轻型建筑钢结构体系设计概述

轻型建筑钢结构体系设计概述摘要本文简要介绍了上海美建钢结构的构成体系和基本设计条件，对设计轻钢建筑承重体系的主钢构、次结构和支撑的过程进行了描述。1通用条件1．1简介及基本设计依据本简介所包含的内容是对金属建筑体系设计的描述。这些概要描述将使建筑师、承建商以及业主了解关于金属建筑体系设计的基本知识。图1是建筑示意图，其中指出了典型的构件。例如：刚架，端墙，檀条，围梁，支撑及面板。在本图中选用了一个净跨刚架作为示例。但是，其它标准类型的刚架，如同1．3节所描述的那样，均可用来作为建筑物的基本钢架构件。所有的设计均是严格地遵守最新版本的AISC和AISI标准进行的。上海美建钢结构有限公司完成完整的安装图以正确识别并组装所有的建筑构件。这些图纸应表现地脚螺栓布置，刚架剖面图，侧墙、端墙以及屋面框架，收边以及排板布置和附件安装详图。所有热轧钢构件截面或焊接钢构件截面的设计必须符合1989年6月1日出版的AISC"建筑钢结构规范"许用应力设计及塑性设计的要求。所有冷弯钢构件截面的设计必须符合1996年版的AISI"冷弯钢结构构件设计规范"的要求。1．2．设计考虑荷载建筑物的设计荷载，除了其自身的恒荷载之外，应考虑由下列文件之一所规定的活荷载、风荷载、雪荷载和地震荷载：由SouthernBuildingCodeCongressInternationallnc．颁布的SBC规范；由BuildingOfficialsandCodeAdministratorlnc．颁布的BOCA国家建筑规范；由InternationalCoderenceofBuildingOfficcials颁布的UBC规范；由NationalResearchofCouncilofCanada颁布的NBCC(加拿大国家建筑规范)；由MetalBuildingManufacturersAssociation颁布的《低层建筑体系手册》。上海美建钢结构有限公司的结构设计能承受指定建筑规范所要求的最为不利的荷载组合的作用，任何情况下不能少于以下四种：a)建筑物的恒荷载加上均布的屋面活荷载(或雪荷载)作用于屋面区域的水平投影面上；b)建筑物的恒荷载加上垂直于建筑物外表面的风荷载(压力或是吸力)；c)建筑物的恒荷载加上风荷载加上1/2的屋面雪荷载；d)建筑物的恒荷载加上1/2的风荷载加上屋面雪荷载。屋面的活荷载和雪荷载应作用于屋面的水平投影面上。风荷载应假设为水平作用并考虑为垂直于建筑表面的压力和吸力。如果当地管理机构有特别要求，在设计一个建筑时可根据具体要求选用不同于以上所列规范的荷载、荷载组合或荷载作用方法进行设计。通常这些特殊的设计条件不在我们的标准设计软件中自动表现出来，但可以增加到软件的设计荷载组合中，如同上述的标准荷载组合一样进行设计校核。1．3常用结构形式简介LRF净跨，LRF-M带内柱低坡度刚架是具有1：12标准屋面坡度的连续框架建筑。其主刚架由变截面梁柱构成，连续的侧墙围梁叠接于柱上。RF净跨，RF-M带内柱高坡度刚架是具有4：12标准屋面坡度的连续框架建筑。其主刚架由变截面梁柱构成，连续的侧墙围梁叠接于柱上。GC净跨，GC-M带内柱梁柱体系是具有1：12标准屋面坡度的连续框架建筑。其主刚架内支承于直柱的变截面梁构成，变截面梁的下翼缘保持水平。简支的侧墙围梁嵌入柱间。LTLean-to是支承于一个提供结构支撑的主刚架上的单坡扩展部分。这些扩展通常有与所连接的主建筑相同的标准坡度和侧墙围梁设计。LP2净跨，LP2-M带内柱低坡度刚架是具有1/2:12标准屋面坡度的连续框架建筑。其主刚架由支承于直柱的变截面梁构成。简支的侧墙围梁嵌入柱间。LP4净跨，LP4-M带内柱低坡度刚架是具有1/4:12标准屋面坡度的连续框架建筑。其主刚架由支承于直柱的变截面梁或直梁构成。简支的侧墙围梁嵌入柱间。LSS净跨，LSS-M带内柱单坡的低坡度刚架是具有1/4:12标准屋面坡度的连续框架建筑。其主刚架由变截面梁柱构成，连续的侧墙围梁叠接于柱上。SSF净跨，SSF-M带内柱单坡的低坡度刚架是具有1/4:12标准屋面坡度的连续框架建筑。其主刚架由变截面梁柱构成，简支的侧墙围梁嵌入柱间。以上的LP4、LSS、SSF类型建筑体系屋面坡度极小，需要使用II型直立锁缝板、360直立锁缝板或LOC-SEAM锁缝板屋面体系。2钢架2．1钢架分析方法所有刚架构件应为焊接"H"型截面或热轧型钢截面，刚架柱及刚架梁可为等截面或变截面。刚架的分析和设计是一件费力的工作。上海美建钢结构有限公司的投资者之一美国建筑公司开发了一个计算机软件用来对钢结构框架进行细致的分析和设计。以下是对这个软件的简要介绍。这个软件包含了以下七个部分：1)几何输入2)荷载输入以及刚度计算3)等效力计算4)位移计算5)反力以及构件内力计算6)应力分析7)自动设计几何输入：图2表示了程序可以分析设计的结构的典型剖面。这是一个带有垂直侧墙柱和两个屋面的门式刚架，在屋面大梁的中点由内柱支撑。每个侧墙柱和屋面大梁都可以分成一些段；这些分段可以是等截面的或变截面?quot;H"型截面。内柱必须是等截面的"H"型或管柱。侧墙柱与内柱的柱脚底板可以在不同的标高上。左右侧墙和屋面的坡度均可以是不相等的。支点和荷载：柱底板可以设计成铰接的或刚接的；内柱与屋面梁的连接也可以是铰接或刚接的。分布的恒荷载、可变荷载以及风荷载被考虑为通过指定间距的檀条和围梁传递到刚架上。另外，可以在刚架的任何位置上指定集中力和弯矩，从而输入挑檐、吊车和牛腿的荷载，等等……输入：软件的输入信息包括建筑几何尺寸、控制点的构件腹板高度、柱子位置、围梁和模条、荷载描述、材料特性以及应力控制指标。如只进行分析，就需要输入构件的截面细节。如只进行设计，软件就根据库存管材的翼缘规格和腹板厚度规格进行设计。分析：选择分析模式时，软件不会对构件截面做任何选择。根据输入的信息，包括所有构件的几何尺寸，软件自动生成刚架的准确几何中心线。分析根据杆件单元模型进行，杆件单元(构件)之间是"连接点"，杆间与其余构件之间是"节点"。所有施加于结构上的荷载都被转换为作用?quot;节点"上的等效力和力矩。采用矩阵弹性结构分析理论的直接刚度法进行分析。通过计算单元的刚度矩阵并凝聚后得到整个刚架的荷载-变形关系矩阵。变截面单元的刚度系数和等效端点内力是通过数值分析得到的。指定的支点位移和荷载条件的节点位移是通过矩阵块状分解得到的，由此可得到支承反力和构件端部内力及弯矩。软件最后计算每个构件上的最为不利的应力，根据AISC规范的许用准则进行比较。软件显示实际应力与许用准则的比值。软件对每一种指定的荷载组合都做分析。设计：选择设计模式时，刚架是经过一系列叠代分析和设计而得到的。软件最初根据库存的翼缘板、腹板和钢管的情况分析一个大致的刚架，然后通过分析，检验许用应力，选择更优截面直到获得一个令人满意的刚架。设计完成后，软件对每一种指定的荷载组合都做分析，给出每个构件上的最为不利的应力。输出：软件的输出可以有不同的详细程度。最为基本的输出包含输入数据列表，刚架形心线几何坐标，作用力，构件端部内力，节点变形，构件规格，应力校验，螺栓连接校验，地脚螺栓和基础底板等。如有需要还可以附加更为详细的信息。2．2钢架的侧向变位根据MetalBuildingManufacturersAssociation(MBMA/96)C5.6节的描述，许多金属建筑体系在建筑物的横向可以设计成能抵抗弯矩的刚架来抵抗侧向荷载。经验证明在风荷载作用下刚架的侧向位移远远小于采用通常的分析方法得到的预计值。以下三个因素明确地揭示了这一明显异常的原因：1)传统的计算是建立在最大设计荷载基础上的；2)通常的分析方法只针对单纯的刚架(忽略不计屋面板的蒙皮效应)，并且铰接柱脚的抗弯刚度同样忽略不计；3)不考虑各个刚架之间的荷载分配。在计算机的打印输出文件中给出了各个节点的单纯的刚架位移数值。当考虑整个金属建筑体系时，侧向位移可能只有单纯的刚架的位移值的十分之一。上海美建钢结构有限公司的标准设计原则符合1996年版MBMA手册的建筑适用性要求(援引于AISC《钢结构设计指南》第三卷"对于低层建筑物的适用性设计要求")。使用其他的设计规范(如上海市轻钢结构设计规程)可能有不同的变位控制要求，但根据订单所指明的，结构设计可满足特殊的适用性要求。垂直变形控制要求：屋面雪荷载＝根据屋面坡度折减的50年一遇地面雪荷载檀条屋面活荷载或雪荷载仅仅支承金属屋面L/150支承吊顶板L/240屋面梁屋面活荷载或雪荷载仅仅支承金属屋面L/150支承吊顶板L/240楼面次梁或主梁楼面活荷载支承混凝土楼面L/360吊车行车梁吊车静态垂直荷载CMAA所规定的A，B，C级L/600CMAA所规定的D级L/8OOCMAA所规定的E，F级L/1000CMAA所规定的E，F级L/1000悬吊式及单轨吊车CMAA所规定的A，B，C级L/450摇臂吊车吊车静态垂直荷载L/225支承砌体墙的墙梁所有荷载L/600且小于8毫米水平变形要求：10年风荷载＝50年风荷载x0．75墙面板10年风荷载L/120围梁10年风荷载支承金属墙面1420支承砌体墙面L/240且小于38毫米刚架10年风荷载支承金属墙面H/60支承砌体墙面H/100吊车横向荷载或10年风荷载地面操作吊车行车梁标高处H/100空中操作吊车行车梁标高处H/100且小于51毫米吊车行车梁吊车横向荷载L/400抗风梁10年风荷载L/240上海美建钢结构有限公司在项目设计中还使用以下适用性限值：垂直变形控制要求：屋面板屋面活荷载或雪荷载L/150伸缩缝设置：建筑长度方向伸缩缝间距300米屋面板在建筑宽度方向伸缩缝间距60米3端墙及支撑3、1介绍及分析方法本章节说明端墙刚架体系的设计和圆钢支撑的设计。设计中考虑的端墙构件是屋面大梁、角柱、内柱，有必要时还包括端墙的圆钢支撑。另外，这一设计模块还包括了屋面及侧墙的圆钢支撑。本章中的图3以图形化的方式表示了这些构件，同时还指明了作用于构件上的各种荷载。图3梁柱形式端墙内的支撑根据设计要求所有端墙钢构的屋面梁和端墙柱应为冷弯成型的"C"，型截面、热轧型钢或焊接"H"型截面。端墙屋面大梁采用连续梁的设计方法来抵抗特定的荷载组合。角柱和内柱在恒荷载加可变荷载组合条件下按两端铰接受压构件设计，水平风荷载作用下，内柱按简支梁设计。作用于侧墙的水平风荷载可以考虑由外墙蒙皮或圆钢支撑承担。屋面的圆钢支撑是受拉构件，用来将作用于建筑物端墙上的风荷载传递到檐口支梁上，并最终由侧墙上的圆钢支撑传递到基础上。图4表示了作用于支撑上的荷载。图4梁柱形式端墙内的支撑3．2支撑在金属建筑中采用的支撑有以下几种：对角支撑：设置于屋面及侧墙面的对角支撑，用于抵抗建筑物纵向的荷载(如风荷载、吊车荷载)。对角支撑应在工厂制作到所需长度，两端配以斜面垫圈以及螺母。对角支撑采用两端制出螺纹的圆钢，根据需要也可采用角钢制成的支撑。翼缘支撑：所有主钢构构件的受压翼缘应有连于檀条或围梁腹板的角钢提供侧向支撑，以保证在任何荷载组合下，翼缘内的压应力不超过许用限值。特殊支撑：当侧墙上不允许设置对角支撑时，必须使用一种门式刚架，具有与基础固接的柱或蒙皮效应墙。当屋面及墙面板的蒙皮效应足以抵抗建筑物上的风荷载时，可不使用屋面及墙面的抗风支撑。4檀条及围梁上海美建钢结构有限公司的模条及围梁应采用具有带加劲肋翼缘的冷弯成型"Z"型或"C"型截面。这些构件应在工厂冲出与主钢构进行现场连接的螺栓孔。根据需要，这些构件可设计为简支的或连续的。檐口支梁：檐口支梁应为不等翼缘的冷弯成型"C"型截面。檀条及围梁采用冷弯薄壁型钢制成，材料的屈服强度是50ksi，外形尺寸是带卷边加强肋的8"x2．5"和9．5"X3"的"Z"型和12"x3．5"的"C"型截面，如图5所示。表1给出了根据1986年版的AISI规范计算得到的截面特性和承载能力。图5尺寸、特性和承载能力设计檀条及围梁和连接所采用的弯矩和剪力是由直接刚度法分析得到的。为满足多种的荷