毕业设计 - 钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究

大连理工大学网络教育学院毕业论文（设计）模板 网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目：钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究学习中心： 河南省建设技术发展中心奥鹏 层 次： 专科起点本科 专 业： 土木工程 年 级： 学 号： 学 生： 指导教师： 钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究内容摘要目前所有建筑工程的建设中均采用钢材作为建筑材料。随着钢结构工程在建筑上的广泛应用，钢结构的设计及钢结构的防腐、防火保护问题也在建筑工程中被日益重视。作为钢结构工程的设计、施工人员，必须对防腐、防火涂料的类别、性质、适用性等有相当的了解，以便高建筑钢结构的使用性能。因此在实际建设中如何提高钢结构的性能与质量十分之关键。本文主要以实例采光顶的屋顶设计形式及方法研究了钢结构在建筑中的普遍使用形式。研究了钢结构工程中防腐与防火的处理方法，旨在延长钢结构的使用寿命，提高建筑的安全稳定性。关键词：钢结构工程； 设计；防腐；防火；目 录内容摘要2引 言11 设计基本资料及任务21.1 设计资料21.2 荷载资料21.3 计算屋架的上弦杆AB21.4 计算屋架的下弦杆ac31.5 计算屋架的腹杆aB42 建筑钢结构的防腐与防火52.1 建筑钢结构防腐52.2 建筑钢结构防腐的主要方法52.3 建筑钢结构防火62.4 建筑钢结构防火的主要方法73 工程实例93.2、双坡采光顶设计计算书143.2.1计算引用的规范、标准及资料143.2.1.1幕墙及采光顶设计规范：143.2.1.2建筑设计规范：143.2.1.3玻璃规范：143.2.1.4钢材规范：143.2.1.5相关物理性能等级测试方法：153.2.1.6建筑结构静力计算手册(第二版)153.2.2.1基本参数163.2.2.2采光顶所在地区163.2.2.3地面粗糙度分类等级16采光顶荷载计算163.2.2.4玻璃采光顶的荷载作用说明163.2.2.5风荷载标准值计算163.2.2.6风荷载设计值计算203.2.2.7雪荷载标准值计算213.2.2.8雪荷载设计值计算213.2.2.9采光顶构件自重荷载设计值213.2.2.10采光顶坡面活荷载设计值22选取计算荷载组合223.2.2.11采光顶计算中的荷载组合方法223.2.2.12风荷载标准为wk+情况下的荷载组合233.2.2.13风荷载标准为wk-情况下的荷载组合243.2.2.14极限状态的荷载确定25双坡采光顶主龙骨计算253.2.2.15主龙骨荷载计算263.2.2.16主龙骨的强度计算273.2.3、采光顶玻璃的计算293.2.3.1玻璃板块荷载计算293.2.3.2玻璃板块荷载组合323.2.3.3玻璃的强度计算333.2.3.4玻璃的挠度计算354 结论与展望37参考文献38引 言近期由于钢材在国际及国内市场价格较低达到“白菜价”又由于钢结构的优点在于施工快、强度高、抗震性强、结构占用面积小、工业化程度高、资金投入少等方面，因此广泛的应用在工业建筑及部分商业建筑工程中。一般情况下，普通的建筑用钢由于曝露在空气或者是潮湿的环境中则易出现腐蚀的现象。这是由于覆盖在钢材表面上的铁原子，在空气中被氧化变成铁锈，尤其是空气中含有丰富的盐碱酸类物质时，就更易出现这种问题。钢结构被腐蚀的显现不仅表现在其表面出现不同程度的锈迹，并且由于部分的锈迹而产生的应力集中，破坏钢结构的基础，另外若出现冲击钢结构的情况，则进一步降低钢结构的抗疲劳强度，甚至形成脆性断裂。因此在实际建设过程中，采取有效的措施对钢结构尽享防腐处理，才能延长钢结构的寿命，保证建筑物的安全与稳定。除了钢结构易出现腐蚀之外，还会出现抗活性下降的状况。一般情况下钢结构在处于全负荷的状态时，若温度升高到250450，其强度则会有所下降，温度升高到500左右时，则会下降一半以上的强度。除此之外，钢结构的抗压强度、弹性模量、荷载能力、屈服点等方面的力学性能都会出现一定程度的下降。所以在施工过程中就要采取有效的防火处理，以保证钢结构防火性能，确保钢结构在火灾中不被破坏。 钢结构以其独特的优点，只要在施工中运用得当，是能确保其结构、使用及经济效果的。故钢结构在当今及以后会慢慢普及步入主流建筑的。1 设计基本资料及任务1.1 设计资料某金工车间长90m，跨度24m，柱距6m，屋面采用1.5m6m大型预应力混凝土屋面板，采用梯形钢屋架，屋架计算跨度23.7m，屋面坡度,屋架端部高度1.99m，跨中高度3.19m,跨中起拱50mm。屋架简支在钢筋混凝土柱上，混凝土标号C20，钢材采用Q235，焊条采用E43型，屋架及支撑布置如图1.1所示1.2 荷载资料上弦杆AB采用等截面，按内力，。下弦杆ac采用等截面，按内力，。图1.1 屋架计算简图腹杆aB采用2，长肢相并。内力，。1.3 计算屋架的上弦杆AB整个上弦不改变截面，按已知条件提供的内力进行设计，。上弦杆计算长度：在屋架平面内，为节间轴线长度；在屋架平面外，根据支撑布置和内力变化情况取（按大型屋面板与屋架保证三点焊，故取两块屋面板宽度）。因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。腹杆内力为，根据屋架节点板厚度参考表，节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。设，上弦杆为轴心受压的截面，该截面类型属于b类截面，已知。需要截面积：需要的回转半径：，根据A，查角钢规格表，选用21409014，短肢相并，。按所选角钢进行验算：轴心压杆的允许长细比为150。150.8*10mm/40.2mm=37.51mm301.6*10mm/68.6mm=43.97mm已知，验算上弦杆中的应力是否满足要求，830*1000N/0.807*6091.2=169215所以上弦杆满足设计要求。1.4 计算屋架的下弦杆ac整个下弦不改变截面，按已知条件提供的内力进行设计，。下弦杆计算长度：在屋架平面内，为节间轴线长度；在屋架平面外，根据支撑布置和内力变化情况取。计算所需下弦截面净面积：选用21258012，短肢相并，。本连接中，螺栓孔对下弦截面的削弱不考虑，。按所选角钢进行验算：轴心拉杆的允许长细比为350。300*10/22.4=133.931185*10/61.6=192.37859000/3995.3=215=215所以下弦杆ac不满足设计要求，适当加大。1.5 计算屋架的腹杆aB按已知条件提供的内力进行设计，。计算长度：选用21258012，短肢相并，。按所选角钢进行验算：轴心拉杆的允许长细比为350。253.5*10/22.4=113.17253.5*10/61.6=41.15已知，验算上弦杆中的应力是否满足要求，463.8*1000/4680=99.1215所以腹杆aB满足设计要求。42 建筑钢结构的防腐与防火钢结构具有重量轻而强度高，塑性、韧性好，施工周期短等优点，因此在建筑工程中得到广泛的应用和发展。高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度建筑采用钢结构尤为理想，同时钢结构又是对城市影响最小的结构之一，是可重复利用的绿色环保材料。然而在钢结构的设计和使用中，建筑钢结构防腐和防火仍是钢结构应用的主要难题及阻碍。在此分别对钢结构防腐和防火的基本概念，主要方法等内容进行详细阐述。文中将分别讨论钢结构防腐和防火的基本概念，主要技术方法及其各自的特点。2.1 建筑钢结构防腐钢结构在使用期间和它所处的环境介质之间发生化学、电化学或物理作用，引起材质的变质和钢结构的破坏失效，称为钢结构的腐蚀。钢材在空气或潮湿的环境中易于锈蚀，钢材表面的铁原子与空气中的氧气化合而成质地疏松的氧化铁锈，特别是当空气中含有酸碱盐类介质时情况更为严重，腐蚀不仅使钢材表面产生不均匀的锈蚀，而且局部的锈蚀引起应力集中，促使钢结构提前破坏，尤其是在反复冲击荷载的作用下，更加速了疲劳强度降低，出现脆性断裂。钢结构的腐蚀危害建筑物的安全，造成巨大损失，甚至引起灾难性事故，后果极其严重。据一些工业发达国家统计，每年由于钢结构的腐蚀而造成的经济损失约占国民生产总值的2%4%，全世界每年因此造成的经济损失已高达数千亿美元以上。只有在设计建造的同时，对其进行卓有成效的防腐，确保长效防腐才能确保钢结构的长久寿命。下面将讨论钢结构的各种防腐方法及特点。2.2 建筑钢结构防腐的主要方法2.2.1 耐候钢耐腐蚀性能优于一般结构用钢的钢材称为耐候钢，一般含有磷、铜、镍、铬、钛等金属，使金属表面形成保护层，以提高耐腐蚀性。其低温冲击韧性也比一般的结构用钢好，执行标准为焊接结构用耐候钢(GB 4172-84)。2.2.2 热浸锌热浸锌是将除锈后的钢构件浸入600左右高温融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，锌层厚度对5mm以下薄板不得小于65m，对厚板不小于86m，从而起到防腐蚀的目的。这种方法的优点是耐久年限长，生产工业化程度高，质量稳定。热浸锌的首道工序是酸洗除锈，然后是清洗。这两道工序不彻底均会给防腐蚀留下隐患，应避免设计出具有相贴合面的构件，以免贴合面的缝隙中酸洗不彻底或酸液洗不净。对于管形构件应该让其两端开敞，两端封闭会造成管内空气膨胀而使封头板爆裂，造成安全事故；一端封闭则锌液流通不畅，易在管内积存。2.2.3 热喷铝(锌)复合涂层这是一种与热浸锌防腐蚀效果相当的长效防腐蚀方法。具体做法是先对钢构件表面作喷砂除锈，使其表面露出金属光泽并打毛。再用乙炔-氧焰将不断送出的铝(锌)丝融化，并用压缩空气吹附到钢构件表面，以形成蜂窝状的铝(锌)喷涂层(厚度约80m100m)。最后用油漆等涂料封闭毛细孔，形成复合涂层。此法无法在管状构件的内壁施工，因而管状构件两端必须做气密性封闭，以使内壁不被腐蚀。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强，构件形状尺寸几乎不受限制。另一优点是这种工艺的热影响是局部的，受约束的，因而不会产生热变形。与热浸锌相比，这种方法的缺点是工业化程度较低，喷砂喷铝(锌)的劳动强度大，质量易受操作者的情绪变化影响2.3 建筑钢结构防火钢材的耐火性能较差，受热后强度下降很快，如钢材在20时强度为450Mpa，在485时为278Mpa，几乎降到原来的50%，而到614时，钢材强度就只有70Mpa，几乎失去承载能力。所以，钢材受热后，在强度下降和热应力的共同作用下很快出现塑性变形。在火烧15min左右，构件会如面条一样的软落下来，随着局部的破坏，造成整体失去稳定而破坏，而且破坏后的钢结构是很难修复的，有关方面的火灾教训是极其深刻和痛楚的。因此对钢结构进行防火设计具有重大意义，主要有：（1）减轻钢结构在火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散的困难；钢结构的防火保护的目的是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程，以争取时间灭火救人。（2）避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡。（3）减少火灾后钢结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。钢结构的防火保护有多种方法，这些方法有被动防火法：钢结构防火涂料保护法、防火板保护法、混凝土防火保护法、结构内通水冷却法、柔性卷材防火保护法等，它们为钢结构提供了足够的耐火时间，从而受到人们的普遍欢迎，而以前三种方法应用较多。另一种为主动防火法，就是提高钢材自身的防火性能（如耐火钢）或设置结构喷淋。 下文的内容将对钢结构的主要防火方法进行讨论和阐述。2.4 建筑钢结构防火的主要方法2.4.1建筑钢结构防火钢材是一种不会燃烧的建筑材料，它具有抗震、抗弯等特性。在实际应用中，钢材既可以相对增加建筑物的荷载能力，也可以满足建筑设计美感造型的需要，还避免了混凝土等建筑材料不能弯曲、拉伸的缺陷，因此钢材受到了建筑行业的青睐，单层、多层、摩天大楼，厂房、库房、候车室、候机厅等采用钢材都很普遍。但是，钢材作为建筑材料在防火方面又存在一些难以避免的缺陷，它的机械性能，如屈服点、抗拉及弹性模量等均会因温度的升高而急剧下降。2.4.2 充水法在空心钢构件内充水是抵御火灾最有效的方法，能使钢结构在火灾时保持较低的温度。水在结构构件内循环，受热的水可经冷却再循环，或由水管引入凉水来取代加热过的水。这种方法在国外被广泛地使用在钢柱的防护中。这种方法造价低，对空心钢构件的防渗漏、防腐蚀要求高，只适用于空心钢构件的保护。空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。这种方法能使钢结构在火灾中保持较低的温度，水在钢结构内循环，吸收材料本身受热的热量。受热的水经冷却后可以进行再循环，或由管道引入凉水来取代受热的水。2.4.3 轻质防火厚板包覆法 就是在钢结构外表添加外包层，可以现浇成型，也可以采用喷涂法。现浇成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝，并保证外壳的强度。喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂泵以形成保护层，砂泵可以是石灰水泥或是石膏砂浆，也可以掺入珍珠岩或石棉。同时外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板，采用胶粘剂、钉子、螺栓固定在钢结构上。采用无机防火板材对大型钢构件进行箱式包裹，如石膏板、蛭石板、无石棉硅酸钙隔热 板等，包板的厚度根据耐火极限的要求而定。这种方法具有施工方便、装修面平整光滑、成本低、损耗小、无环境污染、施工周期短、耐老化等优点，推广前景好，是钢结构防火保护新的发展方向。2.4.4 复合保护法紧贴钢板用防火涂料或柔性毡状隔热材料，外用防火薄板作罩面板。这种方法适用于表面有装饰要求，一般用于需要粘贴柔性毡状隔热材料或涂敷厚质防火涂料的钢柱。83 工程实例3.1 工程概况开封德豪光电科技园CPU综合楼，屋顶钢结构采光顶，长17.4m，跨度9.4m，屋面采用大型预应力混凝土屋面板，中间采用钢结构采光顶，屋架计算跨度8.4m，屋面坡度5% ，屋架简支在钢筋混凝土柱上，混凝土标号C30，钢材采用Q235B，焊条采用E43型，建筑钢结构根据设计要求所有钢构件彻底除锈之后，涂刷防腐油漆或防火涂料。钢框架构件主要由加工厂完成底漆和中漆，现场负责面漆防腐、防火，其中钢屋架为现场制作，现场负责底漆、中间漆、面漆的防腐、防火，节点防腐也需经底漆、中间漆、面漆。钢梯、钢平台栏杆及外露铁件部件，基层除锈后涂刷防腐漆一道,再刷浅灰色调合漆两遍，油漆的使用年限及质量应符合国家标准的规定。 4 结论与展望 国内外目前已有的钢结构防火涂料主要有两大类：非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料，前者防火效果较差，已逐渐被淘汰，而膨胀型钢结构防火涂料由美国ALBI化学公司于1948年首先发明。ALBI化学公司是世界上第一个生产水性、薄型、膨胀型钢结构防火涂料的企业。用于钢结构的膨胀型防火涂料主要有ALB