要求门式刚架 根据制造分段及内力状况分段确定各段两端截面的高度和尺寸 一般直线变坡 空间结构 单个构件轴心受力 截面尺寸优化 整体几何尺寸或形态优化 找形分析 30 1 5 3辅助结构与主体结构的关系主体结构 梁 柱 桁架 拱 壳 索 膜或杂交结构辅助结构 支撑关系 支撑与桁架或框架结构共同受力 支撑减小主要受力构件的计算长度提高结构体系的整体性 提高结构的整体刚度在施工过程中保持结构的稳定性支撑结构与主体结构相互转换主体结构是支撑结构的支座 31 1 6节点设计1 6 1单元的划分与结合计算单元 根据构件的不同种类 计算精度要求制作单元 便于制作分工 提高标准化 机械化 提高工厂化及效率 运输单元 提高运输效率 节约运输成本 安装单元 考虑安装时间过程 空间状态 设备能力 效率 所有的单元用节点连接成整体 1 6 2节点分类受力分 刚接 半刚接 铰接1 刚接 抵抗和传递M N V变形连续极限状态下 有一定的塑性变形能力 产生内力重分布和抗震耗能 梁与柱刚接 32 2 半刚性连接 有一定的抗弯能力 但抗弯刚度不连续处理 整体计算时 铰接 局部分析时 取合适的计算模型 如刚接或承受一半的弯矩等 梁与柱半刚接 梁腹板与翼缘传递剪力和部分弯矩 33 梁与柱铰接 3 铰接 只承受和传递剪力 对结构变形不敏感 类型 销连接 支座端板的洗平顶紧 专用铰支座 普通螺栓连接 固定铰和滑动铰 1 6 3焊接和螺栓连接1 选择 塔架 螺栓连接其它 焊接和螺栓并用原则 工厂焊接 现场螺栓连接 尽量避免现场高空焊接 趋势 工厂化生产 高效率安装 节约资源和成本 34 2 焊接和螺栓连接中具体方法及质量等级的选择焊接 疲劳动力荷载 全熔透的一级对接焊缝一般动力荷载 全熔透的二级对接焊缝 并采用引弧板其他 三级对接焊缝或角焊缝螺栓焊接 疲劳 动力荷载 摩擦型高强螺栓一般动力荷载 较大静力荷载 承压型高强螺栓或高强度配套螺栓 加防松措施 其他 普通螺栓C级 加防松措施 A B级仅用于单个销连接且长度可调的构件连接 铸钢连接 复杂节点 35 补充 钢结构设计简单步骤和设计思路 1 判断结构是否适合钢结构高 大 重 动 轻 体形复杂 可持续发展住宅2 结构选型与结构布置 结构方案 1 对结构定性 在经验丰富的工程师下进行 2 概念设计 在结构选型与结构布置阶段尤其重要 3 可避免多次修改和试算 提高设计效率 36 3 预估截面 确定梁柱和支撑的断面与尺寸 梁截面高度通常在跨度的1 20 1 40之间选择 根据梁侧向支撑点间的距离 l b 限值确定翼缘宽度 整体稳定 根据局部稳定确定翼缘厚度 柱 长细比预估 通常 简单选择在80左右 结构分析 线弹性分析 可考虑二阶效应 电算或手算 37 工程判定 评估各向周期 总剪力 变形特征等 根据判定结果 确定选择修改模型重新分析还是修正计算结果 不同的软件会有不同的实用条件 初学者应充分明了 此外 工程设计计算与精确的力学计算通常有一定误差 为了获得实用的设计方法 有时会用误差较大的假定 但对这种误差 要通过 适用条件 概念及构造 的方式保证结构的安全 这比定量计算更重要 注重概念设计 工程判定和构造措施 38 构件设计材料 强度控制是可选择 稳定和变形控制时 宜选择 焊接时宜选择选择 或 软件在做构件 柱 的截面验算时 计算长度系数的取定有时不符合规范的规定 对于节点连接情况复杂或变截面的构件 应该逐个检查 截面不满足 强度不足时 通常加大组成截面的板件厚度 其中 抗弯不足加大翼缘厚度 抗剪不足加大腹板厚度 变形超限 通常不应加大板件厚度而应考虑加大截面高度 39 7 节点设计 1 是钢结构设计中重要的内容之一 在分析之前 应该对节点形式有充分的思考和确定 最终设计的节点与模型中的形式不完全一致 应控制在5 内 否则应避免 节点分刚结 铰接和半刚接 连接节点的不同对结构影响较大 有的刚接节点虽然承受弯矩没问题 但会产生较大的转动 不符合结构分析中的假定 会导致实际变形大于计算数据的不利结果 40 2 设计方法有等强设计和实际受力设计 初学者可偏安全选前者 3 焊接 对焊缝的尺寸及形式 质量等级 规范有强制规定 应该严格执行 焊条的选用应与被连接金属材质相适应 E43与Q235 E50对Q345 Q235与Q345连接是选用E43 设计中不得任意加大焊缝 焊缝重心应尽量与被连接构件接近 质量等级不宜要求太高 不要一律按一级或二级质量要求 应根据结构重要性 受力性质 焊缝形式 工作环境及应力状态等情况区别对待 41 4 焊接 铆接很少用 普通螺栓抗剪性能差用在次要结构部位 高强螺栓使用广泛 分8 8级和10 9级 设计分承压型和摩擦型 计算方法不同 最小规格为M12 常用规格为M16 M30 自攻螺钉用于板材与薄壁型钢间的次要连接 42 5 连接板 净截面抗剪和抗拉计算 连接板厚度可简单取为梁腹板厚度加4MM 除短梁或有较大集中荷载的梁外 常不须验算抗剪 6 梁腹板 应验算栓孔处梁腹板的净截面抗剪 承压型型还须验算孔壁局部承压 7 必