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1、钢结构设计,开课单位：建筑工程学院 主讲教师：叶成杰,本课程的内容,绪论（了解应用范围特点、发展、设计方法）屋盖钢结构（平面、空间桁架、波纹瓦等）单层厂房钢结构（组成、支承、框架、柱、梁）轻型门式钢架结构（应用范围、结构形式、设计计算）大跨钢结构（网架、悬索、膜结构等）多、高层房屋结构（结构特点、设计计算）,本次课的主要内容,第一章 绪论1.1 钢结构的应用范围及特点1.2 钢结构发展1.3 钢结构的设计方法和设计要求第二章 屋盖钢结构2.1 概述2.2 平面桁架体系屋盖结构,1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点；,本次课的基本要求,2.掌握钢结构的设计方法和设计要求。,4.了解平
2、面桁架体系屋盖结构的布置。掌握普通钢屋架的设计与计算。,3.了解钢结构在国内外的发展概况和趋势。,5.了解轻型钢屋架和钢管屋架的形式、应用及设计计算。,第一章 概述,1.1.1 钢结构的应用范围,高层钢结构建筑,杂交结构,大跨度钢结构重型厂房钢结构轻型钢结构高耸结构和多、高层建筑受动力荷载影响的结构（如桥梁钢结构）可拆卸的结构容器和其他构筑物,第一章 绪论,1.1 钢结构的应用范围及特点,网架结构,拱结构,桥梁,拱结构,天津体育场,千年穹顶,西班牙迪加航空港,上海会展中心,单层厂房,多层工业厂房,工业厂房,金陵石化总厂,承受动力荷载及地震作用的结构,帝王大厦,高层建筑与高耸结构,金茂大厦88层
3、420米,北京财富中心,东京千年塔,多层轻型房屋建筑,构筑物,建筑小品,第一章 概述,材料的强度高，塑性和韧性好材质均匀，和力学计算的假定比较符合钢结构制造简便，施工周期短钢结构的质量轻钢材耐腐蚀性差钢材耐热但不耐火,1.1.2 钢结构的特点,钢拉杆和压杆性能比较,（一）按承载能力极限状态设计 应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷 载（效应）组合，采用下列表达式设计：式中：o-结构重要性系数；S-荷载效应（组合）的设计值；R-钢结构构件或连接材料抗力的设计值。,1.3 钢结构的设计方法及设计要求,荷载效应组合如下：,2.由永久荷载效应控制的组合：,3.荷载分项系数取值如下：,1.由可变荷载
4、效应控制的组合：,（1）永久荷载分项系数 当其效应对结构不利时-对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;-对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;当其效应对结构有利时-一般情况下应取1.0；-对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。（2）可变荷载的分项系数-一般情况下应取1.4；-对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的 活荷载标准值应取1.3。,对于钢结构这种单一材料，可以将荷载效应表达式用应力形式表示。,可变荷载起控制作用时：,永久荷载起控制作用时：,式中：,4、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式,-钢材或连接材料强度设计值。,-钢材或连接材料强度标准值。,-钢材或连接材料抗力分项系
5、数，对于Q235钢R=1.087;Q345、Q390、Q420钢R=1.111。,钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。,(二)正常使用极限状态,1.对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应的规定限值。,Gk-永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的 变形值；Q1k-第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中 产生的变形值（该值使计算结果为最大）；,Qik-其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产 生的变形值。-结构或结构构件的容许变形值。(315页附录2)2.对于受压、受拉构件，规范规定应限制其长细比，即:(1-24）式中：-受压、受拉构
6、件的计算长细比；-规范规定的受拉、受压构件容许长 细比，按规范采用。,（三）使用设计表达式的注意事项 1.计算静力强度和稳定时，采用荷载的设计值；疲劳计算、变形计算采用荷载的标准值。2.强度设计指标f 1)强度设计值的种类、性质；2)按板厚或直径分组；3)强度设计值的折减。例如:按轴心受力计算单面 连接单角钢的强度时。见教材，附表1.4,1.3.2设计要求,钢结构设计应满足的要求：（1）应从工程实际出发，合理选用材料、结构方案和构造措施、采用的制造和安装技术；（2）满足结构在运输、安装和使用过程中的强度稳定和刚度要求；（3）优先选用标准化的结构和构件；（4）应符合防火和防腐要求。,钢结构节约钢
7、材、降低造价的措施有：（1）结构尺寸模数化、构件标准化、构造简洁化；（2）采用高强度的钢材；（3）运用新的计算理论和设计方法；（4）采用新的结构体系。,第二章 屋面钢结构,2.1 概述屋盖钢结构的组成：屋盖钢结构由屋面承重结构（如屋架、拱、网架等结构）、屋面维护系统（屋面板、檩条）、屋面支撑系统（垂直支撑、水平支撑）和辅助构件（天窗架、托架等）组成。,屋盖钢结构体系的分类：,屋盖钢结构体系按照结构受力可分为平面结构体系和空间结构体系。屋盖钢结构体系按照功能可分为公共建筑屋盖体系和工业建筑屋盖体系。屋盖钢结构体系按照跨度可分为大跨度体系（60m）、中等跨度体系(60m30m)和小跨度体系(30m
8、)。,2.2 平面桁架体系屋盖结构,2.2.1 屋盖结构布置1）结构组成采用平面桁架作为主要承重构件的屋盖钢结构，其组成部分包括屋面板、檩条、屋架、托架、天窗架和支撑构件等。,图2-1 屋架结构布置,2）结构体系根据屋面结构布置情况的不同，屋盖钢结构可分为无檩体系和有檩体系。,无檩体系优点：屋盖刚度大，整体性好，构造上易于设置保温和防水材料，构件的种类和数量较少，屋盖的施工速度快。缺点：无檩体系屋盖自重较大，这将导致下部承重结构的截面过大，且对抗震不利。有檩体系优点：屋盖柱距布置灵活，屋面材料可选择的种类较多且自重较小。缺点：屋盖刚度较差，构件类别、数量较多，且构造相对复杂。,结构体系的选择应
9、：综合考虑建筑的使用要求、受力特点、材料供应、施工及运输条件等因素。,3）屋面材料传统材料：有檩体系传统的屋面材料主要有粘土瓦、水泥平瓦、石棉瓦等，由于这些材料的尺寸较小，且在强度、耐久性、保温隔热等方面具有一定的缺陷，因此其应用都受到一定的限制。无檩体系传统的屋面材料为预应力大型屋面板，标准规格为1.5m6m或3m6m。其优点是受力性能好，缺点是自重过大（约1.4kN/mm2，若加上保温和防水层，自重则达到2.53 kN/mm2。）,新型建筑材料：压型钢板和夹心板发泡水泥复合板（亦称为太空板）玻璃纤维增强混凝土板（亦称为GRC板）等。,2.2.2 屋盖支撑及檩条,1）屋盖支撑,（1）屋盖支撑
10、的作用屋盖支撑的主要作用：保证屋盖结构的整体稳定、增强屋盖的刚度、增强屋架的侧向稳定、承担并传递屋盖的水平荷载、便于屋盖的安装与施工。,（2）屋盖支撑的布置(1)上弦横向水平支撑(2)下弦横向水平支撑(3)下弦纵向水平支撑(4)垂直支撑(5)系杆,（3）屋盖支撑的形式A.屋盖上弦横向B.下弦横向C.下弦纵向水平支撑一般均为平行弦桁架形式(系杆除外)，其弦杆由屋架弦杆兼任，其腹杆常采用十字交叉形式。通常横向水平支撑节间的距离为屋架弦杆节间距离的24倍，纵向水平支撑的宽度取屋架下弦端节间的长度。,屋盖垂直支撑亦常采用平行弦桁架形式，其上、下弦可兼作水平支撑的横杆。垂直支撑腹杆形式可根据桁架的宽（屋
11、架间距）、高比例确定。当桁架宽、高尺寸接近时，可用十字交叉斜杆；当高、宽尺寸相差较大时，可用V式及W式斜杆，如图2-6(e)2-6(g)所示。,（4）屋盖支撑的计算和构造 屋盖支撑受力较小，一般可不进行内力计算，杆件截面通常由容许长细比和构造要求决定。交叉斜杆和柔性系杆(包括兼任柔性系杆的檩条)按拉杆设计，可采用单角钢，取400或350（有重级工作制吊车的厂房）；非交叉斜杆、弦杆、横杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面，取200。,当支撑桁架的跨度较大(24m)且承受较大的墙面传来的风荷载（），或垂直支撑兼作檩条以及考虑厂房空间工作须使纵向水平支撑作为柱的弹性支承时，支撑
12、杆件除应满足容许长细比要求外，尚应按桁架体系计算内力，并据此内力选择截面,具有交叉斜腹杆的支撑桁架是超静定体系，但其受力较小，可采用如图2-7所示计算简图。在节点荷载 作用下，每节间只考虑一根受拉斜腹杆工作，另一根虚线所示斜腹杆则视为柔性杆件因受压屈曲而退出工作，因此桁架可按单斜杆体系分析。为水平节点荷载，由风荷载或吊车荷载引起。,支撑与屋架的连接构造应尽量简单方便。角钢支撑与屋架一般用M20粗制螺栓连接，支撑杆件每端至少两个螺栓。在有重级工作制吊车或其他较大振动设备的房屋中，屋架下弦支撑和系杆宜用高强度螺栓连接，或用C级螺栓加焊缝。当采用圆钢作支撑时，应用花篮螺栓预加拉力将圆钢拉紧。,2）檩
13、 条,在有檩体系屋盖中，檩条有实腹式和桁架式两大类。（1）实腹式檩条实腹式檩条具有构造简单、制造及安装方便的优点，但适用跨度较小，多用于36m的情形。实腹式檩条截面常采用槽钢、角钢、H型钢、Z形或C形薄壁型钢。实腹式檩条的截面高度根据跨度、檩距和荷载大小等因素确定，一般取檩条跨度的1/351/50。,实腹式檩条一般通过檩托与屋架上弦连接，檩托用短角钢做成，先焊在屋架上弦，待屋架吊装就位后用螺栓或焊缝与檩条连接。檩条的上翼缘肢尖应朝向屋脊，以利于受力和安装。檩条连接构造如图2-8所示。,檩条多垂直于屋架坡度放置。在竖向荷载作用下，当屋面构造能够阻止檩条的扭转时，实腹式檩条产生双向弯曲，其两主轴分
14、别受到 和 作用，如图2-9所示。,型钢檩条的壁厚较大，因此抗剪和局部承压可不验算，抗弯强度应满足双向受弯构件的强度要求。在计算 时应考虑拉条的影响，无拉条时，按简支梁计算；有拉条时，按多跨连续梁计算，弯矩图如图所示。,当屋面设有拉条时，一般可不计算檩条的整体稳定；当无拉条且屋面材料不能阻止檩条受压翼缘侧向位移时，应计算檩条整体稳定。当屋面无拉条时，应控制总挠度不超过挠度容许值；当设有拉条时，檩条可只计算垂直于屋面方向的最大挠度，以保证屋面平整，计算公式如下：上式中 为檩条沿 方向的线荷载标准值；为檩条挠度容许值，按规范取/150或/200。,（2）桁架式檩条当檩条的跨度较大时（6m），采用实
15、腹式檩条将不再经济，可考虑采用桁架式檩条。桁架式檩条可分为平面桁架式檩条、T形桁架式檩条和空间桁架式檩条。,桁架式檩条的节间划分可根据计算确定，一般取4080cm，檩条的高度一般为跨度的1/12 1/20，T形桁架式和空间桁架式檩条截面的宽高比一般取1/1.51/2.0。平面桁架式檩条可按平面桁架计算，T形桁架式檩条可近似地将上弦两角钢集中在腹杆平面内后按平面桁架计算，空间桁架式檩条可分解为两个平面桁架进行计算，具体计算过程参见相关资料。,（3）檩条的拉条及撑杆为了给檩条提供侧向支承，减小檩条沿屋面坡度方向的跨度，减少檩条在施工和使用阶段的侧向变形和扭转，除了侧向刚度较大的空间桁架式檩条和T形
16、桁架式檩条以外，在实腹式檩条和平面桁架式檩条之间需设置拉条。,当檩条跨度为46m时，至少应在跨中布置一道拉条；当跨度大于6m时宜布置两道拉条；当屋盖有天窗时，应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆；当采用Z形钢檩条时，应在檐口处设置斜拉条和直撑杆；当檐口处有圈梁或承重天沟时，可只设直拉条与圈梁或承重天沟相连。拉条和撑杆的布置如图2-12所示。,拉条一般采用圆钢，其直径视荷载和檩距大小取 10、12或 16；撑杆可采用角钢和钢管，其长细比按压杆要求不能大于200。拉条和檩条、撑杆和檩条的连接构造如图2-13所示。拉条位置应靠近檩条上翼缘3040mm，采用螺母张紧、固定。撑杆采用C级螺栓与焊在檩条
17、上的角钢固定。,课后思考题：,1.有坡屋面檩条设计是如何考虑竖向荷载的计算。,压型钢板和夹心板适用于有檩体系屋盖。压型钢板通常采用1m宽的薄钢板进行压制，成型后的钢板波高为25130mm，板宽为600760mm。压型钢板按板长分为长尺板和短尺板，常用长尺板，且可以在施工现场进行压制。夹心板由压型钢板中间填充聚氨酯、岩棉或聚苯乙烯等保温和隔热芯材而制成，其板宽一般为1m，板厚为50150mm，自重0.120.25kN/m2。现场常使用长尺夹心板（通常不大于12m）。,发泡水泥复合板即可用于有檩体系屋盖，又可用于无檩体系屋盖。当发泡水泥复合板用于有檩体系屋盖时，一般做成条形平板，其构造如图2-3所
18、示。常用条形板标准规格长度为3m，宽度有1m、1.2m和1.5m，厚度分80mm、100mm、120mm，其自重分别为0.6 kN/m2、0.66 kN/m2、0.72 kN/m2，现场多用1.5m3m的条形板。当发泡水泥复合板用于无檩体系屋盖时，其标准规格宽为1.5m或3m，长为6m或7.5m，常用的大型屋面板尺寸有1.5m6m、3m6m、1.5m7.5，自重为0.60.75 kN/m2，其构造如图2-4所示。,GRC板是玻璃纤维增强混凝土板的英语简称。其构造是用钢筋混凝土做边肋，但其水泥砂浆面板用玻璃纤维增强。成品有带隔热层和不带隔热层两种。用于有檩体系屋面的GRC板为条形板，标准规格为1
19、.5m3m，厚度为120mm，最大檩距3m，自重为0.50.6kN/m2。用GRC板制作的大型屋面板也已得到应用，其不带隔热层板型的自重为0.50.6 kN/m2。,应用范围：在有檩体系屋盖或无檩体系屋盖中，一般都应设置屋架上弦横向水平支撑，当有天窗架时，天窗架也应设置横向水平支撑。布置位置及技术要求：上弦横向水平支撑布置在房屋两端或在温度缝区段的两端的第一柱间或第二柱间。横向支撑的间距不宜超过60m，因而当房屋长度超过60m时，在房屋长度中间还应设置一道或几道支撑。,应用范围：当屋架跨度18m时；或屋架跨度小于18m，但屋架下弦设有悬挂吊车时；或厂房内设有吨位较大的桥式吊车以及其他振动设备时
20、；或山墙抗风柱支承于屋架下弦时，都应设置下弦横向水平支撑。布置位置及技术要求：下弦横向水平支撑应与上弦横向水平支撑布置在同一柱间内，以便形成稳定的空间体系。,应用范围：当房屋内设有重级工作制吊车以及起重吨位较大的中、轻级工作制吊车时；或房屋内设有锻锤等大型振动设备时；或屋架下弦设有纵向以及横向吊轨时；或屋盖设有托架和中间屋架时；或房屋较高、跨度较大、空间刚度要求高时，都应设置下弦纵向水平支撑。布置位置及技术要求：下弦纵向水平支撑应设在屋架下弦端节间内，与下弦横向水平支撑构成封闭的盘体，提高屋盖的整体刚度。,应用范围：垂直支撑是保证屋架使用和安装时的侧向稳定、使相邻两榀屋架形成空间几何不变体系的
21、有效构件。布置位置及技术要求：垂直支撑应设置在有上弦横向支撑的柱间内，在屋架跨度方向要根据屋架形式及跨度大小在跨中设置一道或几道。,对于梯形屋架，当跨度不大于30m时，应在屋架跨中和两端的竖杆平面内各布置一道垂直支撑；当跨度大于30m时，若无天窗，应在屋架跨度1/3处和两端的竖杆平面内各布置一道垂直支撑，有天窗时，垂直支撑应布置在天窗架侧柱的两侧。,对于三角形屋架，当跨度不大于24m时，应在跨中竖杆平面内设置一道垂直支撑；当跨度大于24m时，应根据具体情况布置两道垂直支撑。垂直支撑布置如图2-6(a)2-6(d)所示。垂直支撑除了在有上弦横向水平支撑的柱间设置外，为了保证屋架安装时的稳定，每隔45个柱间还应设置一道垂直支撑。,图2-6 垂直支撑布置及形式,系杆的作用：是充当屋架上下弦的侧向支撑点，保证无横向支撑的其他屋架的侧向稳定。系杆的种类及设置位置：系杆有能承受压力的刚性系杆和只能承受拉力的柔性系杆两种。在上弦平面内，大型屋面板和檩条均可起刚性系杆的作用，因而可在屋架的屋脊和支座节点处设置刚性系杆。在下弦平面内，可在屋架下弦的垂直支撑处设置柔性系杆。,
