钢结构设计教程-青岛理工

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业第一章 轻钢结构1.1 概述单层门式刚架结构是以主要承重骨架、檩条、墙梁、屋面、墙面、保温隔热材料、支撑组成的一种轻型房屋结构体系。 单层门式刚架结构和钢筋混凝土结构相比具有以下特点： (1)质量轻 (2)工业化程度高，施工周期短 (3)综合经济效益高 (4)柱网布置比较灵活 门式刚架轻型房屋结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期。近年来其应用得到了迅速的发展，主要用于轻型的厂房、仓库、建材等交易市场、大型超市、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。1.2 结构形

2、式和结构布置门式刚架又称山形门式刚架。其结构形式按跨度可分为单跨双跨和多跨按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。 结构布置： 1.刚架的建筑尺寸和布置：(1).跨度取横向刚架柱间距离，跨度宜为936m (2).高度应取地坪柱轴线与斜梁轴线交点的高度，宜取4.59m (3).门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、或9m (4).温度分区 ：纵向温度区段300m 横向温度区段150m 2.檩条和墙梁的布置： (1).屋面檩条一般应等间距布置。但在屋脊处，应沿屋脊两侧各布置一道檩条，使得屋面板的外伸宽度不要太长(一般小于200mm)，在天沟

3、附近应布置一道檩条，以便于天沟的固定。确定檩条间距时，应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。 (2).侧墙墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。 (3).支撑和刚性系杆的布置： 在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。 端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30-45m；有吊车时不宜大于60m。 当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。 当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系

4、杆。 刚性系杆可由檩条兼任，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H形钢或其它截面形式的杆件。1.3 刚架设计1. 在进行刚架内力分析时，所需考虑的荷载效应组合主要有：（1）1.2永久荷载+0.91.4积灰荷载+max屋面均布活荷载、雪荷载+0.91.4(风荷载+吊车竖向及水平荷载) （2）1.0永久荷载+1.4风荷载 组合(1)用于截面强度和构件稳定性计算， 组合(2)用于锚栓抗拉计算。 2. 刚架梁、柱构件的强度、整体稳定计算正应力验算：剪应力验算：弯矩作用平面内：弯矩作用平面外：3. 变截面柱的整体稳定计算变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算 ： 变截

5、面柱在刚架平面外的整体稳定计算：4. 节点设计门式刚架结构中的节点有：梁与柱连接节点、梁和梁拼接节点及柱脚。当有桥式吊车时，刚架柱上还有牛腿。 门式刚架斜梁与柱的刚接连接，一般采用高强度螺栓端板连接。具体构造有端板竖放、端板斜放和端板平放三种形式。斜梁拼接时也可用高强度螺栓端板连接，宜使端板与构件外边缘垂直。 门式刚架的柱脚，一般采用平板式铰接柱脚，当有桥式吊车或刚架侧向刚度过弱时，则应采用刚接柱脚。1.4 压型钢板设计 压型钢板具有自重轻、强度高、刚度较大、抗震性能较好、施工安装方便，易于维护更新，便于商品化、工业化生产的特点。压型钢板具有简洁、美观的外观，丰富多彩的色调以及灵活的组合方式，

6、是一种较为理想的围护结构用材。 压型钢板通常采用由板厚度为0.5mm2.0mm的薄钢板经冷轧或冲压成型。压型钢板基层应优先选用带有镀锌或镀铝锌的钢卷板，钢板表面带有彩色涂层。亦可采用其它经表面防腐处理的薄钢板。 压型钢板的截面几何特性采用“线性元件法”计算。可变荷载计算时要考虑施工检修集中荷载的影响，剪应力计算需要考虑腹板的高厚比影响。 压型钢板和用于檩条、墙梁的卷边槽钢和Z形钢都属于冷弯薄壁构件，这类构件允许板件受压屈曲并利用其屈曲后强度。因此，在其强度和稳定性计算公式中截面特性一般以有效截面为准。但对于对于翼缘宽厚比较大的压型钢板，设置尺寸适当的中间纵向加劲肋，就可以保证翼缘受压时全部有效

7、。 压型钢板的强度和挠度可取单槽口的有效截面，按受弯构件计算。内力分析时，把檁条视为压型钢板的支座，考虑不同荷载组合，按多跨连续梁进行。 压型钢板的构造规定： （1）腹板与翼缘水平面之间的夹角不宜小于45。 （2）宜采用长尺寸板材，以减少板长度方向的搭接。 （3）长度方向的搭接端必须与支撑构件(如檩条、墙梁等)有可靠的连接部 位应设置防水密封胶带。 （4）搭接长度不宜小于下列限值： 屋面： 高波（波高 70mm）压型钢板：375mm 屋面坡度 1/10时：200mm 墙面：压型钢板：120mm1.5 檩条设计檩条的截面形式可分为实腹式和格构式两种。当檩条跨度(柱距)不超过9m时，应优先选用实腹

8、式檩条。 设置在刚架斜梁上的檩条在垂直于地面的均布荷载作用下，沿截面两个形心主轴方向都有弯矩作用，属于双向受弯构件。在进行内力分析时，首先要把均布荷载分解为沿截面形心主轴方向的荷载分量qx 、qy。 1.檩条的截面验算：(1)强度计算按双向受弯构件计算： 当屋面能阻止檩条的失稳和扭转时，可按下列强度公式验算截面： 2.整体稳定计算：当屋面不能阻止檩条的侧向失稳和扭转时(如采用扣合式屋面板时)，应按稳定公式验算截面： 3.变形计算：实腹式檩条应验算垂直于屋面方向的挠度。 对卷边槽形截面的两端简支檩条： 对Z形截面的两端简支檩条 ： 4.檁条的构造要求： 当檩条跨度大于4m时，应在檩条间跨中位置设

9、置拉条。当檩条跨度大6m时，应在檩条跨度三分点处各设置一道拉条。 拉条的作用是防止檩条侧向变形和扭转并且提供x轴方向的中间支点。此中间支点的力需要传到刚度较大的构件为此，需要在屋脊或檐口处设置斜拉条和刚性撑杆。1.6 墙梁、支撑设计一、墙梁设计墙架系统主要由墙梁、拉条、斜拉条、撑杆、以及墙面板等组成。墙梁的截面主要是C型和Z型两种冷弯薄壁型钢截面形式。 通常墙梁的最大刚度平面在水平方向（槽口方向向下），墙梁主要承担水平风荷载。 墙梁槽口的朝向应视具体情况而定：槽口向上，便于连接，但容易积灰积水，钢材易锈蚀；槽口向下，不易积灰积水，但连接不便。墙梁的间距取决于墙板的材料强度、尺寸、所受荷载的大小

10、等，一般墙梁的间距取11.5米左右，遇有窗口位置等情况作特殊处理。 墙梁的计算： 墙梁的荷载组合有两种： 1.2竖向永久荷载+1.4水平风压力荷载 1.2竖向永久荷载+1.4水平风吸力荷载 墙梁承担双向荷载，为一双向受弯构件。当荷载未通过截面弯曲中心时，尚应考虑因荷载偏心产生的双弯扭力矩B（单侧挂墙板）。 当墙梁双侧挂墙板（图a），且墙板与墙梁牢固连接时，墙梁受荷不会发生扭转，此时双弯扭力矩B0； 当墙梁单侧挂墙板时（图b），由于竖向荷载和水平风载均不通过墙梁中心A，且单侧挂墙板不能有效阻止墙梁的扭转，此时墙梁将产生双弯扭力矩B。 墙梁截面的验算： 首先根据墙梁跨度、荷载和拉条设置情况，初选墙

11、梁截面，然后对墙梁截面进行验算。 截面验算包括：正应力验算，剪应力验算，整体稳定验算以及刚度验算。 二、支撑设计柱间支撑的截面型式：采用两个角钢组成的T型截面、圆钢管截面。 柱间支撑的布置:一般布置在厂房两端第一开间或者是第二开间，若厂房长度超过60米时，则需要在中部再加设一道支撑。 柱间支撑的型式：根据厂房使用要求可以布置成十字型或者八字型。 柱间支撑作用：主要传递山墙传来的风荷载，增加房屋整体刚度。 柱间支撑斜杆按拉杆设计，如图所示，当杆件受压时退出工作，另一个斜拉杆承载。 柱间支撑计算： 按拉杆设计，所受拉力为： 强度验算: 刚度验算: 1.7 建筑构造设计天窗结构通常由天窗架、檩条（或

12、太空轻质大型屋面板）、侧窗横档和天窗架支撑系统组成。 天窗架的跨度和高度根据厂房的采光和通风要求确定。其跨度一般为屋架跨度的1/31/2，高度为其跨度的1/51/2。 为了防止外墙面压型钢板腐蚀以及被硬物碰撞，延长压型钢板使用寿命，在建筑构造上应采取以下措施： 1）在基础地梁上砌筑一段砌块墙体，高度一般为0.91.2m。 2）屋面采用有组织内排水。第二章 重型厂房钢结构 基本要求1. 了解重型厂房的组成、屋架外形及腹杆形式，掌握柱间支撑及屋盖支撑的作用与布置。 2. 掌握刚架内力分析方法及内力组合原则。 3. 掌握钢屋架杆件截面的选取，了解一般构造要求。 4. 了解吊车梁的荷载及截面组成，掌握

13、吊车梁的连接构造及截面验算方法。 教学内容 重点难点本章内容包括厂房结构布置、计算原理、钢屋架设计和吊车梁设计四部分，其中钢屋架设计和吊车梁设计是本章的重点。通过本章的学习，最终要求达到： （1）根据实际需求，确定钢屋架的类型，并设计出此屋架； （2）掌握吊车梁的受力特点，荷载分析，节点设计与计算，并能绘制施工图。2.1 结构形式和结构布置柱网布置 考虑工艺、结构和经济等因素确定，兼顾模数的要求。 1.计算单元 取相邻柱距的平均值: 2.横向框架 铰接框架和刚接框架: 3.柱截面 格构式柱与分离式柱: 4.柱间支撑 作用与布置: 5.屋盖支撑 作用与布置:。 2.2 计算原理刚架内力计算 引用

14、当量惯性矩将格构式柱和屋架换算为实腹式构件进行内力分析。 内力组合原则 按承载能力极限状态设计时，构件和连接取简化公式中的最不利值确定。 2.3 钢屋架设计桁架内力分析 按节点荷载作用下的平面铰接桁架，用结构力学方法分析内力。 桁架杆件计算长度 见上册。 桁架杆件截面型式选取 压杆按两主轴等稳定原则确定。 屋架构造要求 角钢规格和节点板厚度。 桁架节点设计 见上册。2.4 吊车梁设计 吊车荷载吊车最大轮压: 吊车横向水平力: 吊车梁截面单轴对称工字型截面 带制动梁的吊车梁 带制动桁架的吊车梁 吊车梁与制动结构的连接 吊车梁支座 平板支座和凸缘支座。 吊车梁的截面验算强度验算 单轴对称工字型截面

15、 受压区 受拉区 带制动梁的吊车梁 带制动桁架的吊车梁 整体稳定验算 设有制动结构的吊车梁不需计算整体稳定，单轴对称工字型截面吊车梁按下式计算稳定 刚度验算 竖向挠度 水平挠度 疲劳验算 第3章 大跨屋盖结构 基本要求:1. 了解大跨度结构的体系类别及其特征。 2. 掌握双层网架的常用形式及网架选型的原则。 3. 了解网架的计算要点。 4. 理解并掌握空间杆系有限元法，熟悉求解杆件内力的过程。 5. 了解网架杆件设计的一般原则。 6. 掌握网架焊接空心球、螺栓球、支座的计算公式。 7. 了解网壳的结构形式及一般计算原则。 教学内容: 重点难点:本章讲述了大跨度屋盖结构的主要形式。其中以双层网架

16、为重点内容。通过本章学习，最终要求达到：根据实际工程要求，能正确的选择网架的结构形式，节点形式，能应用相应的大跨度计算软件进行结构设计。设计完成能运用本章的知识进行校对，并能分析该设计的准确性。难点：空间杆系有限元法。3.1 结构形式 大跨钢结构按几何形状、组成方法、结构材料及受力特点的不同可分为平面结构体系和空间结构体系两大类。属于平面结构体系的有：梁式结构(平面桁是、空间桁架)，平面刚架和拱式结构。属于空间结构体系的有：平板网架结构、网壳结构、悬索结构、斜拉结构、张拉结构等。3.2 网架的形式 网架按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架。双层网架是由上弦、下弦和腹杆组成的空间结构(图1)，

17、是最常用的网架形式。而双层网架的常用形式主要如下：（图2） 1）两向正交正放网架：适用于在矩形建筑平面中，网架的弦杆垂直于及平行于边界。（图3）2）两向正交斜放网架：适用于两个方向网格尺寸不同的情况。（图4）3）三向网架：三个方向的平面桁架相互交角60。比两向网架刚度大，适合大跨度，适用于正三角形，正六三角形平面。（图5）4）正放四角锥网架：正放四角锥网架空间刚度较好，但杆件数量较多，用钢量偏大。适用于接近方形的中小跨度网架，宜采用周边支承。（图6）5）正放抽空四角锥网架：将正放四角锥网架适当抽掉一些腹杆和下弦杆，如每隔一个网格抽去斜腹杆和下弦杆，使下弦网格的宽度等于上弦网格的二倍，从而减小杆

18、件数量，降低了用钢量。（图7）6）棋盘形四角锥网架：保持正放四角锥网架周边四角锥不变，中间四角锥间隔抽空，下弦杆呈正交斜放，上弦杆呈正交正放。克服了斜放四角锥网架屋面板类型多，屋面组织排水较困难的缺点。（图8）7）斜放四角锥网架：上弦网格呈正交斜放，下弦网格为正交正放。网架上弦杆短，下弦杆长，受力合理。 适用于中小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的矩形平面。（图9）8）星形四角锥网架：星形网架上弦杆比下弦杆短，受力合理。竖杆受压，内力等于节点荷载。星形网架一般用于中小跨度周边支承情况。（图10）9）三角锥网架:受力均匀、整体性和抗扭刚度好，适用于平面为多边形的大中跨度建筑。（图11）10

19、）抽空三角锥网架：保持三角锥网架的上弦网格不变，按一定规律抽去部分腹杆和下弦杆，可得到抽空三角锥网架。抽杆后，网架空间刚度受到削弱。下弦杆数量减少，内力较大。抽空三角锥网架适用于平面为多边形的中小跨度建筑。 11）蜂窝形三角锥网架：上弦网格为三角形和六边形，下弦网格为六边形。腹杆与下弦杆位于同一竖向平面内。节点、杆件数量都较少，适用于周边支承，中小跨度屋盖。蜂窝形三角锥网架本身是几何可变的：借助于支座水平约束来保证其几何不变。网架的选型应结合工程的平面形状、建筑要求、荷载和跨度的大小、支承情况和造价等因素综合分析确定。3.3 网架的计算要点 网架结构应对使用阶段荷载作用下的内力和位移进行计算，

20、并应根据具体情况对地震作用、温度变化、支座沉降等间接作用及施工安装荷载引起的内力和位移进行计算。网架的直接作用和间接作用如下（图14） 3.4 空间杆系有限元法 空间杆系有限元法也称空间桁架位移法。空间杆系有限元法是计算精度最高的一种方法，适用于各种类型、各种平面形状、不同边界条件的网架，静力荷载、地震作用、温度应力等工况均可计算。能考虑网架与下部支承结构的共同工作 。计算程序见下流程图（图15） 3.5 网架杆件设计 网架杆件可采用钢管、热轧型钢和冷弯薄壁型钢。在截面积相同的条件下，管截面具有回转半径大，截面特性无方向性，抗压屈承载力高等优点，钢管端部封闭后，内部不易锈蚀，是目前网架杆件常用

21、的截面形式。管材可采用高频焊管或无缝钢管，有条件时也可采用薄壁管形截面。材质主要有Q235钢及Q345钢。3.6 节点设计 网架节点数量多，节点用钢量约占整个网架用钢量的2025，节点构造的好坏，对结构性能、制造安装、耗钢量和工程造价都有相当大的影响。网架的节点形式很多，目前国内常用的节点形式主要有（图16） 3.7 网壳 网壳是一个准柔性的高次超静定结构，几何非线性较其他结构明显，其整体稳定性对结构几何形状的变化也很敏感。目前网壳计算主要是采用考虑几何非线性的有限单元法。一般情况下，双层网壳连接节点多采用铰接。单层网壳连接节点应采用刚接，否则单元共面节点的法向刚度为零。对铰接连接网壳采用空间

22、二力杆单元，对刚接连接网壳宜采用空间梁柱单元。考虑与不考虑几何非线性的有限单元法的区别在于前者(几何非线性)考虑网壳变形对网壳内力的影响；网壳的平衡方程建立在变形以后的位形上，后者(线性)的平衡方程则始终建立在初始状态。第4章 多层及高层房屋建筑结构 基本要求：1. 了解多高层房屋结构的组成和特点，了解结构布置的原则及需要考虑的问题。了解抗侧力结构、抗震缝以及基础埋深等设置方法。了解用于多、高层建筑的楼板类型，明确楼盖结构的作用及其布置方案设计与整体结构的关系，掌握压型钢板组合楼盖的设计方法，能准确绘出包含主（次）梁的压型钢板组合楼盖施工图。 2. 掌握框架柱的设计方法，会确定框架柱计算长度。

23、掌握常用的梁柱连接形式、明确梁柱连接连接的内力传递方式，熟练掌握常用计算法，能准确绘出梁柱节点连接的施工图，了解水平支撑和竖向支撑的布置方法。 3. 了解多、高层建筑钢结构计算模型的选取方法，了解常用的结构静力计算方法，能运用分层法和D值法进行框架结构的内力计算。 - 教学内容：- 重点难点： 压型钢板组合楼盖和梁柱节点的构造设计，以及压型钢板组合楼盖、梁柱节点连接的施工图的绘制，既是本章的重点又是学习中的难点，要求一定掌握。4-1 多、高层房屋结构的组成 1. 多高层结构的常见类型：框架结构、框剪结构、筒体结构，如图4-1。 2. 多层房屋的抗侧力结构：满足侧向刚度、部分柱参加抗侧力工作或少

24、数柱之间加设斜撑，如图4-2。 3. 多层房屋平面形式的选取：应首选由光滑曲线构成的平面形式；尽可能地采用中心对称或双轴对称的平面形式；避免以狭长形作平面形式；框筒结构采用矩形平面形式时，应控制其平面长度比小于1.5。 4. 需抗震设防时平面尺寸关系，如图4-3。 5.平面不规则结构：1）任一层的偏心率大于0.15时； 2）结构平面形状有凹角，凹角的伸出部分在一个方向的尺度，超过该方向建筑总尺寸的25； 3）楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过该层总面积的50； 4）抗水平力构件既不平行又不对称于侧力体系的两个互相垂直的主轴。缝的设置：高层建筑一般不宜设置防震缝；高层钢结构建筑，一般也无须设

25、置温度缝。 6. 竖向布置的不规则结构：1)楼层刚度小于其相邻上层刚度的70%，且连续三层总的刚度降代超过50%； 2）相邻楼层质量之比超过1.5； 3）立面收进尺寸的比例为L1/L 0.75； 4）竖向抗侧力构件不连续5）任一楼层抗侧力构件的总剪承载力小于其相邻上层的80。 7.基础埋深的考虑： 1）敷设地下室；补偿基础、增大结构抗侧倾能力； 2）有抗震设防时，高层结构部分的基础埋深宜一致、不宜采用局部地下室； 3）当有可靠根据时，基础埋深可适当减小。4-2 楼盖的布置方案和设计1. 楼盖结构的作用： 直接承受竖向荷载，并将其传递给竖向构件；起横隔作用。 2. 多、高层建筑的楼盖结构组成:

26、由楼板和梁系组成，起固定作用、传递水平剪力作用。 3.楼盖结构的方案选择原则：1） 满足建筑设计要求； 2） 较小自重； 3） 便于施工； 4） 有足够的整体刚度。 4梁系的构成：5. 斜向主梁的作用： 在框筒体系中，角柱往往产生高额轴向拉力，可通过斜向布置主梁得到向角柱传递较大的竖向荷载的目的。 6. 主次梁连接：简支连接、刚性连接。 7.楼盖结构的布置方案：。 8. 组合楼板设计时的基本原则1）组合楼板的设计考虑两个受力阶段： a) 施工阶段:对作为浇注混凝土底模的压型钢板进行强度和变形验算. b) 使用阶段:对于非组合板，压型钢板仅作为模板使用；验算组合板在永久荷载和使用段的可变荷载作用

27、下的强度和变形. 2) 压型钢板的跨中变形时： 挠度w0大于20mm时，确定混凝土自重应考虑挠曲效应，在全跨增加混凝土厚度0.7 w0，或增设临时支撑。 9.组合楼板施工阶段的计算：实质上是压型钢板的计算；只考虑荷载沿强边方向传递(单向板)。 10.组合楼板使用阶段的设计:1）非组合板:按常规钢筋混凝土楼板设计,应在压型钢板波槽内设置钢筋，并进行相应计算。 2）组合板: a) 对于双向弯曲板或单向弯曲板进行承载力验算，即正截面抗弯承载力、抗冲剪承载力、斜截面抗剪承载力验算； b) 对于单向弯曲简支板进行变形验算。 11.组合梁的设计： 弹性分析时，将受压混凝土翼板的有效宽度bce折算成与钢材等效的换算宽度beq；要求在混凝土翼板的有效宽度内，纵向钢筋和钢梁受拉及受压应力均达到强度设计值；塑性中和轴受拉侧的混凝土强度设计值可忽略不计；塑性中和轴受压侧的混凝土截面均匀受压，并达到弯曲抗压强度设计值。4-3 柱和支撑的设计（主要内容）1. 框架柱的设计要求： 满足强柱弱梁的设计要求，使塑性铰出现在梁端而不是在柱端，抗震设防的柱在任一节点处，宜满足下列要求： 2. 梁与柱的连接形式： 1) 按连接转动刚度的不同分类：刚性连接、柔性连接、半刚性连接； 2) 刚性连接形式：完全焊接、完全栓接、栓焊