钢结构设计教程

1、目录学习情景1 钢结构基本知识1一、本课程主要内容1二、钢结构基本结构形式及选型1三、钢结构的特点9四、钢结构的应用10五、钢结构的现状与发展11学习情景1 钢结构基本知识由于使用功能及结构组成方式不同，钢结构种类繁多、形式各异。例如房屋建筑中，有大量的钢结构厂房、高层钢结构建筑、大跨度钢管桁架、钢网架建筑、悬索结构及索膜结构建筑等。在公路和铁路方面，有板梁桥、桁架桥、拱桥、悬索桥、斜张桥等各种形式的钢桥。钢塔及钢桅杆则广泛用作输电线塔、电视广播发射塔。此外，还有海上钢结构钻井平台、钢卫星发射塔架等。这些钢结构建筑物和构筑物尽管用途、形式各不相同，但它们都是由钢板或型钢经过加工，制作各种基本构

2、件，再将这些基本构件（如拉杆、钢索、压杆、梁、柱及桁架等）通过焊接和螺栓连接等组成结构。一、本课程主要内容1、钢结构材料的选择；2、钢结构构件的加工与制作；2、钢结构施工安装方法，编制钢结构工程施工方案和各种专项方案；3、钢结构工程制作和施工安装过程中的资料管理和质量控制；钢结构制作和施工安装过程中常见的工程质量事故；4、钢结构工程制作和施工安装过程中使用到的机具、设备相关知识。二、钢结构基本结构形式及选型1、轻钢门式刚架结构单层钢结构厂房一般为轻钢门式刚架结构。刚架结构通常是指由直线形杆件（梁和柱）通过刚性节点连接起来的结构。工程中习惯把梁与柱之间为铰接的单层结构称为排架，多层多跨的刚架结构

3、则常称为框架。我们讨论的刚架是单层刚架，因单层单跨或多跨刚架“冂”字型的外形之故，习惯上称为门式刚架。单层刚架结构的杆件较少，一般为大跨度结构，内部空间较大，便于利用。且刚架一般由直杆组成，制作方便，因此，在实际工程特别是工业建筑中应用非常广泛。当跨度与荷载一定时，门式刚架结构比屋面大跨梁(或屋架)与立柱组成的排架结构轻巧，可节省钢材约10以上。斜梁为折线形的门式刚架类似于拱的受力特点，更具有受力性能良好、施工方便、造价较低和造型美观等优点。由于斜梁是折线形的，使室内空间加大，适于双坡屋顶的单层中、小型建筑，在工业厂房、体育馆、礼堂和食堂等民用建筑中得到广泛应用。但门式刚架刚度较差，受荷载后产

4、生跨变，因此用于工业厂房时，吊车起重量一般不超过10t。图1.1对比了门式刚架与外形相同的排架在垂直均布荷载作用下的弯矩图。刚架由于横梁与立柱整体刚性连接，节点B和C是刚性节点，能够承受并传递弯矩，这样就减少了横梁中的跨中弯矩峰值。排架由于横梁与立柱为铰接，节点B、C为铰接点，故在均布荷载作用下，横梁的弯矩图与简支梁相同，跨中弯矩峰值比刚架大得多。但与拱结构相比，刚架仍然属于以受弯为主的结构，材料强度不能充分发挥作用，这就造成了门式刚架结构与拱相比自重大，用料多，适用跨度受到限制。 图1.1 刚接刚架与铰接刚架的弯矩比较门式刚架按结构组成和构造的不同，可分为无铰刚架、两铰刚架和三铰刚架等三种(

5、图1.2)。在相同荷载作用下，这三种刚架的内力分布和大小是有差别的，其经济技术效果也不相同。门式刚架结构的受力优于排架结构，因刚架梁柱节点处为刚接，梁柱互为约束。在竖向荷载作用下，由于柱对梁的约束作用而减小了梁跨中的弯矩和挠度。在水平荷载作用下，由于梁对柱的约束作用减少了柱内的弯矩和侧向变形，如图1.3所示。因此，门式刚架结构的承载力和刚度都大于排架结构。(a)单跨梁 (b)连续梁(c) 排架 (d) 无铰刚架 (e) 双铰刚架 (f) 三铰刚架 (g) 双铰刚架 (h) 三铰刚架图1.2弯矩图对比 (a) 排架 （b) 刚架图1.3在水平荷载作用下刚架与排架弯矩图对比无铰门式刚架(图1.4(

6、a)的柱脚与基础固接，为三次超静定结构，刚度大，结构内力分布比较均匀，但柱底弯矩比较大，对基础和地基的要求较高。因柱脚存在弯矩、轴向压力和水平剪力共同作用于基础，基础材料用量较大。无铰门式刚架超静定次数高，刚度较大，当地基发生不均匀沉降时，在结构内产生附加内力，所以在地基条件较差时需慎用。两铰门式刚架(图1.4(b)应用最为普遍，其柱脚与基础铰接，为一次超静定结构，在竖向荷载或水平荷载作用下，刚架内弯矩比无铰门式刚架大。其优点是刚架柱脚铰接，基础无弯矩作用，计算和构造简单，省料省工；当基础有转角时，对结构内力没有影响。但当两柱脚发生不均匀沉降时，则将在结构内产生一定的附加内力。三铰门式刚架(图

7、1.4(c)在屋脊节点处设置永久性铰，柱脚铰接，为静定结构，温差、地基的变形或基础的不均匀沉降对结构内力没有影响。三铰和两铰门式刚架材料用量相近，但三铰刚架的梁柱节点弯矩略大，刚度较差，不能用于有桥式吊车的厂房，仅用于无吊车或小吨位悬挂吊车的建筑。 (a)无铰刚架 (b)两铰刚架；(c)三铰刚架 图1.4三种不同型式的刚架弯矩图 图1.5多跨刚架的形式实际工程中大多采用两铰刚架以及由它们组成的多跨结构，如图1.5所示。无铰刚架很少使用。门式刚架的高跨比、梁柱线刚度比、支座位移、温度变化等均是影响门式刚架结构内力的因素，门式刚架结构选型时应予以考虑。2、钢框架结构（民用建筑）钢框架结构住宅可分为

8、焊接箱形截面（常用）或H型钢柱钢梁钢框架结构和钢框架加支撑结构两种类型。钢框架结构不超过6层住宅。其墙体可采用轻质材料。结构自重小，抗震性能良好，施工速度快。钢框架加支撑结构可实现715层住宅。经济技术指标略高于钢筋混凝土结构。（1）框架结构的受力特点a.荷载作用框架结构承受的作用包括竖向荷载和水平荷载。竖向荷载包括结构自重及楼（屋）面活荷载，一般为分布荷载，有时也存在集中荷载。水平荷载有风荷载和地震作用。框架结构是一个空间结构体系，沿房屋的长向和短向可分别视为纵向框架和横向框架。纵、横向框架分别承受纵向和横向水平荷载。b.竖向荷载传递路线现浇平板楼（屋）盖荷载主要向距离较近的梁上传递，然后在

9、传递给钢柱。c.受力分析在多层框架结构中，影响结构内力的主要是竖向荷载，而结构变形则主要考虑梁在竖向荷载作用下的挠度，一般不考虑结构侧移对建筑物的使用功能和结构可靠性的影响。随着房屋高度增大，增加最快的是结构位移，弯矩次之。框架结构在水平荷载作用下。其侧移由两部分组成：一部分侧移由柱和梁的弯曲变形产生。柱和梁都有反弯点，形成侧向变形。框架下部的梁、柱内力大，层间变形也大，愈到上部层间变形愈小；另一部分侧移由柱的轴向变形产生。在水平力作用下，柱的拉伸和压缩使结构出现侧移。这种侧移在上部各层较大，愈到底部层间变形愈小。在两部分侧移中第一部分侧移是主要的，随着建筑高度加大，第二部分变形所占比例逐渐加

10、大。一般将框架结构的梁、柱节点视为刚接节点，柱固结于基础顶面，所以框架结构为高次超静定结构。（2）框架结构在竖向荷载和水平荷载作用下的内力图a 计算简图c梁剪力、柱轴力图b 弯矩图e风荷载作用下剪力、轴力图d风荷载作用下弯矩图 图1.6框架结构在竖向荷载和水平荷载作用下的内力图3、钢网架结构网架结构是由很多杆件通过节点，按照一定规律组成的空间杆系结构。网架结构根据外形可分为平板网架和曲面网架。通常情况下，平板网架称为网架；曲面网架称为网壳，如图1.7所示。网壳结构是曲面型的网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的特性，受力合理，覆盖跨度大，是一种颇受国内外关注、半个世纪以来发展最快、有着广阔发展前景

11、的空间结构。网壳结构具有优美的建筑造型，无论是建筑平面、外形和形体都能给设计师以充分的创作自由。建筑平面上，可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、三角形、扇形以及各种不规则的平面；建筑外观方面，可以形成多种曲面，如球面、椭圆面、旋转抛物面屋面，建筑的各种形体可通过曲面的切割和组合得到；结构上，网壳受力合理，可以实现较大的跨度，由于网壳曲面的多样化，结构设计人员可以通过精心的曲面设计使网壳受力均匀；施工上采用较小的构件在工厂预制，实现工业化生产，现场安装简便快速，不需要大型设备，综合技术经济指标较好。本部分仅介绍平板网架和网壳结构。 (a)平板型网架(双层) (b)网壳(单层、双曲) (c)网

12、壳(单层、单曲)图1.7网架、网壳型式网架、网壳结构为一种空间杆系结构，具有三维受力特点，能承受各方向的作用，并且网架结构一般为高次超静定结构，倘若一杆局部失效，超静定次数仅减少一次，内力可重新调整和分布，整个结构一般并不失效，具有较高的安全储备。网架、网壳结构中的杆件，既为受力杆件，又互为支撑杆件，协同工作，整体性和稳定性好，空间刚度大，能有效承受非对称荷载、集中荷载和动荷载的作用，具有较好的抗震性能。在节点荷载作用下，各杆件主要承受轴向的拉力和压力，能充分发挥材料的强度，节省钢材。平板网架与网壳相比，它是一种无水平推力或拉力的空间结构，支座构造较为简单，一般简支支座即可，便于下部支承结构处

13、理，而网壳结构由于其结构型式，受力更趋于合理，且可以实现更美观的建筑外形。网壳结构的主要缺点在于：杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的偏离对网壳的内力、整体稳定性和施工精度影响较大，给结构设计和施工带来了一定的困难。为减小网壳结构初始缺陷，对于杆件和节点的加工精度要求较高，加工难度大。此外，网壳的矢高很大时，增加了屋面面积和不必要的建筑内部空间，增加建筑材料和能源的消耗。这些问题在大跨度网壳中显得更加突出。由于网架、网壳结构组合有规律，大量杆件和节点的形状、尺寸相同，并且杆件和节点规格少，便于工厂成批生产，产品质量高，现场进行拼装较容易，施工速度快。网架、网壳结构不仅实现了利用较小规格的杆件建造

14、大跨度结构，而且结构占用空间较小，更能有效利用空间，如在网架和多层网壳结构上下弦之间的空间布置各种设备及管道等。网架、网壳结构平面布置灵活，适用于矩形、圆形、椭圆形、多边形、扇形等多种建筑平面，建筑造型新颖、轻巧、壮观，极富表现力，深受建筑师和业主的青睐。由于网架、网壳结构具有以上诸多的特点，我国从1964年以来已建成为数众多的不同类型、不同平面形式的网架结构。目前我国已经成为网架生产大国，其年生产规模、建筑面积已为世界之最。网壳结构在我国的发展和应用历史不长，但发展速度很快，应用范围在不断扩大，在网壳结构选型、计算理论、稳定性分析、节点构造、加工制作和施工安装等方面已做了大量的工作，取得了较

15、多的成果。由于网架、网壳结构能适应不同跨度、不同平面形状、不同支承条件、不同功能需要的建筑物，不仅中小跨度的工业与民用建筑有应用，而且被大量应用于中大跨度的体育馆、展览馆、大会堂、影剧院、车站、飞机库、厂房、仓库等建筑中。网架、网壳多采用钢结构，也有钢筋混凝土结构网架和钢混凝土组合网架结构（网架上弦采用预制或现浇混凝土平板代替上弦钢杆件），但目前很少应用，因此不作介绍。4、索膜结构索膜结构的连接必须要满足结构受力要求和耐久要求，具体连接构造见图1.8。 （a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h） （i） （j） （k） （l）图1.8索膜连接构造5、管桁架结构桁架结构是指由

16、杆件在端部相互连接而组成的格子式结构，管桁架即是指结构中的杆件均为圆管杆件。管桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力，应力在截面上均匀分布，因而容易发挥材料的作用，这些特点使得桁架结构用料经济，结构自重小。易于构成各种外形以适应不同的用途，譬如可以做成简支桁架、拱、框架及塔架等，因而桁架结构在现今的许多大跨度的场馆建筑，如会展中心、体育场馆或其他一些大型公共建筑中得到了广泛运用。管桁架结构中的杆件均在节点处采用焊接连接，而在焊接之前，需预先按将要焊接的各杆件焊缝形状进行腹杆及弦杆的下料切割，这就需要对腹杆端头进行相贯线切割及弦杆的开槽切割。由于桁架结构中各杆件与杆件之间是以相贯线型式相交，

17、杆件端头断面形状比较复杂，因此在实际切割加工中一般采用机械自动切割加工和人工手工切割加工两种方法进行加工。管桁架同网架比，杆件较少，节点美观，不会出现较大的球节点，利用大跨度空间管桁架结构，可以建造出各种体态轻盈的大跨度结构，在公共民用建筑中，尤其是在大型会展和体育场馆建设中，有着广泛推广应用的发展前景。三、钢结构的特点1、钢结构的优点（1）材质均匀 可靠性高钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果，故可靠性较高。（2）强度高 重量轻钢材强度较高，弹性模量也高，因而钢结构构件小而轻，在同样的受力情况下钢材自重较小，可以作成跨度较大的结构，由于杆件小

18、，也便于安装和运输。（3）塑性和韧性好钢结构的塑性和韧性好，适于承受冲击和动力荷载，有较好的抗震性能。（4）具有可焊性可焊性是指钢材在焊接过程中和焊接后，都能保持焊接部分不开裂的完整性的性质。由于焊接技术的发展，焊接结构的采用，使钢结构的连接大为简化。（5）便于机械化制造钢结构由扎制型材和钢板在工厂中制成，便于机械化制造，生产效率高，速度快，成品精度较高，质量易于保证。（6）安装方便 施工周期短 钢结构安装方便和施工期限短可以尽快的发挥投资的经济效益。（7）密封性好钢结构的水密性和气密性都较好可作成常压和高压容器结构和大直径的管道。（8）耐热性好实验证明钢材在常温到150时性能变化不大，因而钢

19、结构可适用于热工车间。2、钢结构的缺点（1）耐火性差钢材表面温度达到300-400以后，强度和弹性模量显著下降，600时基本降为零，所以钢结构的的耐火性较差。（2）耐腐蚀性较差在潮湿和腐蚀介质的环境中容易发生锈蚀，需要定期维护。四、钢结构的应用目前中国钢结构市场的主角是工业项目，建筑用钢结构市场仍未得到充分发展，这是国内钢结构企业和钢材生产企业的潜在发展机遇。从全球高层钢结构的发展历程看，在高层和超高层建筑中大量使用钢结构是必然趋势。从钢结构的优越性和综合效益考虑，预计将来在50层以上的建筑中各种形式的钢结构将成主导。从建筑轻钢结构发展状况看来，我国政府倡导的钢结构住宅及其产业化需求将是量大面

20、广的钢结构市场之一，潜力巨大。今后几年，我国在下列几个领域内钢结构量会增加：电厂的主厂房和锅炉钢架用钢、包括核电厂厂房用钢、风力发电用钢等、交通工程中的桥梁、市政建设用钢结构、地铁和轻轨工程、城市立交桥、高架桥、环保工程、城市公共设施及临时房屋等、管桁架结构大跨体育建筑、钢结构住宅。由于钢材和钢结构的特点，钢结构应用于各种工程结构中，合理的应用范围大体如下：（1）重工业厂房的承重骨架和吊车梁冶金企业的炼钢和轧钢车间、重型机械厂的水压机、装配车间等，这些车间一般高度和跨度都较大，有重级工作的大吨位吊车或设备震动大，或热加工车间等。（2）大跨度屋盖结构公共建筑中的体育馆、大会堂、影剧院等，工业建筑

21、中的飞机装配车间，飞机检修库等。（3）大跨度桥梁跨度较大的公路和铁路桥梁等多用钢结构。（4）多层和高层建筑工业建筑中的多层框架，民用建筑中跨度较大的多层和高层框架。（5）塔桅等高耸结构输电线路塔架、无线电广播发射桅杆、电视播映发射塔、环境气象塔、卫星或火箭发射塔等高耸结构多采用钢结构。（6）容器、管道等壳体结构储液罐、储气罐、大直径输油（气）管道、水工压力管道以及炉体结构。（7）移动式结构水工阀门、射电望远镜、移动式采油平台等。（8）可拆卸、搬移的结构装配式活动的房屋、流动式展览馆、军用桥梁等采用钢结构特别合适。（9）轻型结构跨度不大屋面轻的工业和商业房屋常采用冷弯薄壁型钢结构或由角钢等组成的

22、轻型钢结构。（10）抗震要求较高的工程结构中五、钢结构的现状与发展1、钢结构应用现状和发展趋势分析建筑业是我国国民经济建设中重要产业之一，近年来，我国建筑业发展十分迅速，每年的房屋施工面积在15亿平方米以上，农村及其他个人建房约30亿平方米。随着我国国民经济和第三产业的发展，人民生活水平的提高和国家安居工程的实施，预计今后几年我国城镇住宅建设每年在1.6亿平方米以上，农村及其他个人住宅建设每年在6.0亿平方米以上，宾馆、饭店、写字楼、商店及其他公用建设等每年约2亿平方米左右，工业厂房及其他建筑约6亿平方米左右。与此同时，新建筑物装修的工程量急剧增加，老建筑物翻新周期明显缩短，装修材料也向豪华、

23、实用方向发展。我国建筑装饰投资占建筑工程总投资的比例，已从20世纪80年代的20%左右提高到现在的40%-50%，增长势头相当强劲。 a、我国建筑业用钢现状 我国建筑用钢主要用户是民用建筑施工单位、基础设施建设单位和工业厂房。民用房地产施工单位是建筑用钢的最大用户，其用钢量约占建筑钢材总消费量的60%以上，基础设施建设单位一般为国有大型企业，其用钢量占总消费量的20%，工业厂房也是建筑用钢重要消费客户，其消费量占总消费量的15%左右。从建筑用钢的发展历史来看，上世纪80年代前，我国采取限制用钢政策，房屋建筑以砖混结构为主，辅以钢筋混凝土结构，提倡以其他材料代替钢材，尽量节约用钢；上世纪80年代

24、后期到90年代初期，采取合理用钢政策，大量建筑、尤其是大量公共建筑，采用现浇混凝土楼板，提高了建筑结构的抗震性能和工程的整体质量；90年代后期到现在，建筑用钢的品种和数量均有较大提高，采取鼓励合理用钢的政策，限制建造砖混结构建筑，钢筋混凝土建筑在这一时期得到了快速发展。从建筑用钢的供需情况来看，由于建筑用钢技术含量低、准入门槛低、见效快等特点，因此建筑用钢已成为近年国有中小型钢铁企业和民营企业的主要建设项目。同时，由于近两年来国内建筑用钢需求量增长迅速，导致建筑用钢的需求量增长较快，许多民间资本纷纷进入建筑钢材领域，国内建筑用钢生产能力增长迅速，现在国内的建筑用钢材已经处于供过于求的局面，钢材

25、价格已从2007年的平均约5900元/吨降至现在的约3500元/吨，降价幅度较大，多数企业已处于微利状态；建筑用中厚板、热轧薄板产品近期国内生产量较大，价格跌幅较大，中国钢铁工业协会近期已召开关于降产、保价、稳定市场的座谈会。另外，由于建筑用钢属于低附加值、高能耗、高污染产品，销售范围较小，产品基本不考虑进出口，立足于国内生产，国内消费。b、建筑业用钢发展趋势从国内生产消费平衡看，我国钢材生产规模已完全可以满足国内市场需要。另外，国内一些钢铁企业与一些钢铁系统外企业还在继续激烈的市场竞争，竞争的焦点为品种、质量、成本及价格，在品种上重点开发使用高强度钢、耐候钢等品种。目前，国家大力发展节能省地

26、型住宅和建筑，并强调缓解我国能源与经济社会发展的矛盾，必须立足国内，提高能源利用效率。建筑节能举足轻重，刻不容缓。同样，建筑节能在钢铁业和钢材流通业引起高度重视。国家发改委新公布的产业政策，要求钢铁工业加快产品结构调整、提高钢材使用效率、树立节约使用钢材意识，把提高钢材强度、减少钢材使用量、钢材资源综合利用放在重要位置。目前，在国内钢材的生产消费中，高强度钢正处于大力推广应用阶段，已从大量使用低强度钢逐步向高强度钢方向发展。尽管近年高强度钢在国内的推广应用有了长足进步，但与国外发达国家相比，还存在很大差距。耐火耐侯钢具有与普通建筑用钢相当的室温力学性能、焊接性能以及其他性能，在一般气候条件下可裸露使用，也可提高涂装性，涂在耐火耐候钢上的涂层的失效年限远长于普通钢。耐火性要求在600摄氏度时，屈服强度下降不大于规定的室温屈服强度标准的1/3，这是火灾时保证建筑安全性的一个重要指标，而普通钢则相差较远。使用耐火耐候钢可比可以减少防火涂料和防火包覆的使用，从而减少污染、缩短工期、降低成本、减少或不必进行防腐维护、节约维护工本、钢材厚度可减薄，节约综合成本20%以上，是一种