钢结构基本原理（理论知识讲解）

钢结构基本原理

钢结构基本原理主要参考书：钢结构设计手册第三版中国建筑工业出版社门式刚架轻型房屋钢结构技术规范GB51022-2015钢结构设计规范GB50017-2003建筑抗震设计规范GB50011-2010(2016年版)钢结构基本原理1.材料承重钢结构的钢材性能须分别符合《碳素结构钢》GB/T700-2006和《低合金高强度结构钢》GB/T1591-2008的规定。Q235钢符合《碳素结构钢》GB/T700-2006；Q345钢符合《低合金高强度结构钢》GB/T1591-2008；质量等级分为A、B、C、D四个等级，从次到优排列；钢材的力学性能主要有抗拉强度、伸长率、屈服强度、冲击韧性和冷弯性能；化学成分：除了要保证含碳量外，硫、磷含量也不能超过国家标准的规定；1.材料材料的选用注意事项：所有承重结构的钢材均应有抗拉强度、伸长率、屈服点和硫磷极限含量的合格保证，对焊接结构尚应具有含碳量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。对于需要验算疲劳的的焊接结构重级工作制吊车梁和重级、中级工作制的吊车桁架应进行疲劳计算。

1.材料直接承受动荷载并需验算疲劳的构件（重级工作制吊车梁与Q≥50t的中级工作制吊车梁）应按环境温度选用钢材的质量等级。结构处于0度以上工作温度时，可选用Q235B或Q345B级钢；处于-20度以上时，选用Q235C或Q345C;低于-20度时，选用Q235D或Q345D。

工作温度：非采暖房屋，可采用《采暖通风和空气调节设计规范》所列的最低日平均温度；对采暖房屋内可提高10度采用。1.材料选用原则：焊接结构不能选用Q235A级钢；受力构件宜选用Q345级钢，Q345级钢比Q235级的钢材相比强度提高45%，价差在10%左右；当焊接承重结构板厚大于40mm时为防止钢材的层状撕裂，须采用Z型钢；对Q235钢，宜采用E43系列焊条；Q345钢宜采用E50型焊条。当Q235钢与Q345钢相焊接时，应采用E43焊条；有抗震设防要求时，钢材应满足抗震设计规范第3.9.2条的要求；2.设计基本规定设计方法：承载能力极限状态和正常使用极限状态承载能力极限状态简单理解为强度计算和稳定计算，使用的是荷载效应的基本组合；正常使用极限状态简单理解为变形的计算，使用的是荷载效应的标准组合；基本组合和标准组合的表达式详见荷载规范第3.2节的规定；2.设计基本规定荷载应按建筑结构荷载规范GB50009-2012要求选用；恒载可变荷载：均布活载、雪荷载、积灰荷载、吊车荷载、风荷载等屋面均布活荷载（不上人屋面）一般为0.5KN/m²,当刚架的受荷投影面积超过60m²时，可采用0.3KN/m²；门刚规范第4.1.3条2.设计基本规定荷载组合应符合下列原则：1.屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；2.积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；3.施工或检修荷载集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；4.多台吊车的组合应符合荷载规范的规定；5.风荷载不与地震荷载同时考虑。2.设计基本规定设计指标钢材强度设计值、焊缝强度设计值和螺栓连接强度设计值详见钢规第3.4.1条钢材强度极其连接在一些情况下进行折减，详见钢规第3.4.2条；钢材的物理性能指标见钢规第3.4.3条；2.设计基本规定结构或构件的变形规定应满足钢规第3.5条的规定；或门刚规范第3.3条的规定要求；具体的变形现值要求详见钢规附录A；当构件的挠度不能满足规范限值要求时，可以采用起拱的方式满足限值要求；起拱值按恒+0.5活标准值的挠度值确定，需要在设计文件中规定；一般情况下跨度大于24m的梁要求起拱；2.设计基本规定-构造构件：1.截面尺寸钢结构构件截面不宜小于L45X4或L56X36X4(焊接结构)或L50X5(螺栓连接),轻钢结构不受此限；2.板厚檩条和墙梁采用的冷弯薄壁型钢，壁厚不小于1.5mm;受力构件和连接板不宜小于4mm,圆钢管壁厚不小于3mm;3.构件的容许长细比钢结构见钢规第5.3.8条；轻钢见门刚规范第3.4.2条2.设计基本规定-构造构件的计算长度见钢规第5.3条对于常见的支承条件，计算长度系数见下表支承条件计算长度系数两端简支1.0两端固定0.5一端固定，一端简支0.7一端固定，一端自用22.设计基本规定-构造长细比如何计算L0为计算长度，为构件实际长度乘以计算长度系数；i为回转半径长细比是构造要求，杆件的最低刚度要求；

I为截面的惯性距，A为截面面积；2.设计基本规定-构造常见构件截面特性介绍简单材料力学知识工字形截面，圆形截面，矩形截面，单双角钢截面3.基本构件-受弯构件计算计算内容：强度计算包括正应力、剪应力的计算、局部压应力的计算和折算应力；整体稳定应力计算；局部稳定性；挠度计算；疲劳计算；3.基本构件-受弯构件计算正应力计算见钢规第4.1.1条，剪应力计算见第4.1.2条，折算应力计算见钢规第4.1.3条，折算应力见第4.1.4条；整体稳定应力计算见第4.2条；3.基本构件-受弯构件计算正应力计算见钢规第4.1.1条，剪应力计算见第4.1.2条，折算应力计算见钢规第4.1.3条，折算应力见第4.1.4条；整体稳定应力计算见第4.2条；2.设计基本规定-构造一.钢结构厂房系统简介一.钢结构厂房系统简介排架的几何尺寸S为吊车桥架的跨度，也及吊车两侧轨道中心距；B为吊车轮子中心(轨道中心)至桥架端部的距离；D为轨顶标高至吊车最高点的距离；C为吊车桥架端部外边和上段柱内边缘的距离，一般为80~100mm;h为吊车的活动小车的最高点到屋面下弦最低点的距离，一般为250~350；以上数据均可以从吊车样本中查到；一.钢结构厂房系统排架定位轴线和柱网布置：

单层厂房可为单跨或者多跨组合，其跨度应按工艺及生产要求确定，一般可按建筑模数的要求配置如18m、24m、27m以3m为模数递增。从技术经济效果考虑，以24~36m较为合理，采用压型钢板轻型屋面时，跨度偏大考虑。门式刚架轻型钢结构厂房柱距以7.5~9m较为合理重型钢结构柱距以9~12m为宜。吊车的标准轨距为S=L-2.0m(Q≥100t)，S=L-1.5m(Q≤75t)一.钢结构厂房系统简介排架定位轴线和柱网布置：

温度区段长度（伸缩缝间距）(m)不超过该长度时，可以不考虑温度应力的影响；结构情况纵向温度区段横向温度区段柱顶为刚接柱顶为铰接采暖和非采暖地区220120150热车间和采暖地区非采暖房屋180100125露天结构120---------一.钢结构厂房系统简介排架的荷载：风荷载满足门刚规范的按门刚规范，其他按荷载规范；雪荷载：轻型屋面时按100年重现期取值；设计时应采用积雪的分布情况：屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用；刚架斜梁按全跨积雪的均匀分布、不均匀分布和半跨积雪的均匀分布，按最不利情况采用；刚架柱可按全跨积雪的均匀分布情况采用。一.钢结构厂房系统简介吊车荷载：计算排架多台吊车竖向荷载时，对单跨厂房按2台考虑，对多跨厂房的中列柱按4台吊车考虑；计算吊车水平荷载时，对单跨或多跨的厂房的每个排架，参与组合的吊车台数不应多于2台；

当某些吊车样本中未给出最小轮压时，可按下式计算：

一.钢结构厂房系统简介吊车荷载：计算排架多台吊车竖向荷载时，对单跨厂房按2台考虑，对多跨厂房的中列柱按4台吊车考虑；计算吊车水平荷载时，对单跨或多跨的厂房的每个排架，参与组合的吊车台数不应多于2台；

起重机空载时的的最大轮压值和最小轮压值，可按下列公式计算：

一.钢结构厂房系统简介

:吊车样本提供的最大轮压值；:吊车样本提供的最小轮压值；Q:起重机的吊重；Lk:轨道中心距；lh:吊车主钩到轨道中心线的最小距离；n:吊车一侧的轮数一.钢结构厂房系统简介荷载组合应符合下列原则：1.屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；2.积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；3.施工或检修荷载集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；4.多台吊车的组合应符合荷载规范的规定；5.风荷载不与地震荷载同时考虑。一.钢结构厂房系统简介6.双层起重机的竖向荷载，宜按上层和下层起重机分别不多于2台计算；下层吊车满载时，上层吊车应按空载计算；上层吊车满载时，下层吊车荷载不计入；1.2柱间支撑柱间支撑的作用：

保证房屋的纵向稳定和空间刚度；

确定柱在平面外的计算长度；

承受房屋端部山墙风荷载、吊车纵向刹车荷载、温度应力和地震作用；

1.2柱间支撑柱间支撑的组成：

吊车梁以上部分的上柱支撑；

吊车梁以下到基础部分的下柱支撑；

纵向系杆、吊车梁、辅助桁架以及钢柱本身都是柱间支撑体系的组成部分；

1.2柱间支撑柱间支撑的形式：

十字形交叉支撑：传力直接，构造简单，用料省，刚度也大

，最常用；

空腹门式支撑：用料多，刚度差，特殊需要时采用；

八字形撑：柱间距l与柱间支撑高度h之比大于2.5时采用；

人字形支撑：柱间距l与柱间支撑高度h之比小于2时采用；1.2柱间支撑柱间支撑的布置原则：

满足生产净空的要求；

满足房屋纵向刚度的要求，还应考虑柱间支撑的设置对结构温度变形的影响及由此产生的温度应力；

柱间支撑的设置应与屋面支撑相协调，及同在一个柱距内；

每一个温度区段的每一柱列，一般均应设柱间支撑；1.2柱间支撑柱间支撑的布置原则：

房屋纵向长度不大时，可在中部设一道下柱支撑；大于120m时，设置两道下柱支撑，位置在区段长度1/3处；两道柱间支撑的距离不大于60m;上柱支撑在房屋的两端和有下柱支撑的柱间设置；1.2柱间支撑柱间支撑的截面形式和计算：

截面形式：

单片支撑一般采用单角钢和双角钢；双片支撑一般采用单双角钢或槽钢；

计算：

截面大小一般由长细比决定；吊车起重量和风荷载较大时，截面需要进行强度复核；1.2柱间支撑柱间支撑的截面形式和计算：

截面形式：

单片支撑一般采用单角钢和双角钢；双片支撑一般采用单双角钢或槽钢；

计算：

截面大小一般由长细比决定；吊车起重量和风荷载较大时，截面需要进行强度复核；1.2柱间支撑柱间支撑杆件的容许长细比：构件名称压杆拉杆有重级工作制吊车的厂房有轻、中级工作制吊车的厂房吊车梁以下的柱间支撑150200300吊车梁以上的柱间支撑2003504001.2柱间支撑柱间支撑承受的荷载：

纵向风荷载标准值：

通过山墙抗风柱及屋面支撑传来的柱顶的风荷载W1;

通过抗风桁架传来的风荷载W2，作用于吊车顶面；

均可按山墙受风载的面积计算；

1.2柱间支撑柱间支撑承受的荷载：吊车纵向水平荷载标准值，作用于吊车梁顶面：Td=0.1∑PmaxPmax为同一柱列吊车梁上两台吊车所有刹车轮的最大轮压之和；

其他荷载，比固定于柱上的纵向管道的推力，按实际情况考虑；

1.2柱间支撑柱间支撑杆件的计算简图：

计算支撑内力时，假设节点为铰接，并忽略偏心影响十字交叉支撑，一般可按受拉杆件设计，即仅考虑其中一个杆件受拉；

空腹门式支撑一般按平面桁架计算各杆件的内力；

八字撑按拉杆设计；

人字支撑按一拉一压设计；1.2柱间支撑1.2柱间支撑柱间支撑的抗震构造措施：

柱间支撑在交叉节点处设置节点板，节点板的厚度不应小于10mm;2.吊车梁系统吊车梁系统：由吊车梁、制动结构（制动梁及制动桁架）、辅助桁架及支撑（水平支撑和垂直支撑）组成。根据吊车的起重量、工作级别和吊车梁的跨度来选择吊车梁系统的组成。

轻中级工作制简支吊车梁，当吊车起重量≤50t时优先采用采用制动桁架，也可以制动梁；重级工作制及起重量大于50t的中级工作制吊车梁宜采用制动梁。

2.吊车梁系统吊车梁系统：

当吊车梁位于边列柱，且吊车梁跨度≤12m，可以采用边梁加制动板（制动桁架）的形式；当重级工作制吊车梁跨度≧12m,或轻、中级工作制吊车梁跨度≧18m,宜设置辅助桁架和下弦水平支撑。当设置垂直支撑时，其位置不宜在吊车梁竖向挠度较大处，一般设在距离支座1/3~1/4跨度处。

2.吊车梁系统2.吊车梁系统吊车梁系统：吊车工作制的划分

吊车工作制的确定由工艺专业定。一般是按照吊车的工作繁重程度来确定，分为4个等级：轻级（A1~A3)如安装维修用的电动梁式吊车;中级（A4~A5),机械加工车间用的软钩桥式吊车;重级（A6~A7),繁重工作车间软钩桥式吊车,铸造，冶炼锻造车间;特重级（A8)冶金用桥式吊车2.吊车梁系统吊车梁系统：设计的一般规定一般按两台最大起重量的吊车或者一台最大和一台次大组合进行设计；除非工艺专业非常明确只有一台吊车时可以按一台设计。

2.吊车梁系统吊车荷载横向水平荷载：计算吊车梁和横向排架计算纵向水平荷载：纵向计算柱间支撑和纵向结构的刚度计算2.吊车梁系统吊车梁系统：

吊车梁的挠度应按一台吊车的荷载标准值（不考虑动力系数）进行计算，其容许值不超过下表的规定。

构件类型轻级工作制中级工作制重级工作制容许挠度值L/800L/1000L/12002.吊车梁系统吊车梁系统：

计算吊车梁由于竖向荷载产生的弯矩和剪力时，应考虑轨道和它的固定件、制动结构、支撑系统以及吊车梁的自重时，可以近似的简化为将求得的弯矩和剪力乘以放大系数。

吊车梁跨度（m）61215≥18系数1.031.051.061.072.吊车梁系统疲劳计算

重级工作制吊车梁和重级、中级工作制的吊车桁架应进行疲劳计算。

直接承受动荷载并需验算疲劳的构件（重级工作制吊车梁与Q≥50t的中级工作制吊车梁）应按环境温度选用钢材的质量等级。结构处于0度以上工作温度时，可选用Q235B或Q345B级钢；处于-20度以上时，选用Q235C或Q345C;低于-20度时，选用Q235D或Q345D。

工作温度：非采暖房屋，可采用《采暖通风和空气调节设计规范》所列的最低日平均温度；对采暖房屋内可提高10度采用。2.吊车梁系统2.吊车梁系统加劲肋的设置：项次判别公式配置规定1按构造设置横向加劲肋2按构造设置横向加劲肋，并计算腹板的局部稳定3受压翼缘有约束时除设置横向加劲肋外，按计算需要在弯曲应力较大区隔的受压区增加纵向加加劲肋，局部应力很大的梁宜在受压区配置短加劲肋4任何情况下，不得大于2502.吊车梁系统翼缘板厚度及宽度

局部稳定：自由外伸宽度与厚度比值b/t≤

构造要求：

吊车轨道用压板固定时≥320mm(无制动结构);≥360mm(有制动结构)根据轨道型号与相应的轨道连接仔细核对。

其他固定方式，一般上翼缘宽度都能满足

2.吊车梁系统变截面吊车梁：

一般情况翼缘不变，只是腹板高度变化；

相邻跨柱距不等时，便于柱肩梁部位构造处理，将两跨吊车梁截面端部取同。

变高度有在距离支座1/6L范围内渐变式或者阶形突变式。梁端腹板高度变化后高度应由计算确定，并不小于跨中腹板高度的1/2。

2.吊车梁系统吊车梁与柱、制动结构连接及构造

梁端上翼缘与柱的连接：

连接板计算：

强度：

稳定：

2.吊车梁系统吊车梁与柱、制动结构连接及构造连接板-160x8,Q235B级钢，连接螺栓为2M20,连接板的净截面强度承载力199KN,稳定计算承载力见下表

长度（mm）200300400500长细比87130174217稳定计算承载力(KN吊车梁系统吊车梁与柱、制动结构连接及构造

梁端上翼缘与柱的连接：

连接板与柱和吊车梁上翼缘的连接计算：采用焊接时：采用高强螺栓时：2.吊车梁系统吊车梁与柱、制动结构连接及构造Rh,无制动梁时，为吊车梁端部传给柱子的反力；Rh,有制动梁时，为吊车一个轮子引起的水平作用力当额定起重量不大于10t时，应取0.06(Q+g)/n；

当额定起重量为16～50t时，应取0.05(Q+g)/n;