钢结构设计教程 青岛理工_青岛理工大学课程设计

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第一章

轻钢结构

1.1 概述

单层门式刚架结构是以主要承重骨架、檩条、墙梁、屋面、墙面、保温隔热材料、支撑组成的一种轻型房屋结构体系。单层门式刚架结构和钢筋混凝土结构相比具有以下特点：

(1)质量轻

(2)工业化程度高，施工周期短

(3)综合经济效益高

(4)柱网布置比较灵活

门式刚架轻型房屋结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期。近年来其应用得到了迅速的发展，主要用于轻型的厂房、仓库、建材等交易市场、大型超市、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。

1.2 结构形式和结构布置

门式刚架又称山形门式刚架。其结构形式按跨度可分为单跨双跨和多跨按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。

结构布置：

1.刚架的建筑尺寸和布置：

(1).跨度取横向刚架柱间距离，跨度宜为9－36m

(2).高度应取地坪柱轴线与斜梁轴线交点的高度，宜取4.5－9m

(3).门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、或9m(4).温度分区 ：纵向温度区段

2.檩条和墙梁的布置：

(1).屋面檩条一般应等间距布置。但在屋脊处，应沿屋脊两侧各布置一道檩条，使得屋面板的外伸宽度不要太长(一般小于

(2).侧墙墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。

(3).支撑和刚性系杆的布置：

在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。

端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30-45m；有吊车时不宜大于60m。

当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。

当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。

刚性系杆可由檩条兼任，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H形钢或其它截面形式的杆件。

1.3 刚架设计

1.在进行刚架内力分析时，所需考虑的荷载效应组合主要有：

（1）1.2×永久荷载+0.9×1.4×[积灰荷载+max{屋面均布活荷载、雪荷载}]+0.9×1.4×(风荷载+吊车竖向及水平荷载)

（2）1.0×永久荷载+1.4×风荷载

要考虑腹板的高厚比影响。

压型钢板和用于檩条、墙梁的卷边槽钢和Z形钢都属于冷弯薄壁构件，这类构件允许板件受压屈曲并利用其屈曲后强度。因此，在其强度和稳定性计算公式中截面特性一般以有效截面为准。但对于对于翼缘宽厚比较大的压型钢板，设置尺寸适当的中间纵向加劲肋，就可以保证翼缘受压时全部有效。

压型钢板的强度和挠度可取单槽口的有效截面，按受弯构件计算。内力分析时，把檁条视为压型钢板的支座，考虑不同荷载组合，按多跨连续梁进行。

压型钢板的构造规定：

（1）腹板与翼缘水平面之间的夹角不宜小于45°。

（2）宜采用长尺寸板材，以减少板长度方向的搭接。

（3）长度方向的搭接端必须与支撑构件(如檩条、墙梁等)有可靠的连接部 位应设置防水密封胶带。

（4）搭接长度不宜小于下列限值：

屋面：

高波（波高

低波（波高 >70mm）压型钢板：375mm

屋面坡度

屋面坡度 > 1/10时：200mm

墙面：压型钢板：120mm

1.5 檩条设计

檩条的截面形式可分为实腹式和格构式两种。当檩条跨度(柱距)不超过9m时，应优先选用实腹式檩条。

设置在刚架斜梁上的檩条在垂直于地面的均布荷载作用下，沿截面两个形心主轴方向都有弯矩作用，属于双向受弯构件。在进行内力分析时，首先要把均布荷载分解为沿截面形心主轴方向的荷载分量qx、qy。

1.檩条的截面验算：

(1)强度计算——按双向受弯构件计算：

当屋面能阻止檩条的失稳和扭转时，可按下列强度公式验算截面：

2.整体稳定计算：

当屋面不能阻止檩条的侧向失稳和扭转时(如采用扣合式屋面板时)，应按稳定公式验算截面：

3.变形计算：

实腹式檩条应验算垂直于屋面方向的挠度。

对卷边槽形截面的两端简支檩条：

对Z形截面的两端简支檩条 ：

柱间支撑计算：

按拉杆设计，所受拉力为：

强度验算: 刚度验算:

1.7 建筑构造设计

天窗结构通常由天窗架、檩条（或太空轻质大型屋面板）、侧窗横档和天窗架支撑系统组成。

天窗架的跨度和高度根据厂房的采光和通风要求确定。其跨度一般为屋架跨度的1/3～1/2，高度为其跨度的1/5～1/2。

为了防止外墙面压型钢板腐蚀以及被硬物碰撞，延长压型钢板使用寿命，在建筑构造上应采取以下措施：

1）在基础地梁上砌筑一段砌块墙体，高度一般为0.9～1.2m。

2）屋面采用有组织内排水。

第二章 重型厂房钢结构

基本要求

1.了解重型厂房的组成、屋架外形及腹杆形式，掌握柱间支撑及屋盖支撑的作用与布置。

2.掌握刚架内力分析方法及内力组合原则。

3.掌握钢屋架杆件截面的选取，了解一般构造要求。

4.了解吊车梁的荷载及截面组成，掌握吊车梁的连接构造及截面验算方法。

教学内容

2.1 结构形式和结构布置

2.2 计算原理

2.3 钢屋架设计

2.4 吊车梁设计

重点难点

本章内容包括厂房结构布置、计算原理、钢屋架设计和吊车梁设计四部分，其中钢屋架设计和吊车梁设计是本章的重点。通过本章的学习，最终要求达到：

（1）根据实际需求，确定钢屋架的类型，并设计出此屋架；

（2）掌握吊车梁的受力特点，荷载分析，节点设计与计算，并能绘制施工图。

2.1 结构形式和结构布置

柱网布置 考虑工艺、结构和经济等因素确定，兼顾模数的要求。

1.计算单元 取相邻柱距的平均值:

5.屋盖支撑 作用与布置:。

2.2 计算原理

刚架内力计算 引用当量惯性矩将格构式柱和屋架换算为实腹式构件进行内力分析。

内力组合原则 按承载能力极限状态设计时，构件和连接取简化公式中的最不利值确定。

2.3 钢屋架设计

桁架内力分析 按节点荷载作用下的平面铰接桁架，用结构力学方法分析内力。

吊车梁的截面验算 强度验算

单轴对称工字型截面

受压区

网架的计算要点 3.4 空间杆系有限元法 3.5 网架杆件设计 3.6 节点设计 3.7 网壳

重点难点:

本章讲述了大跨度屋盖结构的主要形式。其中以双层网架为重点内容。通过本章学习，最终要求达到：根据实际工程要求，能正确的选择网架的结构形式，节点形式，能应用相应的大跨度计算软件进行结构设计。设计完成能运用本章的知识进行校对，并能分析该设计的准确性。难点：空间杆系有限元法。

3.1 结构形式

大跨钢结构按几何形状、组成方法、结构材料及受力特点的不同可分为平面结构体系和空间结构体系两大类。属于平面结构体系的有：梁式结构(平面桁是、空间桁架)，平面刚架和拱式结构。属于空间结构体系的有：平板网架结构、网壳结构、悬索结构、斜拉结构、张拉结构等。

3.2 网架的形式

网架按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架。双层网架是由上弦、下弦和腹杆组成的空间结构(图1)，是最常用的网架形式。而双层网架的常用形式主要如下：（图2）4）正放四角锥网架：正放四角锥网架空间刚度较好，但杆件数量较多，用钢量偏大。适用于接近方形的中小跨度网架，宜采用周边支承。（图6）

5）正放抽空四角锥网架：将正放四角锥网架适当抽掉一些腹杆和下弦杆，如每隔一个网格抽去斜腹杆和下弦杆，使下弦网格的宽度等于上弦网格的二倍，从而减小杆件数量，降低了用钢量。（图7）8）星形四角锥网架：星形网架上弦杆比下弦杆短，受力合理。竖杆受压，内力等于节点荷载。星形网架一般用于中小跨度周边支承情况。（图10）

9）三角锥网架:受力均匀、整体性和抗扭刚度好，适用于平面为多边形的大中跨度建筑。（图11）

10）抽空三角锥网架：保持三角锥网架的上弦网格不变，按一定规律抽去部分腹杆和下弦杆，可得到抽空三角锥网架。抽杆后，网架空间刚度受到削弱。下弦杆数量减少，内力较大。抽空三角锥网架适用于平面为多边形的中小跨度建筑。

11）蜂窝形三角锥网架：上弦网格为三角形和六边形，下弦网格为六边形。腹杆与下弦杆位于同一竖向平面内。节点、杆件数量都较少，适用于周边支承，中小跨度屋盖。蜂窝形三角锥网架本身是几何可变的：借助于支座水平约束来保证其几何不变。网架的选型应结合工程的平面形状、建筑要求、荷载和跨度的大小、支承情况和造价等因素综合分析确定。

5网架杆件设计

网架杆件可采用钢管、热轧型钢和冷弯薄壁型钢。在截面积相同的条件下，管截面具有回转半径大，截面特性无方向性，抗压屈承载力高等优点，钢管端部封闭后，内部不易锈蚀，是目前网架杆件常用的截面形式。管材可采用高频焊管或无缝钢管，有条件时也可采用薄壁管形截面。材质主要有Q235钢及Q345钢。3.6 节点设计

网架节点数量多，节点用钢量约占整个网架用钢量的20％~25％，节点构造的好坏，对结构性能、制造安装、耗钢量和工程造价都有相当大的影响。网架的节点形式很多，目前国内常用的节点形式主要有（图16）

3.7 网壳

网壳是一个准柔性的高次超静定结构，几何非线性较其他结构明显，其整体稳定性对结构几何形状的变化也很敏感。目前网壳计算主要是采用考虑几何非线性的有限单元法。一般情况下，双层网壳连接节点多采用铰接。单层网壳连接节点应采用刚接，否则单元共面节点的法向刚度为零。对铰接连接网壳采用空间二力杆单元，对刚接连接网壳宜采用空间梁柱单元。考虑与不考虑几何非线性的有限单元法的区别在于前者(几何非线性)考虑网壳变形对网壳内力的影响；网壳的平衡方程建立在变形以后的位形上，后者(线性)的平衡方程则始终建立在初始状态。

第4章 多层及高层房屋建筑结构

基本要求：

1.了解多高层房屋结构的组成和特点，了解结构布置的原则及需要考虑的问题。了解抗侧力结构、抗震缝以及基础埋深等设置方法。了解用于多、高层建筑的楼板类型，明确楼盖结构的作用及其布置方案设计与整体结构的关系，掌握压型钢板组合楼盖的设计方法，能准确绘出包含主（次）梁的压型钢板组合楼盖施工图。

2.掌握框架柱的设计方法，会确定框架柱计算长度。掌握常用的梁柱连接形式、明确梁柱连接连接的内力传递方式，熟练掌握常用计算法，能准确绘出梁柱节点连接的施工图，了解水平支撑和竖向支撑的布置方法。

3.了解多、高层建筑钢结构计算模型的选取方法，了解常用的结构静力计算方法，能运用分层法和D值法进行框架结构的内力计算。

----------------------教学内容：

4-1 多、高层房屋结构的组成4-2 楼盖的布置方案和设计

4－3 柱和支撑的设计5.平面不规则结构：

1）任一层的偏心率大于0.15时；

2）结构平面形状有凹角，凹角的伸出部分在一个方向的尺度，超过该方向建筑总尺寸的25％；

3）楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过该层总面积的50％；

4）抗水平力构件既不平行又不对称于侧力体系的两个互相垂直的主轴。缝的设置：高层建筑一般不宜设置防震缝；高层钢结构建筑，一般也无须设置温度缝。

6.竖向布置的不规则结构：

1)楼层刚度小于其相邻上层刚度的70%，且连续三层总的刚度降代超过50%；

2）相邻楼层质量之比超过1.5；

3）立面收进尺寸的比例为L1/L

4）竖向抗侧力构件不连续5）任一楼层抗侧力构件的总剪承载力小于其相邻上层的80％。

7.基础埋深的考虑：

1）敷设地下室；补偿基础、增大结构抗侧倾能力；

2）有抗震设防时，高层结构部分的基础埋深宜一致、不宜采用局部地下室；

3）当有可靠根据时，基础埋深可适当减小。

4-2 楼盖的布置方案和设计

1.楼盖结构的作用：

直接承受竖向荷载，并将其传递给竖向构件；起横隔作用。

2.多、高层建筑的楼盖结构组成:

由楼板和梁系组成，起固定作用、传递水平剪力作用。

3.楼盖结构的方案选择原则： 1）满足建筑设计要求；

2）较小自重；

3）便于施工；

4）有足够的整体刚度。

4．梁系的构成：

98.组合楼板设计时的基本原则

1）组合楼板的设计考虑两个受力阶段：

a)施工阶段:对作为浇注混凝土底模的压型钢板进行强度和变形验算.b)使用阶段:对于非组合板，压型钢板仅作为模板使用；验算组合板在永久荷载和使用段的可变荷载作用下的强度和变形.2)压型钢板的跨中变形时：

挠度w0大于20mm时，确定混凝土自重应考虑挠曲效应，在全跨增加混凝土厚度0.7 w0，或增设临时支撑。

9.组合楼板施工阶段的计算：

实质上是压型钢板的计算；只考虑荷载沿强边方向传递(单向板)。

10.组合楼板使用阶段的设计:

1）非组合板:按常规钢筋混凝土楼板设计,应在压型钢板波槽内设置钢筋，并进行相应计算。

2）组合板:

a)对于双向弯曲板或单向弯曲板进行承载力验算，即正截面抗弯承载力、抗冲剪承载力、斜截面抗剪承载力验算；

b)对于单向弯曲简支板进行变形验算。

11.组合梁的设计：

弹性分析时，将受压混凝土翼板的有效宽度bce折算成与钢材等效的换算宽度beq；要求在混凝土翼板的有效宽度内，纵向钢筋和钢梁受拉及受压应力均达到强度设计值；塑性中和轴受拉侧的混凝土强度设计值可忽略不计；塑性中和轴受压侧的混凝土截面均匀受压，并达到弯曲抗压强度设计值。

4-3 柱和支撑的设计（主要内容）

1.框架柱的设计要求：

满足强柱弱梁的设计要求，使塑性铰出现在梁端而不是在柱端，抗震设防的柱在任一节点处，宜满足下列要求：

2.梁与柱的连接形式：

1)按连接转动刚度的不同分类：刚性连接、柔性连接、半刚性连接；

2)刚性连接形式：完全焊接、完全栓接、栓焊混合连接；柔性连接：采用角钢、端板、支托。

3.完全焊接：如图4-8，梁翼缘与柱翼缘间采用全熔透坡口焊缝，并按规定设置衬板，由于框架梁端垂直于工字形柱腹板，柱在梁翼缘对应位置设置横向加劲肋，要求加劲肋厚度不应小于梁翼缘厚度。

1采用角钢和端板的柔性连接：

如图4-11,(b)、(c)的共同特点是将连接角钢或端板偏上放置，这样做的好处是：由于上翼缘处变形较小，对梁上楼板影响较小。

7.半刚性连接：

竖向荷载下可看作梁简支于柱，水平荷载下起刚性节点作用，适于层数不多或水平力不大的建筑，半刚性连接必须有抵抗弯矩的能力，但无需像刚性连接那么大。如图图4-12

8.水平支撑的布置:-图4-13楼盖水平刚度不足时布置水平支撑。

9.竖向支撑：

包括中心支撑和偏心支撑；布置方法：可在建筑物纵向的一部分柱间布置，也可在横向或纵横两向布置；在平面上可沿外墙布置，也可沿内墙布置。

4-4 多、高层房屋结构的分析和设计

1.计算模型的选取：

1）多、高层建筑钢结构的计算模型，可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型；

2）当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不计扭转效应时，可采用平面结构计算模型；当结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分成平面抗侧力单元的结构，或为筒体结构时，应采用空间结构计算模型。

2.静力分析方法： 1）矩阵位移法、2）薄壁杆件理论、有限条法等

3）分层法（近似方法）

4）D值法（近似方法）

5）框架-支撑结构协同工作分析（近似方法）

6）等效角柱法、展开平面框架法或等效截面法（近似方法）

3.关于荷载组合：

1）地震作用不参与荷载组合，多、高层建筑的竖向荷载通常包括：

永久荷载、楼面使用荷载、雪荷载、水平荷载只有风荷载；

2）地震作用参与荷载组合，按第一阶段设计时由下式计算荷载效应组合：