第一章钢结构概念设计

第一章概念设计1.1钢结构的适用范围1.2钢材的选用1.3建筑钢结构荷载与作用的特点1.4钢结构的计算1.5结构体系1.6节点设计提纲1、钢结构的适用范围优点：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，抗震性好；缺点：耐腐蚀性较差，耐火性差，单价高，维护费用高。钢结构概念设计1、钢结构的适用范围钢结构的适用性：

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2、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

钢结构概念设计2、钢材的选用钢材冲击韧性指标选择：影响因素结构重要性µ1荷载状况µ2连接状况µ3使用温度µ4选择因子数值类别三类静力全螺栓、无焊接不低于0℃1二类一般动力大部分工厂焊、工地螺栓不低于-20℃2一类疲劳动力大部分现场、高空焊不低于-40℃3表1-1选择钢材冲击韧性指标的影响因素及选择因子µ=µ1×µ2×µ3×µ4选择因子之积µ23～1618～2424～54>54材料等级ABCDE表1-2选择因子之积µ与材料冲击韧性指标的关系表钢结构概念设计建筑工程重要性等级划分

一级工程，重要工程,后果很严重，重要工业、民用建筑;20层以上的高层建筑;体型复杂的14层以上高层;对地基变形有特殊要求的,单柱荷载在4000KN以上的

二级工程，一般工程,后果严重，一般的工业、民用建筑

三级工程，次要工程,后果不严重，次要的建筑物3、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的变异钢结构概念设计1.3.1风荷载（控制性荷载之一）风对墙体的压力、吸力结构整体侧向风力计算维护结构的阵风系数与主体结构的风振系数钢结构概念设计空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物表面产生压力或吸力，这种风力作用叫风荷载。风的大小与（1）近地风的性质、风速、风向有关（2）建筑物所在地的地藐及周围环境（3）建筑本身的高度、形状以及表面状况有关风的破坏力“森拉克”肆虐浙闽防波堤被冲垮百米

[

2003七月2812:43

]由于16号“森拉克”台风的袭击，投资1.2亿元、总长达1837米的玉环县坎门渔港防波堤遭受严重的损坏。渔港西堤被巨浪冲垮2个缺口，造成防波堤砌面下滑，总长达100多米。险情发生后，当地政府组织公安、边防、民兵应急分队和群众及时进行抢修，力争将损失降低到最低限度。

风的破坏力风的破坏力风的破坏力风的破坏力广州大道南一栋五层厂房近1000平方米的2块铁皮被卷起后砸中附近五金厂，100多名工人侥幸逃过大难8月18日台风圣帕建筑结构荷载规范：规范正文条文说明7风荷载7.1风荷载标准值及基本风压7.1.1垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算：

2当计算围护结构时

(7.1.1-2)

7.1.2基本风压应按本规范附录D.4中附表D.4给出的50年一遇的风压采用，但不得小于0.3kN／m2。规范正文风荷载标准值nominalvalueofwindload垂至于建筑物表面的风荷载标准值(kN/m2)风压高度变化系数按照地面粗糙度类别和距地面高度确定地面粗糙度分类－A近海海面、海岛、海岸、湖岸、沙漠－B田野、乡村、丛林、丘陵、房屋稀少的乡镇及城郊－C有密集建筑群的城市市区－D有密集建筑群且房屋较高的城市市区风压高度变化系数离地面或海

平面高度地面粗糙度类别(m)ABCD5

10

15

20

30

40

50

601.17

1.38

1.52

1.63

1.80

1.92

2.03

2.121.00

1.00

1.14

1.25

1.42

1.56

1.67

1.770.74

0.74

0.74

0.84

1.00

1.13

1.25

1.350.62

0.62

0.62

0.62

0.62

0.73

0.84

0.93(m)ABCD70

80

90

100

150

200

250

300

350

400

≥4502.20

2.27

2.34

2.40

2.64

2.83

2.99

3.12

3.12

3.12

3.121.86

1.95

2.02

2.09

2.38

2.61

2.80

2.97

3.12

3.12

3.121.45

1.54

1.62

1.70

2.03

2.30

2.54

2.75

2.94

3.12

3.12L02

1.11

1.19

1.27

1.61

1.92

2.19

2.45

2.68

2.91

3.12总风载（kN/m）

建筑物各个表面承受的风力的合力为总风载，是沿高度变化的分布荷载1.3.2冰雪荷载屋面外形设计的原则：快速排水，排向强处覆冰荷载覆冰荷载危害的产生过程《建筑结构荷载规范》规定活荷载不与雪荷载同时组合。钢结构概念设计第三节雪荷载积雪过重压塌市场屋顶莫斯科市场坍塌压死48人06年德国东南部阿尔卑斯山小镇巴特赖兴哈尔当地时间1月２日发生惨剧，大雪压塌当地一处溜冰馆的屋顶，21人死亡3人失踪2005年威海12月8日讯(特派记者黄强)今天凌晨3时58分，位于威海市崮山镇的威海大峻金属制品有限公司一车间发生坍塌，造成1人死亡、多人受伤。基本雪压定义：当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。

S=ρgh=γhＳ－雪压（Ｎ／ｍ2）

γ－雪重度（Ｎ／ｍ３）

Ρ—雪密度（kg／ｍ３）

h－雪深（ｍ)屋面雪压屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：Sk＝μrS0

式中

Sk-雪荷载标准值，kN/m2；

μr-屋面积雪分布系数；屋面雪载与地面雪载比值S0-基本雪压，kN/m2。影响屋面雪压的因素：①风；②屋面形式；③屋面散热

漂积作用的影响：高低屋面上漂积雪的分布如右示①使敞风较好的平屋面或小坡度屋面上的雪压小于邻近地面上的雪压；②在高低跨屋面的情况下，在低屋面形成局部较大的漂积荷载；高低屋面上漂积雪的分布如右示：③在多跨坡屋面情况下，屋谷附近区域的积雪比屋脊区大①当屋面坡度大到某一角度时，积雪就会在屋面上产生滑移或滑落，坡度越大滑落的雪越多，使屋面雪载越小。

屋面坡度对屋面积雪分布系数的影响2屋面形式对积雪的影响—滑落②“爬坡风”效应。风速越大，吹走的积雪越多。而且坡度越陡，这种效应越明显。对双坡屋面及曲线型屋面，风作用使总的屋面积雪减少，还会引起屋面的不平衡积雪荷载。3屋面散热的影响屋面散发的热量使部分积雪融化，同时也使雪滑移更易发生，故采暖房屋的积雪一般比非采暖房屋小。例1某木屋架仓库屋盖，剖面图如图所示坡度为26.56度，该地区基本雪压为0.55KN/m2,求作用在屋盖上的雪荷载标准值（雪不均匀分布）。μr=1—1.56*0.2/5=0.94Sk

=1.25μr

S0=0.65KN/m21.3.3温度作用建筑结构的绝对温度作用（即时温度与合龙温度之最大差值）建筑结构的相对温度作用（同一结构不同温度下的温差）钢结构概念设计什么是温度作用？指结构或构件受外部或内部条件约束,当外界温度变化时或在有功的条件下,不能自由胀缩而产生的作用.当然对于静定结构,通常温度的改变不会引起构件内力的变化.但需要说明的是,这种结论是在结构的变形能够自由充分发展的假设上的.而实际的结构或多或少与计算模型有一定的差异,因此需要在构造上保证结构的温度变形不要受到约束.例如桥梁结构的支座构造和伸缩缝的构造就是一个很好的例子.

对于超静定结构,温度引起的变形是受到约束的,会产生附加的内力.因此必须在结构分析中考虑温度的作用,将其作为两种工况来考虑(1.温度升高2.温度降低),并参与荷载效应组合.1.3.4地震作用及抗震尽可能减小配套结构的重量---采用轻质围护结构提高钢结构的延性变形能力----延性变形可促使结构内力重新分布避免坍塌利用一切附加因素提高阻尼比1.3.5荷载与结构的变异在钢结构的建造及使用过程中，结构本身以及荷载的状态都在不断变化。钢结构概念设计4、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

1钢结构概念设计结构极限状态验算

(1-2)－－－－－永久荷载效应控制

(1-3)－－－－－标准组合

(1-4)－－－－－频遇组合

(1-5)－－－－－准永久组合}长期效应

基本组合

承载能力极限状态

正常使用极限状态

（罕遇地震验算）偶然组合结构效应计算短期效应

(1-1)可变荷载效应控制

γ=1.0图2极限状态验算公式关系图4、钢结构的计算钢结构概念设计荷载效应对结构有利于否计算内容

永久荷载分项系数rG不利可变荷载控制1.2永久荷载控制1.35有利一般结构计算1倾覆、滑移0.9可变荷载分项系数rQ一般情况1.4标准值大于4kN/m2工业房屋楼面1.3可变活荷载的组合值系数为0.7雪荷载组合值系数为0.7风荷载组合值系数为0.6积灰荷载组合值系数为0.9作业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。

4、钢结构的计算钢结构概念设计（2）广义变形限值

A）预拱的选择

ⅰ）楼面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；

ⅱ）屋面钢梁的预拱为恒载标准值引起的变形；

ⅲ）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。

ⅳ）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。5、结构体系结构体系与使用要求：1）住宅建筑要求相对小跨度、小分隔、小高度多层重合空间，一般用框架结构；2）办公建筑与住宅相仿，仅要求平面空间略大且灵活，框架体系也较合适；3）一般工业建筑要求相对大跨度、大高度规整空间，一般用门式刚架；4）公共建筑要求大跨度、大高度、异型空间，可用造型优美的拱、壳、索、膜或杂交结构。钢结构概念设计5、结构体