钢结构设计讲述

1、钢结构设计1、答：为了给檩条提供侧向支承，减小檩条沿屋面坡度方向的跨度，减小檩条在 施工和使用阶段的侧向变形和扭转。当檩条的跨度 46 m 时，宜设置一道拉 条；当檩条的跨度为 6m 以上时，应布置两道拉条。屋架两坡面的脊檩须在拉条 连接处相互联系， 或设斜拉条和撑杆。Z 形薄壁型钢檩条还须在檐口处设斜拉条 和撑杆。当檐口处有圈梁或承重天沟时，可只设直拉条并与其连接。当屋盖有天 窗时，应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆。 2、答：高波板：波高75mm，适用于作屋面板 中波板：波高 5075mm，适用于作楼面板及中小跨度的屋面板 低波板：波高50mm，适用于作墙面板 3、桁架平面内：弦杆、支

2、座斜杆、支座竖杆-杆端所连拉杆少，本身刚度大，则 l0 x ? l ； l0 x ? 0.8l ； 其他中间腹杆：上弦节点所连拉杆少，近似铰接或者下弦节点处、下弦受拉且刚度大，则 桁架平面外：对于腹杆发生屋架外的变形，节点板抗弯刚度很小，相当于板铰，取 l0 y ? l1 ； l1 范围内， 杆件内力改变时，则 l0 y ? l1 (0.75 ? 0.25 N2 ) N1 2 斜平面：腹杆计算长度 l0 y ? 0.9l4、答：填板间距：对压杆 ld ? 4i ，对拉杆 ld ? 80i ；在 T 形截面中，i 为一个角钢对 平行于填板的自身形心轴的回旋半径；在十字形截面中 i 为一个角钢的最

3、小回旋 半径5、 答：节点板的厚度对于梯形普通钢桁架等可按受力最大的腹杆内力确定，对于三角形普通钢桁架则按其弦 杆最大内力确定； 在同一榀桁架中， 所有中间节点板均采用同一种厚度， 支座节点板由于受力大且很重要， 厚度比中间的增大 2mm；中间节点板厚度与填板厚度相等16、答： 三角形屋架主要用于屋面坡度较大的有檩条屋盖结构中或中、小跨度的轻型 屋面结构中。 梯形屋架一般用于屋面坡度较小的屋盖结构中，现已成为工业厂房 屋盖结构的基本形式。平行弦屋架一般用于单坡屋面的屋架及托架或支撑体系 中。17、 答：吊车梁按结构体系可分为实腹式、下撑式和桁架式。按支承情况分为简支和 连续。实腹简支吊车梁应用

4、最广，当跨度及荷载较小时，可采用型钢梁，否则采 用焊接梁，连续梁比简支梁用料经济，但由于它受柱的不均匀沉降影响较明显， 一般很少应用；下撑式吊车梁和桁架式吊车梁用钢量较少，但制造费工、高度较 大，桁架式吊车梁可用于跨度大但起重量较小的吊车梁中。 18、布置柱网时应考虑哪些因素？ 答：柱网布置主要是根据工艺、结构与经济的要求确定。此外，还要考虑建筑内 其他部分与柱网的协调，如基础、地下管道、烟道等。 19、为什么要设置温度缝？ 答：当厂房平面尺寸很大时，由于温度影响会使构件内产生很大的温度应力，并 导致墙和屋面的破坏，因此要设置温度缝。 20、厂房柱有哪些类型？它们的应用范围如何？ 答：厂房横向

5、框架柱按其形式可分为等截面柱、均匀变截面柱、台阶式柱和分离 式柱。 等截面柱适用于吊车起重量小于 200kN 的车间；均匀变截面柱适用于轻钢 结构厂房；台阶式柱适用于传统厂房；分离式柱一般较台阶式柱费钢材，上部刚 度较小， 但在吊车起重量较大而厂房高度小于 18m 时采用分离式柱，还可用在有 扩建的厂房中，吊车荷载比较大而厂房用压型钢板做屋面的厂房中。11、答：下承式屋架跨度24m 时，或厂房内有振动设备，(A6 级以上)重级工作制桥式吊车或 起重量在 30t 以上中级工作制(A4 级以上)桥式吊车时。 山墙抗风柱支承于屋架下弦时。 屋架下弦设有悬挂吊车(或悬挂运输设备)时。 在屋架下弦平面设

6、置纵向支撑时。 采用弯折下弦屋架时。 12、试述屋面支撑的种类及作用。 答：种类：上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、竖向支撑、系杆。 作用：1、保证屋盖结构的几何稳定性；2、保证屋盖结构的空间刚度和整体性；3、为受压 弦杆提供侧向支撑点；4、承受和传递纵向水平力；5、保证结构在安装和架设过程中的稳定 性。 13、如何确定桁架节点板厚度？一个桁架的所有节点板厚度是否相同？ 答：节点板上应力分布比较复杂，一般不作计算，通常节点板厚度可根据腹杆（梯形屋架） 或弦杆（三角形屋架）的最大内力选用。一个桁架的所有节点板厚度不相同。 14、檩条分实腹式和格构式，这两种结构形式各适用于哪种

7、情况？ 答：实腹式檩条构造简单，制造几安装方便，常用于跨度为 3-6m 的情况；当檩条跨度大于 6m 时，采用格构式檩条。 15、为什么檩条要布置拉条？是不是凡是檩条均配置拉条？ 答：为了给檩条提供侧向支承，减小檩条沿屋面坡度方向的跨度，减小檩条在施工和使用阶 段的侧向变形和扭转，需要设置檩条。不是所有檩条均配置拉条，如空间桁架式檩条和 T 形桁架檩条都不需要设置。6、答：把节间荷载化为节点荷载，计算屋架在节点荷载作用下轴力 计算节间荷载产生的局部弯矩 按压弯构件进行计算 7、钢结构节点设计时应遵循的基本原则是什么？ 答：连接节点应有明确的传力路线和可靠的构造保证。传力应均匀和分散，尽可能减少

8、应 力集中现象。在节点设计过程中，一方面要根据节点构造的实际受力状况，选择合理的结构 计算简图； 另一方面节点构造要与结构的计算简图相一致。 避免因节点构造不恰当而改变结 构或构件的受力状态，并尽可能地使节点计算简图接近于节点实际工作情况。 便于制作、运输和安装。节点构造设计是否恰当，对制作和安装影响很大。节点设计便于 施工，则施工效率高，成本降低；反之，则成本高，且工程质量不易保证。所以应尽量简化 节点构造。 经济合理。要对设计、制作和施工安装等方面综合考虑后，确定最合适的方案。在省工时 与省材料之间选择最佳平衡。尽可能减少节点类型，连接节点做到定型化、标准化。 总体来说， 首先节点能够保证

9、具有良好的承载能力， 使结构或构件可以安全可靠地工作； 其次则是施工方便和经济合理。 8、简述柱间支撑布置的原则。 答：1.承受并传递纵向水平荷载：作用于山墙上的风荷载、吊车纵向水平荷载、纵向地震力 等。2.减少柱在平面外的计算长度。3.保证厂房的纵向则度。 9、选择轴心受压实腹柱的截面时应考虑哪些原则？ 答：1.面积的分布应尽量开展，以增加截面的惯性矩和回转半径，提高柱的整体稳定性和刚 度；2.使两个主轴方向等稳定性，以达到经济效果；3.便于与其他构件连接；4.尽可能构造 简单，制造省工，取材方便。 10、试述上弦横向水平支撑的作用及布置要求。 答：上弦横向水平支撑的作用：为屋架上弦提供侧身

10、支撑，承受山墙传来的风荷载等。 上弦横向水平支撑的布置要求： 上弦横向水平支撑最好设置在屋盖两端或温度区段的第一柱 间。但当两端第一柱间比中部缩进 0.5m 时，也常设在端部第二柱间。上弦横向水平支撑的 间距不宜超过 60m。当房屋纵向长度较大时，应在房屋长度中间再加设置横向水平支撑 26、 答：实腹式檩条设计时可不考虑扭矩，按双向受弯构件计算，需验算强度、整体 稳定和刚度。 27、简述拉条的布置原则。 答：1）跨度小于 4m 可不设拉条，4-6m 在跨中设一道拉条，大于 6m 在 1/3 跨度 处设二道拉条.2） 当屋盖有天窗时， 应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆。 28、钢结构的承载

11、能力极限状态包括以下哪几个方面？ 答：1）整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾覆） 2）结构构件或连 接因材料强度被超过而破坏；3）结构转变为机动体系（倒塌）； 4）结构或构 件丧失稳定（屈曲等）； 5）结构出现过度的塑性变形，而不适于继续承载； 6）在重复荷载作用下构件疲劳断裂 29、简述单层钢结构厂房的结构布置。 答：单层厂房钢结构的组成单层厂房结构必须具有足够的强度、刚度和稳定性， 以抵抗来自屋面、墙面、吊车设备等各种竖向及水平荷载的作用。单层厂房钢结 构一般是由天窗架、屋架、托架、柱、吊车梁、制动梁(或衍架)、各种支撑以及 墙架等构件组成的空间骨架横向平面框架，是厂房的基本承重结构

12、，由框架柱和 横梁(或屋架)构成。承受作用在厂房的横向水平荷载和竖向荷载并传递到基础。 纵向平面框架，由柱、托架、吊车梁及柱间文撑等构成。其作用是保证厂房骨架 的纵向不可变性和刚度，承受纵向水平荷载(吊车的纵向制动力、纵向风力等并 传递到基础。屋盖结构，由天窗架、屋架、托架、屋盖支撑及棱条构成。 30、简述厂房高度的定义，结合下图写出有吊车厂房高度的表达式，并说明该表 达式中各符号的含义？ 厂房高度是指室内地面至柱顶(或屋盖斜梁最低点、或屋架下弦底面)的距离。厂房高度的确 定必须满足生产工艺要求，并应综合考虑空间的合理利用。 对于有吊车的厂房， 不同的吊车对厂房高度的影响各不相同。 对采用支撑

13、式梁式吊车和桥式 吊车厂房来说(图 2.1-6)，厂房高度按式(2.1-3)确定： 式中 轨顶标高。 轨顶至柱顶高度。 需跨越的最大设备高度。 起吊物与跨越物间的安全距离， 一般为 400mm500mm。 起吊的最大物件高度。 吊索最小高度，根据起吊物件的大小和起吊方式决定，一般大于 1m。 吊钩至轨顶面的距离，由吊车规格表中查得。 轨顶至小车顶面的距离，由吊车规格表中查得。 小车顶面至屋盖斜梁最低点或屋架下弦底面之间的安全距离，应考虑屋盖结构的挠 度、 厂房可能不均匀沉陷等因素， 最小尺寸为 220mm， 湿陷性黄土地区一般不小于 300mm。 答：柱顶标高 H = H1 + H2+C 轨顶

14、标高 H1 = h1 + h2 + h3 + h4 + h5 根据厂房建筑模数协调标准的规定，柱顶标高 H 应为 300mm 的倍数。 h1-需跨越的最大设备高度 h2-起吊物与跨越物间的安全距离，一般为 400500mm h3-起吊的最大物件高度 h4-吊索最小高度，由起吊物件的大小和起吊方式决定，一般1 米 h5-吊钩至轨顶面的距离，由吊车规格表中查得 H2-轨顶至吊车小车顶面的距离，由吊车规格表中查得 C-小车顶面至屋架下弦底面之间的安全距离，应考虑到屋架的挠度、厂房可能不均匀沉陷 等因素，最小尺寸为 220mm，湿陷黄土地区一般不小于 300mm。如果屋架下弦悬挂有管 线等其它设施时，

15、还需另加必要的尺寸。”第二次1、解：Tk=220.1(7.2+20)/49.8=26.66kN2、解：用填板连接而成的双角钢T形截面受压构件，若按实腹式受压构件进行计算，则填板间距S40i，对于双角钢T形截面时，i取一个角钢与填板平行的形心轴的回转半径。同时规定受压构件的两个侧向支承点之间的填板数不得少于2个。由于S40i=40ix=401.53=61.2cm，只需设置1块，而受压构件设置的最小数是2块，故该受压腹杆应设置2块。3、解：肢背：hf=t/2=6mm，lw=360-12=348mm。 承受集中力P=37.44kN，则： f=P/20.7hflw=37440/(20.76348)=1

16、3 N/mm2ffw=160N/mm2 肢尖：肢尖焊缝承担弦杆内力差421200N，偏心距e=10-2.5=7.5cm，偏心弯矩： M=N e=42120075=31590000Nmm，hf =8mm，则 N =N/(20.7 hf lw)=421200/(20.78348)=108 N/mm2 M=M/WW=631590000/(20.783482)=140 N/mm2 2N+(M/1.22)21/2=1072+(138/1.22)21/2=158 N/mm2ffw=160N/mm2 满足强度要求4、解：根据钢规第7.2.2条第1款，式（7.2.2-1）及表7.2.2-1、表7.2.2-2，

17、 一个10.9级M16高强度螺栓的抗剪承载力设计值为： Nbv=0.9nfP=0.910.35100=31.5kN 高强度螺栓数量计算：n=V/ Nbv =110.2/31.5=3.29，取4个。5、解： 根据钢结构设计规范（GB50017-2003）第4.1.3条注： h0=700-2(24+28)=596mm，h0/tw=596/13=45.86、H+W1=(N1-N2)cos 则：N1= N2=（ H+W1）/2cos 式中：N1斜拉杆承载力设计值； N2斜压杆承载力设计值；N2=- N17、解：如图所示，绝对最大弯矩将发生在荷载F2或F3下面的截面。 1)梁上荷载的合力：FR=824=

18、328KN 2)确定FR和Fk的间距a 由于F1=F2=F3=F4，故其合力FR和F3的间距应相等，可求得a=1.5/2=0.75m。 3)确定Fk作用点位置 由Fk与FR合力应位于梁中点两侧的对称位置上，因而Fk=F2距跨中为a/2=0.375m。 4)计算绝对最大弯矩 Mmax=FR(l/2-a/2)21/l-Mk=328(5-0.375)21/10-(823.5)=414.6kN.m第三次1、 解： （1）内力计算： 檩条线荷载：pk=0.37 0.808+0.1+0.50 0.75=0.774 kN/m P=1.2 (0.37+0.808+0.1)+1.4 0.50 0.75=1.00

19、4 kN/m 0 Px=psin21.80 =0.373 kN/m Py=pcos21.800=0.932 kN/m 弯矩设计值：Mx=pyl2/8=0.932 62/8=4.19kN.m My=pxl2/32=0.373 62/32=0.42kN.m (2)截面选择及强度验算 选 择 轻 型 槽 钢2、解： 1）解 ： =0.5(1+N 0 /N) 1 / 2 =0.5(1+250/250) 1 / 2 =1.0 l=2.828， 则 平 面 外 ： l 0 = l=2.828m 2 ） 解 ： =0.5(1 -3N 0 /4N) 1 / 2 =0.5(1-3 150/4 150) 1 /

20、2 =0.35 0.5 取 =0.5 ， l 0 = l=0.5 2.828=1.414m 3 ） 解 ：斜 杆 BC ： 承 受 250-150=100 kN 压 力 斜 杆 AD ： 承 受 250+150=400 kN 压 力 =0.5(1+N 0 /N) 1 / 2 =0.5(1+100/400) 1 / 2 =0.791 l 0 = l=0.791 2.828=2.236m 3、解： （1）肢件的选择 设 y=60 查表 y=0.807 则 AN/f=1500000/0.807215=8645mm2 选 236a 查表得 A=47.8cm2 i1=2.73cm iy=13.96cm

21、I1=455cm4 验算：刚度 y=l0y/iy=7500/139.6=53.7=150 y=0.839, N/A=1500000/0.83947.82100=187N/mm2 f=205N/mm2 (2)确定分肢间距 令 ox=y， 1=0.5y=26.85 则 x=(2y-2x)0.5= (2y-2x)0.5= 46.5 ix=l0x/x=7500/46.5=161.3 则 a=2(i2x-i21)0.5=2(161.32-27.32)0.5=318mm 取 a=320mm 验算对虚轴的刚度级稳定性: Ix=2I1+A(a/2)2=2 455+47.8 (32/2)2=25383.6cm4

22、 ix=(Ix/A)0.5=25383.6/(2 47.8)0.5=16.3cm x=l0x/ix=75000/163=46 0x=2x+210.5=462+26.8520.5=53.3 查表 x=0.841 N/x A=1500000/(0.841 47.8 2 100)=186.6N/mm2 6I1/l1=6 455 104/953=28620mm3 缀板与肢件的连接焊缝设计： 取 hf=8mm lw=200mm 综上缀板式格构截面肢件为 236a，缀板为-320 220 10。4、（1）计算底面尺寸： 故采用 的钢板，设锚栓的直径为 ，则螺栓孔的直径为 。 螺栓构造如下图所示。 （2）确

23、定底板厚度： 区格： 区格： 区格： 板厚： （3）靴梁设计： 取 ，故取 故每条焊缝的长度： 故靴梁高度取 450mm。 （4）验算靴梁抗弯抗剪承载力： 区格所受的力与其范围内的力近似由靴梁承受 故满足要求。 5、 解： （一）截面几何特征： 1、改变前截面几何特征： 2、改变后截面几何特征： （二）确定截面理论断点位置 在离支座 z 处（图 a）截面的弯矩设计值 为： 按抗弯强度条件，截面改变后所能抵抗的弯矩设计值 为： 由 取 或 ； 为了避免因翼圆截面的突然改变而引起该处较大的应力集中， 应 分别在宽度方向两侧做成坡度不大于 1：2.5 的斜面（图 c） ，因而时间边截面拼接的对接焊

24、缝位置到梁端的距离 为： 梁截面理论变截面和实际变截面位置及形状如图（c） 。 （三）在 1、在 在 在 处改变梁翼缘截面后的补充验算： 处腹板计算高度边缘处折算应力验算： 处截面的弯矩设计值 处截面的剪力设计值 为： 腹板计算高度边缘处的弯曲正应力 为： 腹板计算高度边缘处的剪应力 为： 梁的翼缘改变后 折算应力为： 2、翼缘截面改变后梁的整体稳定性验算 由于在本题中，梁整体稳定性有保证，所以不需要计算截面改变后梁的整体稳定性。 3、翼缘截面改变后梁的刚度验算 对于改变翼缘截面的简支梁， 在均布荷载或多个集中荷载作用下， 其挠度可采用如下近 似计算公式： 综上：梁在 （一）焊缝的构造要求： 处改变翼缘是满足要求的。 所以取 （二）梁端至翼缘截面改变处焊缝强度计算： 最大剪力发生在梁端，剪力设计值 为： 由剪力 产生的焊缝中水平力为： 由均布荷载产生的焊缝中竖向力为