钢结构设计第一章学习教案

1、钢结构设计(shj)第一章第一页，共68页。本次(bn c)课的主要内容第一章 绪论1.1 钢结构的应用范围及特点1.2 钢结构发展(fzhn)1.3 钢结构的设计方法和设计要求第二章 屋盖钢结构2.1 概述2.2 平面桁架体系屋盖结构第1页/共67页第二页，共68页。1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握(zhngw)钢结构的特点；本次(bn c)课的基本要求2.掌握钢结构的设计方法(fngf)和设计要求。4.了解平面桁架体系屋盖结构的布置。掌握普通钢屋架的设计与计算。3.了解钢结构在国内外的发展概况和趋势。5.了解轻型钢屋架和钢管屋架的形式、应用及设计计算。第2页/共67页第三页，共68页。

2、第一章 概述(i sh)钢结构的应用(yngyng)范围高层(o cn)钢结构建筑杂交结构大跨度钢结构重型厂房钢结构轻型钢结构高耸结构和多、高层建筑受动力荷载影响的结构（如桥梁钢结构）可拆卸的结构容器和其他构筑物第一章 绪论1.1 钢结构的应用范围及特点第3页/共67页第四页，共68页。网架结构拱结构桥梁拱结构第4页/共67页第五页，共68页。天津体育场千年穹顶西班牙迪加航空港上海会展中心第5页/共67页第六页，共68页。第6页/共67页第七页，共68页。单层厂房(chngfng)多层工业(gngy)厂房工业(gngy)厂房金陵石化总厂第7页/共67页第八页，共68页。承受动力荷载及地震作用(

3、zuyng)的结构第8页/共67页第九页，共68页。帝王大厦高层建筑(o cn jin zh)与高耸结构金茂大厦88层420米北京财富中心第9页/共67页第十页，共68页。东京千年塔第10页/共67页第十一页，共68页。多层轻型(qn xn)房屋建筑第11页/共67页第十二页，共68页。构筑物建筑(jinzh)小品第12页/共67页第十三页，共68页。第一章 概述(i sh)材料的强度高，塑性和韧性好材质均匀，和力学计算的假定比较符合(fh)钢结构制造简便，施工周期短钢结构的质量轻钢材耐腐蚀性差钢材耐热但不耐火钢结构的特点(tdin)钢拉杆和压杆性能比较第13页/共67页第十四页，共68页。

4、（一）按承载能力极限状态设计(shj) 应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷 载（效应）组合，采用下列表达式设计(shj)： 式中：o-结构重要性系数； S -荷载效应（组合）的设计(shj)值； R -钢结构构件或连接材料抗力的设计(shj)值。 1.3 钢结构的设计方法(fngf)及设计要求第14页/共67页第十五页，共68页。荷载效应组合(zh)如下：2.由永久(yngji)荷载效应控制的组合：3.荷载(hzi)分项系数取值如下：1.由可变荷载效应控制的组合：第15页/共67页第十六页，共68页。（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;

5、-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(qngf)、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。第16页/共67页第十七页，共68页。 对于钢结构这种单一材料，可以将荷载效应(xioyng)表达式用应力形式表示。 可变荷载起控制(kngzh)作用时：永久(yngji)荷载起控制作用时：式中：4、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式第17页/共67页第十八页，共68页。-钢材或连接材料(cilio)强度设计值。-钢材或连接

6、(linji)材料强度标准值。-钢材或连接(linji)材料抗力分项系数，对于Q235钢R=1.087;Q345、Q390、Q420钢R=1.111 。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。第18页/共67页第十九页，共68页。(二) 正常使用极限(jxin)状态1. 对于(duy)正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应的规定限值。Gk -永久(yngji)荷载标准值在结构或结构构件中产生的 变形值；Q1k-第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中 产生的变形值（该值使计算结果为最大）；第19页/共67页第二十页，共68页。 Qik-其他

7、(qt)第i个可变荷载标准值在结构或构件中产 生的变形值。 -结构或结构构件的容许变形值。(315页附录2) 2. 对于受压、受拉构件，规范规定应限制其长细比， 即: (1-24） 式中：-受压、受拉构件的计算长细比 ； -规范规定的受拉、受压构件容许长 细比，按规范采用。第20页/共67页第二十一页，共68页。（三）使用设计表达式的注意事项 1.计算静力强度和稳定时，采用荷载的设计值；疲劳计算、变形计算采用荷载的标准值。 2. 强度设计指标f 1)强度设计值的种类、性质(xngzh)； 2)按板厚或直径分组； 3)强度设计值的折减。 例如:按轴心受力计算单面 连接单角钢的强度时。 见教材，附

8、表1.4第21页/共67页第二十二页，共68页。设计(shj)要求钢结构设计应满足的要求(yoqi)：（1）应从工程实际出发，合理选用材料、结构方案和构造措施、采用的制造和安装技术；（2）满足结构在运输、安装和使用过程中的强度稳定和刚度要求(yoqi)；（3）优先选用标准化的结构和构件；（4）应符合防火和防腐要求(yoqi)。第22页/共67页第二十三页，共68页。钢结构节约钢材、降低造价的措施有：（1）结构尺寸模数化、构件标准化、构造简洁化；（2）采用高强度的钢材；（3）运用新的计算理论(lln)和设计方法；（4）采用新的结构体系。第23页/共67页第二十四页，共68页。第二章 屋面(wmi

9、n)钢结构2.1 概述屋盖钢结构的组成：屋盖钢结构由屋面承重(chngzhng)结构（如屋架、拱、网架等结构）、屋面维护系统（屋面板、檩条）、屋面支撑系统（垂直支撑、水平支撑）和辅助构件（天窗架、托架等）组成。第24页/共67页第二十五页，共68页。屋盖钢结构体系(tx)的分类：屋盖钢结构(jigu)体系按照结构(jigu)受力可分为平面结构(jigu)体系和空间结构(jigu)体系。屋盖钢结构(jigu)体系按照功能可分为公共建筑屋盖体系和工业建筑屋盖体系。屋盖钢结构(jigu)体系按照跨度可分为大跨度体系（60m）、中等跨度体系(60m30m)和小跨度体系(30m)。第25页/共67页第二

10、十六页，共68页。2.2 平面(pngmin)桁架体系屋盖结构屋盖结构布置1）结构组成采用平面桁架(hngji)作为主要承重构件的屋盖钢结构，其组成部分包括屋面板、檩条、屋架、托架、天窗架和支撑构件等。图2-1 屋架结构布置 第26页/共67页第二十七页，共68页。2）结构体系根据屋面结构布置情况(qngkung)的不同，屋盖钢结构可分为无檩体系和有檩体系。第27页/共67页第二十八页，共68页。无檩体系优点：屋盖刚度大，整体性好，构造上易于设置保温和防水材料，构件的种类和数量较少，屋盖的施工速度快。缺点：无檩体系屋盖自重较大(jio d)，这将导致下部承重结构的截面过大，且对抗震不利。有檩体

11、系优点：屋盖柱距布置灵活，屋面材料可选择的种类较多且自重较小。缺点：屋盖刚度较差，构件类别、数量较多，且构造相对复杂。 第28页/共67页第二十九页，共68页。结构体系的选择应：综合考虑建筑的使用要求、受力特点、材料供应、施工(sh gng)及运输条件等因素。第29页/共67页第三十页，共68页。3）屋面材料传统材料：有檩体系传统的屋面材料主要有粘土瓦、水泥平瓦、石棉瓦等，由于这些材料的尺寸较小，且在强度、耐久性、保温隔热等方面具有一定的缺陷，因此其应用都受到一定的限制。无檩体系传统的屋面材料为预应力大型屋面板，标准(biozhn)规格为1.5m6m或3m6m。其优点是受力性能好，缺点是自重过

12、大（约1.4kN/mm2，若加上保温和防水层，自重则达到2.53 kN/mm2。）第30页/共67页第三十一页，共68页。新型建筑材料：压型钢板(gngbn)和夹心板发泡水泥复合板（亦称为太空板）玻璃纤维增强混凝土板（亦称为GRC板）等。第31页/共67页第三十二页，共68页。屋盖支撑(zh chng)及檩条1）屋盖支撑(zh chng)第32页/共67页第三十三页，共68页。（1）屋盖支撑的作用屋盖支撑的主要作用：保证屋盖结构的整体稳定、增强屋盖的刚度(n d)、增强屋架的侧向稳定、承担并传递屋盖的水平荷载、便于屋盖的安装与施工。第33页/共67页第三十四页，共68页。（2）屋盖支撑的布置(

13、1)上弦(shngxin)横向水平支撑(2)下弦横向水平支撑(3)下弦纵向水平支撑(4)垂直支撑(5)系杆第34页/共67页第三十五页，共68页。（3）屋盖支撑的形式A.屋盖上弦横向B.下弦横向C.下弦纵向水平支撑一般均为平行弦桁架形式 (系杆除外)，其弦杆由屋架弦杆兼任，其腹杆常采用(ciyng)十字交叉形式。通常横向水平支撑节间的距离为屋架弦杆节间距离的24倍，纵向水平支撑的宽度取屋架下弦端节间的长度。第35页/共67页第三十六页，共68页。第36页/共67页第三十七页，共68页。屋盖垂直支撑亦常采用平行弦桁架形式，其上、下弦(xi xin)可兼作水平支撑的横杆。垂直支撑腹杆形式可根据桁架

14、的宽（屋架间距）、高比例确定。当桁架宽、高尺寸接近时，可用十字交叉斜杆；当高、宽尺寸相差较大时，可用V式及W式斜杆，如图2-6(e)2-6(g)所示。第37页/共67页第三十八页，共68页。（4）屋盖支撑的计算和构造 屋盖支撑受力较小，一般可不(k b)进行内力计算，杆件截面通常由容许长细比和构造要求决定。交叉斜杆和柔性系杆(包括兼任柔性系杆的檩条)按拉杆设计，可采用单角钢， 取400或350（有重级工作制吊车的厂房）；非交叉斜杆、弦杆、横杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面， 取200。第38页/共67页第三十九页，共68页。当支撑桁架的跨度较大(24m)且承受较大的墙

15、面传来的风荷载（ ），或垂直支撑兼作檩条以及考虑厂房空间工作须使纵向水平支撑作为柱的弹性支承时，支撑杆件除应满足容许长细比要求外，尚应按桁架体系(tx)计算内力，并据此内力选择截面第39页/共67页第四十页，共68页。具有交叉斜腹杆的支撑桁架是超静定体系(tx)，但其受力较小，可采用如图2-7所示计算简图。在节点荷载 作用下，每节间只考虑一根受拉斜腹杆工作，另一根虚线所示斜腹杆则视为柔性杆件因受压屈曲而退出工作，因此桁架可按单斜杆体系(tx)分析。 为水平节点荷载，由风荷载或吊车荷载引起。第40页/共67页第四十一页，共68页。支撑与屋架的连接构造应尽量简单方便。角钢支撑与屋架一般用M20粗制

16、螺栓连接，支撑杆件每端至少两个螺栓。在有重级工作制吊车(dioch)或其他较大振动设备的房屋中，屋架下弦支撑和系杆宜用高强度螺栓连接，或用C级螺栓加焊缝。当采用圆钢作支撑时，应用花篮螺栓预加拉力将圆钢拉紧。第41页/共67页第四十二页，共68页。2）檩 条在有檩体系屋盖中，檩条有实腹式和桁架式两大类。（1）实腹式檩条实腹式檩条具有(jyu)构造简单、制造及安装方便的优点，但适用跨度较小，多用于36m的情形。实腹式檩条截面常采用槽钢、角钢、H型钢、Z形或C形薄壁型钢。实腹式檩条的截面高度根据跨度、檩距和荷载大小等因素确定，一般取檩条跨度的1/351/50。第42页/共67页第四十三页，共68页。

17、实腹式檩条一般通过檩托与屋架上弦连接，檩托用短角钢做成，先焊在屋架上弦，待屋架吊装就位后用螺栓或焊缝与檩条连接。檩条的上翼缘肢尖应朝向屋脊，以利于受力和安装(nzhung)。檩条连接构造如图2-8所示。第43页/共67页第四十四页，共68页。檩条多垂直于屋架坡度放置。在竖向荷载作用下，当屋面构造能够阻止檩条的扭转时，实腹式檩条产生双向弯曲(wnq)，其两主轴分别受到 和 作用，如图2-9所示。第44页/共67页第四十五页，共68页。型钢檩条(ln tio)的壁厚较大，因此抗剪和局部承压可不验算，抗弯强度应满足双向受弯构件的强度要求。在计算 时应考虑拉条的影响，无拉条时，按简支梁计算；有拉条时，

18、按多跨连续梁计算，弯矩图如图所示。第45页/共67页第四十六页，共68页。当屋面设有拉条时，一般可不计算檩条的整体稳定；当无拉条且屋面材料不能阻止檩条受压翼缘侧向(c xin)位移时，应计算檩条整体稳定。当屋面无拉条时，应控制总挠度不超过挠度容许值；当设有拉条时，檩条可只计算垂直于屋面方向的最大挠度，以保证屋面平整，计算公式如下：上式中 为檩条沿 方向的线荷载标准值； 为檩条挠度容许值，按规范取 /150或 /200。第46页/共67页第四十七页，共68页。（2）桁架式檩条当檩条的跨度(kud)较大时（ 6m），采用实腹式檩条将不再经济，可考虑采用桁架式檩条。桁架式檩条可分为平面桁架式檩条、T

19、形桁架式檩条和空间桁架式檩条。第47页/共67页第四十八页，共68页。桁架式檩条的节间划分可根据计算确定，一般取4080cm，檩条的高度(god)一般为跨度的1/12 1/20，T形桁架式和空间桁架式檩条截面的宽高比一般取1/1.51/2.0。平面桁架式檩条可按平面桁架计算，T形桁架式檩条可近似地将上弦两角钢集中在腹杆平面内后按平面桁架计算，空间桁架式檩条可分解为两个平面桁架进行计算，具体计算过程参见相关资料。第48页/共67页第四十九页，共68页。（3）檩条的拉条及撑杆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，减少檩条在施工和使用阶段的侧向变形和扭转，除了侧向刚度较大(jio d

20、)的空间桁架式檩条和T形桁架式檩条以外，在实腹式檩条和平面桁架式檩条之间需设置拉条。第49页/共67页第五十页，共68页。当檩条跨度为46m时，至少应在跨中布置一道拉条；当跨度大于6m时宜(shy)布置两道拉条；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；当采用Z形钢檩条时，应在檐口处设置斜拉条和直撑杆；当檐口处有圈梁或承重天沟时，可只设直拉条与圈梁或承重天沟相连。拉条和撑杆的布置如图2-12所示。(a)(c)(b)(d)第50页/共67页第五十一页，共68页。拉条一般采用圆钢，其直径视荷载和檩距大小取 10、 12或 16；撑杆可采用角钢和钢管，其长细比按压杆要求不能大于200。

21、拉条和檩条、撑杆和檩条的连接(linji)构造如图2-13所示。拉条位置应靠近檩条上翼缘3040mm，采用螺母张紧、固定。撑杆采用C级螺栓与焊在檩条上的角钢固定。第51页/共67页第五十二页，共68页。第52页/共67页第五十三页，共68页。课后思考题：1.有坡屋面檩条设计(shj)是如何考虑竖向荷载的计算。第53页/共67页第五十四页，共68页。压型钢板和夹心板适用于有檩体系屋盖。压型钢板通常采用1m宽的薄钢板进行压制，成型后的钢板波高为25130mm，板宽为600760mm。压型钢板按板长分为长尺板和短尺板，常用长尺板，且可以在施工现场进行压制。夹心板由压型钢板中间填充聚氨酯、岩棉或聚苯乙

22、烯等保温和隔热( r)芯材而制成，其板宽一般为1m，板厚为50150mm，自重0.120.25kN/m2。现场常使用长尺夹心板（通常不大于12m）。第54页/共67页第五十五页，共68页。第55页/共67页第五十六页，共68页。发泡水泥复合板即可用于有檩体系屋盖，又可用于无檩体系屋盖。当发泡水泥复合板用于有檩体系屋盖时，一般做成条形平板，其构造如图2-3所示。常用条形板标准规格长度为3m，宽度有1m、1.2m和1.5m，厚度分80mm、100mm、120mm，其自重(zzhng)分别为0.6 kN/m2、0.66 kN/m2、0.72 kN/m2，现场多用1.5m3m的条形板。当发泡水泥复合板

23、用于无檩体系屋盖时，其标准规格宽为1.5m或3m，长为6m或7.5m，常用的大型屋面板尺寸有1.5m6m、3m6m、1.5m7.5，自重(zzhng)为0.60.75 kN/m2，其构造如图2-4所示。第56页/共67页第五十七页，共68页。图2-3 发泡水泥复合板条形板图2-4 发泡水泥复合板大型板第57页/共67页第五十八页，共68页。GRC板是玻璃纤维增强混凝土板的英语简称(jinchng)。其构造是用钢筋混凝土做边肋，但其水泥砂浆面板用玻璃纤维增强。成品有带隔热层和不带隔热层两种。用于有檩体系屋面的GRC板为条形板，标准规格为1.5m3m，厚度为120mm，最大檩距3m，自重为0.50

24、.6kN/m2。用GRC板制作的大型屋面板也已得到应用，其不带隔热层板型的自重为0.50.6 kN/m2。第58页/共67页第五十九页，共68页。应用范围：在有檩体系屋盖或无檩体系屋盖中，一般都应设置屋架上弦横向水平支撑，当有天窗架时，天窗架也应设置横向水平支撑。布置位置及技术要求：上弦横向水平支撑布置在房屋两端或在温度缝区段的两端的第一柱间或第二柱间。横向支撑的间距不宜超过60m，因而(yn r)当房屋长度超过60m时，在房屋长度中间还应设置一道或几道支撑。第59页/共67页第六十页，共68页。应用范围：当屋架跨度18m时；或屋架跨度小于18m，但屋架下弦设有悬挂吊车时；或厂房内设有吨位较大(jio d)的桥式吊车以及其他振动设备时；或山墙抗风柱支承于屋架下弦时，都应设置下弦横向水平支撑。布置位置及技术要求：下弦横向水平支撑应与上弦横向水平支撑布置在同一柱间内，以便形成稳定的空间体系。第60页/共67页第六十一页，共68页。应用范围：当房屋内设有重级工作制吊车以及起重吨位较大的中、轻级工作制吊车时；或房屋内设有锻锤等大型振动设备时；或屋架下弦设有纵向以及横向吊轨时；或屋盖设有托架