建筑钢结构设计(第二版)-同济大学马人乐

1、2010年9月l内容l重点l考试钢结构的适用范围钢材的选用建筑钢结构荷载与作用的特点钢结构的计算结构体系节点设计特点：轻质高强，材质均匀，工业化生产，施工 工期短，韧性好，密封性好； 耐腐蚀性较差，耐火性差，单价高。 钢结构的适用性： 1）结构选材目标：技术性能和经济性。（性价比） 2）选用钢材的原因： A）基本原因 结构自重与全部荷载与作用之比越大，采用钢结构越合理。 B）强震地区（受力小，延性好） C）劳动力价格高（工业化生产，现场劳动力少） D）软土地基（基础耗资小） E）大跨、超高结构（结构效应函数值大）2、钢材的选用、钢材的选用钢材强度的选择 1）变形控制选低强度等级 2）强度控制选

2、高强度等级 3）长细比控制或应力水平较低选低强度等级 4）施工条件差选较低强度等级 2、钢材的选用、钢材的选用钢材冲击韧性指标选择：影响因素结构重要性1荷载状况2连接状况3使用温度4 选择因子数值类别三类静力全螺栓、无焊接不低于01二类一般动力大部分工厂焊、工地螺栓不低于-202一类疲劳动力大部分现场、高空焊不低于-403表1-1 选择钢材冲击韧性指标的影响因素及选择因子 =1234 选择因子之积23161824245454材料等级ABCDE表1-2 选择因子之积与材料冲击韧性指标的关系表 3、建筑钢结构荷载与作用的特点、建筑钢结构荷载与作用的特点风荷载冰雪荷载温度作用地震作用及抗震荷载与结构

3、的变异风荷载 （控制性荷载之一）gZz冰雪荷载温度作用地震作用及抗震荷载与结构的变异4、钢结构的计算、钢结构的计算钢结构计算的两种方法 （1）极限状态设计法：强度、刚度、稳定 （2）许用应力法：疲劳、对变形敏感结构的稳定结构极限状态验算 (1-2) (1-2) 永久荷载效应控制永久荷载效应控制 (1-3) (1-3) 标准组合标准组合 (1-4) (1-4) 频遇组合频遇组合 (1-5) (1-5) 准永久组合准永久组合 长期效应长期效应 基本基本组合组合 承载能承载能力极限力极限状态状态 正常使用极限状态正常使用极限状态 （罕遇地震验算）偶然组合（罕遇地震验算）偶然组合结构效应计算0112)

4、(,)nGGkQQ kQiciQikRkkiSSSRf （01)(,)nGGkQiQikRkkiSSRf （12nGkQ kciQikiSSSC112nGkfQ kqiQikiSSSC2nGkqiQikiSSC短期效应短期效应 (1-1)(1-1)可变荷载效应控制可变荷载效应控制 4、钢结构的计算、钢结构的计算结构抗力及正常使用极限： （1）钢结构以强度表现的抗力，主要有以下几种变化： A）随钢材尺寸（厚度、直径）的不同，强度变化； B） 单角钢受力（存在偏心），整体稳定抗力变化； C） 单角钢单肢螺栓连接时连接强度变化； D）地震作用时强度的修正。 （2）广义变形限值 A）预拱的选择 ）楼面

5、钢梁的预拱为恒载标准值引起的变形加1/2活载频遇值引起的变形； ）屋面钢梁的预拱为恒载标准值引起的变形； ）曲线型屋面钢梁，当结构对变形不敏感时不必预起拱，当结构对变形较为敏感时应该预起拱。 ）悬臂梁应考虑排水坡度予以起拱。 B）各设计工种对限定的变形值应取得协调。4、钢结构的计算、钢结构的计算结构体系与使用要求：主体钢结构的优化设计方向 ：（1）框架结构 框架结构以梁受弯，柱受压弯为主，它的优化主要是选择合适的截面；（2）门式刚架结构 可以根据制造分段及内力状况分段，每段均为直线变坡，优化构件的折线外形；（3）空间结构 使单个构件全截面应力趋于均匀，提高强度利用率。辅助结构与主体结构的关系

6、：单元的划分与结合节点的分类焊接和螺栓连接 柱柱支支撑撑Eflno243 . 15 3xWvwfhVmax2 . 1wxhWnxWxxM nxWxxM nyWyyM x y x y x y x y wItVS zwltF 222 ccf1 nIMxxWMb b xxWMb nyWyyM yf23513tb /y0f23540tb yf23515tb yw0f23580th /0c 0c 4h5h00/00h02h50.yw0f235250th /yw0f235160th /yw0yf235160thf23580 /cr 1ccrc、 cr 80ha00c./, /ccr cr 2ccrc、 c

7、r 1c /ccrc、 1c2a/acr 1cr 1crc、 1cr 1ha011c /, 1cr 11ha/ 1crc、 21 1crc、 21 1cr 1crc、 1cr 11ha50/. 2cr 2crc、 2cr mm4030hb0s 15btss/ 303wzthI 时时）当当850hath51I03w0y./(. 时时）当当850hathhaha45052I03w0200y./().( 3bs/2b2/fAN ywf235t15lhwt111nAIMyN 1y1nAMIIMww )75. 0/(0fNA xxxrl0 yyyrl0 x y yx ,min yx yx fAN min

8、 fANn yw0f2355025th).( yf2351010tb).( th0y0f23540tb yf235100tD fNfNA5 . 175. 02 300 xlh fAN 2120 xxxxxAA12027 max max2120 xx2120 yy maxxxxAA12040 yyyAA12040 maxA70l2y0y)( 1 xA1max x y max17 . 0 401 max15 . 0 50max 251 23585yfAfV ,)(a1a240NF1b 60NF21a1b ,/ cosnVN1t 1V fANRtttt Rt Rt Rt Rt cos1nV1V柱柱肢

9、肢中中心心距距缀缀板板中中心心距距 caTcaVM1 40ct mmt6 结构形式和布置 檩条设计 刚架设计 图3-1 门式刚架结构示意结构特点 1）梁、边柱承受较大弯矩 ，中柱以承受轴向力为主 2）梁、柱以H型钢截面为主，通常分段变截面 3）梁与柱为刚接 ，吊车影响较小时柱脚铰接，反之刚接 4）梁、柱由多个制造、运输单元组成，用法兰、摩擦型高强度 螺栓刚性连接而成 5）与屋架结构相比，占建筑高度小 6）屋面(墙面)由冷弯薄壁型钢檩条(墙梁)加压型钢板、保温棉 等组成结构适用范围 轻型门式刚架适用于跨度小于36m，柱高小于12m，吊车起重量不大于20t（轻级工作制）的单层工业厂房、仓库、超市等

10、结构形式：(d)带挑檐架 （e）带毗屋刚架（f）单坡刚架 (a)单跨刚架 （b）双跨刚架（c）多跨刚架结构布置 1）门式钢架柱距一般取69m 2）温度区段布表3-1 温度区段长度 3）伸缩缝设置 ）伸缩缝两旁设置双柱 ）吊车梁及檩条连接采用长圆孔 ）每个温度区间形成独立的支撑体系支撑体系布置 1）柱间支撑布置 ） 柱间支撑的间距应根据受力情况和安装条 件确定 ,设在结构两端，间距不 大于60m ） 柱高较大或有吊车时宜分两层设置柱间支撑， 以吊车梁为分界，支撑的角度取30度60度 ）轻型结构可采用柔性预应力圆钢交叉支撑。当设有 起重量不小于5的吊车时，柱间宜采用刚性交叉支撑 ）柱间支撑受一面山

11、墙传来的风压力和吊车纵向刹车力， 受力由单 片支撑承受 图3-3 柱间支撑布置支撑体系布置 2）屋面水平支撑布置 ） 与柱间支撑同时布在 第一个或第二个开间， 形成连续的传力体系。 当设在第二个开间时， 应在第一个开间设置 刚性系杆 图3-4 柱屋面水平支撑布置 支撑体系布置 2）屋面水平支撑布置 ） 在刚架转折处（屋脊、边柱柱顶等）沿房屋全长设置刚性系杆 ）屋面交叉支撑按柔性杆设计，并施加预拉力；若为单斜杆应按 压杆设计 ）双檩条可兼做刚性系杆 ）屋盖横向水平支撑支点设在靠近上翼缘处 ）吊车起重量大于15t时，宜在屋盖边缘设置纵向支撑 ）刚架斜梁上横向水平支撑的内力，应根据纵向风荷载按支承于

12、 柱顶的水平桁架计算支撑体系布置3）隅撑布置 ） 作用：保证钢梁下翼缘及柱的内翼缘的稳定 ） 间距：不大于13b(Q345)或16b（Q235），b为 梁受压翼缘的宽度 ）计算： 图3-5 隅撑构造隅撑与檩条夹角支撑体系布置4）实腹屋面梁 图3-5实腹式屋面梁 支撑体系布置5）托梁 图3-7 托梁的形式和尺寸檩条截面形式 图3-8 实腹式檩条截面形式檩条布置 1） 减小对剪力中心的偏心矩 2） 屋脊檩条应对拉 3）边缘檩条应与天沟匹配 图3-9 檩条间距局部调整檩条的连接 图3-10 檩条连接构造拉条与撑杆 1） 作用：为给檩条提供侧向支承，减小檩条沿屋面 坡度方向的跨度 图3-11 拉条与撑

13、杆构造 （a）直拉条 （b）斜拉条 （c）撑杆拉条与撑杆 2） 布置 A 檩条跨度不大于6m,中间加一道拉条 B 檩条跨度大于6m,三分点处各加一道拉条 C 天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆 D 拉条一般设置在离檩条上翼缘1/3高度处 E 撑杆和拉条共同受力,限制屋脊、檩条 和天窗边檩条的侧向弯曲图3-13 斜拉条和直撑杆的布置 图3-12 拉条的布置 荷载 1） 永久荷载：建筑材料自重 2） 可变荷载：检修荷载、积灰荷载和雪荷载；对坡度 小于15屋面，仅计风吸力，坡度大于15的屋 面,同时有风吸和风压 3） 兼做刚性系杆 的檩条按压弯计算 4） 对设有隅撑的檩条 ，要考虑隅撑的作用 计算

14、1） 垂直与主轴x、y的分荷载为： 2） 内力与拉条的距离有关，分别计算绕主轴的内力 3） 强度验算： 其中 为有效净截面模量 4） 若与压型钢板可靠连接，无稳定问题 5） 变形 图3-11 檩条计算示意图 对C型檩条 ，对Z型檩条荷载组合 1） 其中 为吊车竖向、水平荷载 2） 其中 为风吸力 3） 4） 5） 当多跨刚架均有吊车时，还要考虑临跨吊车水平荷载 6）在地震区，还要验算以下组合： 对7度区基本风压大于0.35 ，对8度区（类、类场地）基本风压大 于0.45 ， 可不计算地震作用。 截面设计 1）柱按实腹式偏压（拉）构件设计 注：N取小头，A取小头，M取大头，W取大头 2）等截面折

15、线梁坡度大于1/3时按压弯杆计算； 变截面梁按压弯杆计算； 梁上有集中力作用下若未设加紧肋，则要满足： 在正弯矩处： 在横梁负弯矩处： 3） 局部稳定：同一般梁梁柱连接及拼接节点 1）可按图3-18和已学知识计算 弯矩和板的强度、螺栓强度图3-17 梁柱连接节点图3-18 端板的支承条件梁柱连接及拼接节点 2）验算节点域抗剪强度 其中 分别为节点域的宽度和厚度 为节点弯矩为节点域高度梁柱连接及拼接节点 2）端板螺栓处腹板强度验算 其中 为翼缘内第二排一个螺栓的轴向拉力设计值 为螺栓中心至腹板表面的距离 为高强度螺栓的预拉力 或（一般由前式控制）为腹板厚度 柱脚 图3-20 刚接柱脚图3-19

16、铰接柱脚注意：抗剪件的取舍实例：见课程设计多层框架钢结构体系 荷载与作用及其效应（自学）钢构件设计 楼盖设计 （自学）节点设计图41 多层多跨钢框架的组成示意图多层框架钢结构分类 1）纯框架体系 2）框架支撑体系 ）中心支撑 ：交叉支撑、 单斜杆支撑，人形、V形支撑 作用：提高结构抗侧刚度 ）偏心支撑 作用：提高抗侧刚度，并增加结构 变形中的耗能，用于8度及以上地区多层框架钢结构分类 3）框筒体系 结构连接类型 1）铰接 ：不能承受弯矩 2）刚接：能承受全部弯矩， 无抗弯刚度突变 3）半刚接 ：能承受一定弯矩， 抗弯刚度会突变 结构布置 1）主导思想 ） 尽可能避免结构平面不规则，包括扭转不规

17、则、凹凸不规则和 楼板局部不连续 ）尽可能避免结构竖向不规则，包括侧向刚度不规则、竖向抗侧 力构件不连续和楼层承载力突变 2）抗侧力构件布置具体要求 ） 支撑布置在多层框架的纵横双向，基本与结构主轴方向对称 ） 在长方形平面中，长边方向支撑可少于短边方向支撑结构布置 2）抗侧力构件布置具体要求 ）一般用中心支撑，强震区用偏心支撑，但梁上偏心支撑 点要加侧向水平支撑，以防止此点失稳 ）中心支撑轴线应交汇于梁柱轴线交点（或偏离中心不超 过支撑杆件宽度 ）。 ）不宜采用K形支撑 ）支撑应上下贯通框架计算方法 1）传统分析方法 2）有限元方法 框架设计步骤 1）准备设计资料 2）确定结构平、立面布置

18、框架设计步骤 3）确定支撑体系的布置 4）荷载计算 5）确定截面尺寸 6）确定梁、柱计算长度 7）内力分析 及变形验算 8）内力组合 并与抗力对比 9）变形组合并与允许变形对比 10）连接设计 请自学梁构件设计 一般同第二章，仅在罕遇地震时两端要有3转角能力 框架柱整体稳定的计算长度 （柱设计一般同第二章，仅论述框架柱的计算长度） 1）平面外计算长度 取阻止框架柱平面外位移的支撑点间距为其计算长度 框架柱整体稳定的计算长度 2）平面内计算长度 ）平面内计算长度取决于框架整体侧移状态及柱两端受约束程度 ）计算方法可分为有支撑和无支撑，有支撑又分为强支撑和弱 支撑 ）无支撑纯框架 a)当采用一阶弹

19、性方法结算结构内力时,按附表E-5-2确定 b)当采用二阶弹性方法结算结构内力且在每层柱顶附加假想水 平力 时,取 。为第i楼层的总重力荷载设计值 为框架总层数 ，当 时，取此值1.0具体取值为：1.0（Q235），1.1（Q345），1.2（Q390），1.25（Q420）框架柱整体稳定的计算长度2）平面内计算长度 ）有支撑纯框架 a)当支撑结构的侧移刚度(产生单位侧倾角的水平力) 满足下式 要求时，按无侧移框架计算（表E-5-1）。 （414） 为第i层层间所有框架柱用无侧移框架柱计算长度系数求得的轴压稳定承 载力之和为第i第层层间所有框架柱用有侧移框架柱计算长度系数求得的轴压稳定承载力之

20、和 框架柱整体稳定的计算长度2）平面内计算长度 ）有支撑纯框架 a)当支撑结构的侧移刚度 不满足式（4-14） 时，为弱支撑框架，其轴压稳定系数按下式计算： 为框架柱用无侧移框架柱计算长度系数求得的轴压稳定系 为框架柱用有侧移框架柱计算长度系数求得的轴压稳定系数 框架柱整体稳定的计算长度2）平面内计算长度 ）梁、柱线刚度比的计算（查表E-5-1,E-5-2时用） a)上、下端点梁与柱线刚度之比 注：对梁包括该点左右梁， 对柱包括该点上下柱 b) 梁与柱铰接，取梁的线刚度为0 c) 柱与基础铰接时,取 ，柱与基础刚接时，取 d) 远端为铰接，按表E-5-1,E-5-2附注修正 请自学梁与梁的连接

21、 1）框架主梁拼接（自学） 2）次梁与主梁的连接 图421 主梁与次梁的拼接连接柱与柱的连接 图423 变截面柱的拼接连接图422 柱与柱拼接连接梁与柱的连接 设计要点： 1）柱连续，梁与柱连 2）强节点，弱构件 3）腹板受剪，翼缘抗弯 4）腹板开孔保证下翼缘焊缝 5）柱设加紧肋对应梁翼缘 6）梁端应有一定变形能力图423 梁与柱的连接梁与柱的连接 图423 梁与柱的连接图425 （例41）支撑与框架的连接 图426 支撑与框架梁柱的连接柱脚 1）铰接 （同平台钢结构） 图427 铰接柱脚柱脚 2）刚接 ）露出式 要点： 加预拉力，抗剪， 混凝土承压， 垫板计算假定 图428 露出式刚接柱脚

22、柱脚 2）刚接 ）埋入式 要点： a) 埋入与纵横梁钢筋的关系 b) 埋入深度与柱墩竖向配筋的关系 图429 埋入式刚接柱脚 柱脚 2）刚接 ）包脚式 ）格构柱脚 要点：单肢铰接 与整体刚接 图429 埋入式刚接柱脚 图432 格构式框架柱脚 第五章第五章 单层厂房结构设计单层厂房结构设计 2 2、单层厂房的构成：、单层厂房的构成： 3 3、单层厂房受力体系、单层厂房受力体系 （2 2）风荷载的传力过程）风荷载的传力过程二）柱网布置：二）柱网布置： d) 横向框架2 2、满足结构要求，结构体系规整，刚度较好；满足结构要求，结构体系规整，刚度较好；三）框架类型：三）框架类型：1mcdb13h2h

23、hh1hBlklcb2c2 2、双层与单层吊车梁；、双层与单层吊车梁；四）支撑体系四）支撑体系 2 2、 屋盖支撑的布置屋盖支撑的布置3、屋盖支撑设计原则：屋盖支撑设计原则： 按腹杆形式分：按腹杆形式分：Lh)6/14/1( Lh)10/16/1( llox llox8 . 0 平面外：平面外：)25. 075. 0(121NNlloy 21NN 1lllo9 . 0 )1(210NNllo NNllo02121 lNNllo5 . 0)431(210 lNNllo5 . 04310 21NN 0y 0l55. 10yy 允许长细比允许长细比 压杆压杆 拉杆拉杆 桁架杆件桁架杆件 150 35

24、0 支撑支撑 200 400 il400 il800 i6 6、杆件截面验算：、杆件截面验算： fANn fAN yyoyyxxoxxilil )( tbtb075,. y yz yz fWMANnxxxn fNN801WMANExx1xxmxx ).( ExN)(2xR2ExEAN yz 7 7、钢屋架节点设计：、钢屋架节点设计： fWMANx1bxtxy 01. x1W)( eNNM21)( iiiiiiilIKMkkM ,）节点板尺寸按所连接杆件及焊缝长度定，至少有两条边平行，不）节点板尺寸按所连接杆件及焊缝长度定，至少有两条边平行，不应有凹角；应有凹角； 515118N8018N. 345Q235Q kNNmm单单位位单单位位, eNMNNN12 ,）弦杆拼接点（图）弦杆拼接点（图5 543 43 图图5-445-44） N150.eN150M . cfRA2b4RM4RV ,图5-45 梯形屋架简支支座节点图5-46 屋架与柱的刚接构造8、钢屋架设计实例、钢屋架设计实例 (P88)(P88)图5-45 梯形屋