钢结构设计01设计方法

1、钢结构设计方法,主讲人：李峰,1,主要内容：,1 常见钢结构形式2 结构组成要点3 结构计算简图4 荷载分析与内力组合5 常见设计问题,轻钢结构（住宅、超市等） 多高层钢框架结构（住宅、写字楼等） 高耸结构（塔架类） 大跨度结构（体育馆、候机厅等） 重型厂房结构（吊车起重量大且工作频繁） 受动力荷载影响的结构（吊车梁、桥梁） 可拆卸的结构（可移动屋盖，移动桥梁、脚手架等） 容器和其他构筑物（储油罐、景观等）,1 常见钢结构形式,在此体系中，任何一片墙或是屋面等构件都能两个人抬走和安装，使得场地不需大型起重设备，有利于现场施工！,轻质,轻钢结构特点,小断面的热轧或冷弯型钢,用钢量很小的钢结构（小于30kg/m2), 两种理解,基本构件,优点：质量轻工业化程度高，施工周期短，制作简便综合经济效益高，造价低，用钢量省使用空间大，柱网布置灵活地震反应小 缺点：构件抗弯、抗扭刚度小； 易变形；锈蚀穿孔；风吸力易导致掀顶,大跨,大跨度空间结构的特点,（1）受力具有不易分解的三维的空间形体、荷载作用下具有三维受力的特性。 （2）材料具有合理的形体，结构组成具有良好的受力性能，使材料充分发挥作用。 （

2、3）造型完美的将建筑美学与结构力学融为一体。如网格结构、索膜结构、张力结构等。,（4）应用范围 体育馆、剧院、会展中心、航站楼、飞机库、军事工程、标志或装饰性建筑、厂房等,高度,多、高层钢结构特点, 钢结构住宅分类,低层,3层,别墅,多层,8层,高层,抗震规范GB50011对12层以下和12层以上的房屋提出不同要求。 住宅钢结构一般不宜超过12层。, 受力特点,抗重力体系,抗侧力体系,超高层, 40层 或100m,第一类 916层 高度50m 第二类 1725层 高度75m 第三类 2540层 高度100m,钢框架,支撑桁架,多、高层钢结构中，抗侧力体系主要有三种基本单元构成,钢/砼剪力墙,上海中福城钢结构住宅工程,19层,框架-砼剪力墙(核心筒)体系,重型、动载,其他,2.1 钢结构的组成原理,任何结构都必须是几何不变的空间整体， 并且在各类作用的效应之下保持稳定性能，必要的承载能力和刚度。 当结构的承重主体是桁架、刚架等平面体系时，需设置一些辅助构件如支撑、横隔等把他们连成空间整体。,2 结构组成要点,2.2 结构组成及布置,钢结构的稳定设计 稳定性是钢结构设计中的一个突出问题，在

3、各种类型的钢结构设计中，都会遇到稳定问题。 目前，钢结构中出现过的失稳事故大多由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚，对如何保证结构稳定缺少明确概念，造成结构设计中出现不应有的薄弱部位。因此，在设计中应该明确在钢结构稳定设计中的一些基本概念，才能更好地处理钢结构稳定问题。,2.3 结构的稳定性,钢结构稳定设计的原则 （1）结构整体布置必须考虑整个体系以及各组成部分的稳定性要求（计算长度） （2）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要（刚度、约束） （3）结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者具有一致性（梁的稳定计算、抗扭位置）,2.4 结构支撑体系,（1） 设置支撑系统的目的使每个温度区段或分期建设的区段建筑能构成稳定的空间结构骨架，是把施加在建筑物纵向上的风、吊车、地震等荷载从其作用点传到柱基础最后传到地基。（2）支撑系统设置的基本原则,分类：屋面支撑、柱间支撑、隅撑、系杆作用：传力路线：,（3） 支撑布置的位置及形式：屋面支撑柱间支撑,形成稳定的空间体系：,保证水平荷载的传力,（a） （b）,（c） （d）,柱间（斜交

4、叉）支撑,3 结构计算简图,结构计算简图,结构计算简图的简化原则,结构计算简图的简化过程,在结构计算中，用来代替实际结构并反映实际结构主要受力和变形特点的计算模型。,1、反映实际结构主要受力和变形特点、计算结果安全可靠 2、方便计算，简化程度与计算手段以及对结构的要求相一致,1、荷载的简化 2、约束的简化 3、构件的简化,3.1 荷载的简化分类, 按荷载的性质： 永久荷载恒载，如：梁、柱、板等自重 可变荷载活载，如：风、雪、地震等 偶然荷载指可能的意外荷载，如：爆炸力、冲击力等, 按荷载的分布方式： 集中荷载如：主-次梁、吊车轮压 均布荷载如：自重 非均布荷载如：风、雪压, 荷载取值： 按现行建筑结构荷载规范及相关标准,3.2 约束的简化约束力,（1）支座基础对构件的约束性质 固定支座、铰支座、定向滑移支座等,平板式 铰接柱脚,刚接柱脚,分类：柔性连接、刚接、半刚接,3.2 约束的简化约束力,（2）节点（梁+柱）构件间的相互约束性质,3.2 约束的简化约束力,（2）节点（梁+梁）构件间的相互约束性质：,3.3 结构/构件的简化,计算简图的选取会直接影响着计算工作量的大小和分析结构与实际

5、结构间的精度，计算简图的简化程度与许多因素有关。,结构简图包括结构体系的简化和结构构件的简化两个方面： 结构体系的简化是指把实际的空间体系在可能的条件下简化或分解为若干个平面结构体系，这样对整个的空间体系的计算就可以简化为对平面体系结构的计算。 结构构件的简化主要是考虑由于杆件截面尺寸比其长度小得多，可以按照平面假设，根据截面内力来计算界面应力，而且界面内力又只沿杆件长度方向变化，因此，在计算简图中可以用杆件轴线代替杆件，忽略截面形状和尺寸的影响。,计算单元、计算高度、轴线位置等材料属性p-X效应截面等效刚度（空腹、变截面）等,构 件,杆 件,变截面构件,如： 某框架体系的简化,结构为纵-横向空间结构，精确计算较繁琐。可简化成一榀或几榀平面框架为典型计算单元,计算单元,为了进行结构分析，必须明确横向框架所承担的荷载，通常以计算单元表示(图中阴影部分)。对于等柱距且无拔柱的平面布置，显然只需取一个计算单元。否则，应当划分数个计算单元。,计算高度及跨度的确定,吊车外轮廓线与临近构件的净距要求,计算跨度： L=Lc + b,计算高度： H=屋架+ a吊车桥端高+轨顶标高+基础埋深,截面特征简

6、化：,是反映剪力影响和几何形状的修正系数，平行弦情形，可取 为0.9；上弦坡度为1/10时，取 为0.8；上弦坡度为1/8时，取 为0.7。,格构式柱和屋架引用当量惯性矩将其简化计算，当量惯性矩的一般表达式为：,屋架当量惯性矩可直接表达为：,永久荷载：包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。 可变荷载：屋面活荷载 、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载 、地震作用 、风荷载。 荷载组合原则： 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； 积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑； 施工或检修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； 多台吊车的组合应符合荷载规范的规定； 当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑,4 荷载分析与内力组合,按承载能力极限状态：基本组合（包括由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合），必要时考虑荷载效应的偶然组合。正常使用极限状态：荷载的标准组合 目的：找出可能出现的最不利荷载作用,4.2 内力组合原则、目的,1、无地震作用组合：,S=GSGK +

7、QQSQK + WWSWk,2、有地震作用组合：,SE= GSGE+EhSEhk+EvSEvk+WWSWk,4.3 内力组合方法 （GB50009、 GB50011 ）,寻求控制截面中可能出现的最不利荷载组合 如：对于受弯构件-梁（M、V）,4.3 内力组合内容,寻求控制截面中可能出现的最不利荷载组合 如：对于压弯构件-柱（M、N、V）,4.3 内力组合内容,12,34,内力组合计算一般是在类似下表的表格中进行,抗风柱的设计与计算,5 常见设计问题,抗风柱与钢梁有弹簧板相连接，理想的状态是抗风柱为受弯构件，只承受自重和风载。这时候个人认为长细比可以适当放宽一些（220250）。钢规对抗风柱没有明确规定，仅在5.3.8对受压柱规定为150。其实现实中很多弹簧板连接是失效的，有的干脆用Z形钢板代替，这种情况下，抗风柱应算做压弯构件了，它要承受部分屋面荷载，长细比容许数还是保守些为好（180200）,了解主次结构、功能认识破坏主要原因,吊车梁的疲劳破坏一般是从受拉区开裂开始，主要是考虑吊车梁的疲劳破坏 规定中间横向加劲肋的下端宜在距受拉翼缘50100mm处断开或刨平顶紧 加劲肋还要切角，避免

8、过多的焊缝相交产生应力集中,吊车梁与楼层梁区别,刨平抵紧,三个方向的动力荷载作用1 竖向（轮压）荷载 吊车梁一般设计成简支梁，应计算吊车梁的强度、挠度、整体及局部稳定、重级工作制吊车梁的疲劳强度2 横向（刹车力 ）水平荷载由轨道上的车轮平均传至轨道 ，计算重级工作制吊车梁及其制动结构的强度、稳定性以及连接（吊车梁、制动结构、柱相互间的连接）的强度3 纵向（刹车力 ）水平荷载 沿轨道方向由吊车梁传给柱间支撑，计算吊车梁截面时不予考虑,吊车梁所承受的荷载保证,铰接屋架上承及下承做法对柱的影响,上承式屋架优点：屋架支座处传力好。屋架在安装时的稳定性好，而且基本上可不必考虑屋架受力后弦杆弹性伸长的影响。上弦在竖向荷载作用下的压缩变形可补偿屋架下挠时（坡度变直时）支座向外的位移。其总位移量的消长情况与屋面坡度有关，当屋面坡度i1/6，柱顶仍将向外推移。当i1/10柱顶非但不会向外推移，甚至有向里移动的可能，这个优点在多跨厂房中更为重要 上承式屋架缺点：上承屋架端支座底部至端节点中心的距离较大，约为下承式屋架的23倍。因此，在柱顶水平剪力作用下对支座节点的偏心弯矩较大，设计时应引起注意。一般可采取

9、以下两种方式解决： 采用侧接法与柱顶相连，以减少甚至消除偏心弯矩； 在与支座节点相连的屋架杆件设计中，考虑此偏心弯矩的影响。 下承式屋架做法优缺点正好与上承式相反。,节点构造设计在钢结构设计中很重要，钢结构的设计可以说是杆件设计（杆件内力分析）加上节点设计（节点构造分析）。 在抗震理论中，要求强节点弱构件，所以说钢结构的安全性在很大程度上取决于节点的构造设计。节点设计的原则是构造简单、受力明确、传力可靠，易于实现。 节点设计的要求是后于杆件破坏，建议设计应按杆件内力增加10%进行节点连接设计，对于内力较小的杆件其连接焊缝长度不小于120mm。这些对于工业厂房钢结构设计都是必要的。 为了节点构造安全，施工时不能随意加大杆件截面,节点设计,节点设计时，焊缝的合理布置是尽可能对称于杆件形心，使其受力合理，减小焊接变形和焊接应力。现场焊缝的布置应便于构件安装，便于焊缝施焊，便于质量检查，避免焊缝在一处立体交叉和大量集中,节点域一般是指框架节点域，钢框架柱的翼缘板、腹板的厚度均较薄，在框架节点域存在着不可忽视的剪切变形，对框架水平位移有1020%影响。节点域剪切变形对内力也有影响，一般在10%以内。如果框架有支撑时，节点域剪切变形将随支撑体系侧向刚度的增加而锐减,偏心支撑与中心支撑,目的当地震荷载作用足够大时， 耗能梁段屈服，而支撑不屈服，结构不倒塌,熟悉常用的设计规范、规程、标准：钢结构设计相关的设计规范、规程和标准主要有：建筑结构可靠度设计统一标准（GB 50068-2001） 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS 102： 2002） 钢结构设计规范（GB 50017-2003） 冷弯薄壁型钢结构技术规范（ GB 50018-2002） 建筑结构荷载规范（GB过50009-2001）（2006版） 建筑抗震设计规范（ GB 50011-2010） 建筑结构制图标准 （ GBT 50105-2010） 焊接、螺栓、验收、防锈,

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