建筑鋼結構設計(第二版)-同濟大學馬人樂

1、2010年9月l內(nèi)容l重點l考試鋼結構的適用范圍鋼材的選用建筑鋼結構荷載與作用的特點鋼結構的計算結構體系節(jié)點設計特點：輕質高強，材質均勻，工業(yè)化生產(chǎn)，施工 工期短，韌性好，密封性好； 耐腐蝕性較差，耐火性差，單價高。 鋼結構的適用性： 1）結構選材目標：技術性能和經(jīng)濟性。（性價比） 2）選用鋼材的原因： A）基本原因 結構自重與全部荷載與作用之比越大，采用鋼結構越合理。 B）強震地區(qū)（受力小，延性好） C）勞動力價格高（工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)場勞動力少） D）軟土地基（基礎耗資?。?E）大跨、超高結構（結構效應函數(shù)值大）2、鋼材的選用、鋼材的選用鋼材強度的選擇 1）變形控制選低強度等級 2）強度控制選

2、高強度等級 3）長細比控制或應力水平較低選低強度等級 4）施工條件差選較低強度等級 2、鋼材的選用、鋼材的選用鋼材沖擊韌性指標選擇：影響因素結構重要性1荷載狀況2連接狀況3使用溫度4 選擇因子數(shù)值類別三類靜力全螺栓、無焊接不低于01二類一般動力大部分工廠焊、工地螺栓不低于-202一類疲勞動力大部分現(xiàn)場、高空焊不低于-403表1-1 選擇鋼材沖擊韌性指標的影響因素及選擇因子 =1234 選擇因子之積23161824245454材料等級ABCDE表1-2 選擇因子之積與材料沖擊韌性指標的關系表 3、建筑鋼結構荷載與作用的特點、建筑鋼結構荷載與作用的特點風荷載冰雪荷載溫度作用地震作用及抗震荷載與結構

3、的變異風荷載 （控制性荷載之一）gZz冰雪荷載溫度作用地震作用及抗震荷載與結構的變異4、鋼結構的計算、鋼結構的計算鋼結構計算的兩種方法 （1）極限狀態(tài)設計法：強度、剛度、穩(wěn)定 （2）許用應力法：疲勞、對變形敏感結構的穩(wěn)定結構極限狀態(tài)驗算 (1-2) (1-2) 永久荷載效應控制永久荷載效應控制 (1-3) (1-3) 標準組合標準組合 (1-4) (1-4) 頻遇組合頻遇組合 (1-5) (1-5) 準永久組合準永久組合 長期效應長期效應 基本基本組合組合 承載能承載能力極限力極限狀態(tài)狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài) （罕遇地震驗算）偶然組合（罕遇地震驗算）偶然組合結構效應計算0112)

4、(,)nGGkQQ kQiciQikRkkiSSSRf （01)(,)nGGkQiQikRkkiSSRf （12nGkQ kciQikiSSSC112nGkfQ kqiQikiSSSC2nGkqiQikiSSC短期效應短期效應 (1-1)(1-1)可變荷載效應控制可變荷載效應控制 4、鋼結構的計算、鋼結構的計算結構抗力及正常使用極限： （1）鋼結構以強度表現(xiàn)的抗力，主要有以下幾種變化： A）隨鋼材尺寸（厚度、直徑）的不同，強度變化； B） 單角鋼受力（存在偏心），整體穩(wěn)定抗力變化； C） 單角鋼單肢螺栓連接時連接強度變化； D）地震作用時強度的修正。 （2）廣義變形限值 A）預拱的選擇 ）樓面

5、鋼梁的預拱為恒載標準值引起的變形加1/2活載頻遇值引起的變形； ）屋面鋼梁的預拱為恒載標準值引起的變形； ）曲線型屋面鋼梁，當結構對變形不敏感時不必預起拱，當結構對變形較為敏感時應該預起拱。 ）懸臂梁應考慮排水坡度予以起拱。 B）各設計工種對限定的變形值應取得協(xié)調(diào)。4、鋼結構的計算、鋼結構的計算結構體系與使用要求：主體鋼結構的優(yōu)化設計方向 ：（1）框架結構 框架結構以梁受彎，柱受壓彎為主，它的優(yōu)化主要是選擇合適的截面；（2）門式剛架結構 可以根據(jù)制造分段及內(nèi)力狀況分段，每段均為直線變坡，優(yōu)化構件的折線外形；（3）空間結構 使單個構件全截面應力趨于均勻，提高強度利用率。輔助結構與主體結構的關系

6、：單元的劃分與結合節(jié)點的分類焊接和螺栓連接 柱柱支支撐撐Eflno243 . 15 3xWvwfhVmax2 . 1wxhWnxWxxM nxWxxM nyWyyM x y x y x y x y wItVS zwltF 222 ccf1 nIMxxWMb b xxWMb nyWyyM yf23513tb /y0f23540tb yf23515tb yw0f23580th /0c 0c 4h5h00/00h02h50.yw0f235250th /yw0f235160th /yw0yf235160thf23580 /cr 1ccrc、 cr 80ha00c./, /ccr cr 2ccrc、 c

7、r 1c /ccrc、 1c2a/acr 1cr 1crc、 1cr 1ha011c /, 1cr 11ha/ 1crc、 21 1crc、 21 1cr 1crc、 1cr 11ha50/. 2cr 2crc、 2cr mm4030hb0s 15btss/ 303wzthI 時時）當當850hath51I03w0y./(. 時時）當當850hathhaha45052I03w0200y./().( 3bs/2b2/fAN ywf235t15lhwt111nAIMyN 1y1nAMIIMww )75. 0/(0fNA xxxrl0 yyyrl0 x y yx ,min yx yx fAN min

8、 fANn yw0f2355025th).( yf2351010tb).( th0y0f23540tb yf235100tD fNfNA5 . 175. 02 300 xlh fAN 2120 xxxxxAA12027 max max2120 xx2120 yy maxxxxAA12040 yyyAA12040 maxA70l2y0y)( 1 xA1max x y max17 . 0 401 max15 . 0 50max 251 23585yfAfV ,)(a1a240NF1b 60NF21a1b ,/ cosnVN1t 1V fANRtttt Rt Rt Rt Rt cos1nV1V柱柱肢

9、肢中中心心距距綴綴板板中中心心距距 caTcaVM1 40ct mmt6 結構形式和布置 檁條設計 剛架設計 圖3-1 門式剛架結構示意結構特點 1）梁、邊柱承受較大彎矩 ，中柱以承受軸向力為主 2）梁、柱以H型鋼截面為主，通常分段變截面 3）梁與柱為剛接 ，吊車影響較小時柱腳鉸接，反之剛接 4）梁、柱由多個制造、運輸單元組成，用法蘭、摩擦型高強度 螺栓剛性連接而成 5）與屋架結構相比，占建筑高度小 6）屋面(墻面)由冷彎薄壁型鋼檁條(墻梁)加壓型鋼板、保溫棉 等組成結構適用范圍 輕型門式剛架適用于跨度小于36m，柱高小于12m，吊車起重量不大于20t（輕級工作制）的單層工業(yè)廠房、倉庫、超市等

10、結構形式：(d)帶挑檐架 （e）帶毗屋剛架（f）單坡剛架 (a)單跨剛架 （b）雙跨剛架（c）多跨剛架結構布置 1）門式鋼架柱距一般取69m 2）溫度區(qū)段布表3-1 溫度區(qū)段長度 3）伸縮縫設置 ）伸縮縫兩旁設置雙柱 ）吊車梁及檁條連接采用長圓孔 ）每個溫度區(qū)間形成獨立的支撐體系支撐體系布置 1）柱間支撐布置 ） 柱間支撐的間距應根據(jù)受力情況和安裝條 件確定 ,設在結構兩端，間距不 大于60m ） 柱高較大或有吊車時宜分兩層設置柱間支撐， 以吊車梁為分界，支撐的角度取30度60度 ）輕型結構可采用柔性預應力圓鋼交叉支撐。當設有 起重量不小于5的吊車時，柱間宜采用剛性交叉支撐 ）柱間支撐受一面山

11、墻傳來的風壓力和吊車縱向剎車力， 受力由單 片支撐承受 圖3-3 柱間支撐布置支撐體系布置 2）屋面水平支撐布置 ） 與柱間支撐同時布在 第一個或第二個開間， 形成連續(xù)的傳力體系。 當設在第二個開間時， 應在第一個開間設置 剛性系桿 圖3-4 柱屋面水平支撐布置 支撐體系布置 2）屋面水平支撐布置 ） 在剛架轉折處（屋脊、邊柱柱頂?shù)龋┭胤课萑L設置剛性系桿 ）屋面交叉支撐按柔性桿設計，并施加預拉力；若為單斜桿應按 壓桿設計 ）雙檁條可兼做剛性系桿 ）屋蓋橫向水平支撐支點設在靠近上翼緣處 ）吊車起重量大于15t時，宜在屋蓋邊緣設置縱向支撐 ）剛架斜梁上橫向水平支撐的內(nèi)力，應根據(jù)縱向風荷載按支承于

12、 柱頂?shù)乃借旒苡嬎阒误w系布置3）隅撐布置 ） 作用：保證鋼梁下翼緣及柱的內(nèi)翼緣的穩(wěn)定 ） 間距：不大于13b(Q345)或16b（Q235），b為 梁受壓翼緣的寬度 ）計算： 圖3-5 隅撐構造隅撐與檁條夾角支撐體系布置4）實腹屋面梁 圖3-5實腹式屋面梁 支撐體系布置5）托梁 圖3-7 托梁的形式和尺寸檁條截面形式 圖3-8 實腹式檁條截面形式檁條布置 1） 減小對剪力中心的偏心矩 2） 屋脊檁條應對拉 3）邊緣檁條應與天溝匹配 圖3-9 檁條間距局部調(diào)整檁條的連接 圖3-10 檁條連接構造拉條與撐桿 1） 作用：為給檁條提供側向支承，減小檁條沿屋面 坡度方向的跨度 圖3-11 拉條與撐

13、桿構造 （a）直拉條 （b）斜拉條 （c）撐桿拉條與撐桿 2） 布置 A 檁條跨度不大于6m,中間加一道拉條 B 檁條跨度大于6m,三分點處各加一道拉條 C 天窗兩側檁條之間設置斜拉條和直撐桿 D 拉條一般設置在離檁條上翼緣1/3高度處 E 撐桿和拉條共同受力,限制屋脊、檁條 和天窗邊檁條的側向彎曲圖3-13 斜拉條和直撐桿的布置 圖3-12 拉條的布置 荷載 1） 永久荷載：建筑材料自重 2） 可變荷載：檢修荷載、積灰荷載和雪荷載；對坡度 小于15屋面，僅計風吸力，坡度大于15的屋 面,同時有風吸和風壓 3） 兼做剛性系桿 的檁條按壓彎計算 4） 對設有隅撐的檁條 ，要考慮隅撐的作用 計算

14、1） 垂直與主軸x、y的分荷載為： 2） 內(nèi)力與拉條的距離有關，分別計算繞主軸的內(nèi)力 3） 強度驗算： 其中 為有效凈截面模量 4） 若與壓型鋼板可靠連接，無穩(wěn)定問題 5） 變形 圖3-11 檁條計算示意圖 對C型檁條 ，對Z型檁條荷載組合 1） 其中 為吊車豎向、水平荷載 2） 其中 為風吸力 3） 4） 5） 當多跨剛架均有吊車時，還要考慮臨跨吊車水平荷載 6）在地震區(qū)，還要驗算以下組合： 對7度區(qū)基本風壓大于0.35 ，對8度區(qū)（類、類場地）基本風壓大 于0.45 ， 可不計算地震作用。 截面設計 1）柱按實腹式偏壓（拉）構件設計 注：N取小頭，A取小頭，M取大頭，W取大頭 2）等截面折

15、線梁坡度大于1/3時按壓彎桿計算； 變截面梁按壓彎桿計算； 梁上有集中力作用下若未設加緊肋，則要滿足： 在正彎矩處： 在橫梁負彎矩處： 3） 局部穩(wěn)定：同一般梁梁柱連接及拼接節(jié)點 1）可按圖3-18和已學知識計算 彎矩和板的強度、螺栓強度圖3-17 梁柱連接節(jié)點圖3-18 端板的支承條件梁柱連接及拼接節(jié)點 2）驗算節(jié)點域抗剪強度 其中 分別為節(jié)點域的寬度和厚度 為節(jié)點彎矩為節(jié)點域高度梁柱連接及拼接節(jié)點 2）端板螺栓處腹板強度驗算 其中 為翼緣內(nèi)第二排一個螺栓的軸向拉力設計值 為螺栓中心至腹板表面的距離 為高強度螺栓的預拉力 或（一般由前式控制）為腹板厚度 柱腳 圖3-20 剛接柱腳圖3-19

16、鉸接柱腳注意：抗剪件的取舍實例：見課程設計多層框架鋼結構體系 荷載與作用及其效應（自學）鋼構件設計 樓蓋設計 （自學）節(jié)點設計圖41 多層多跨鋼框架的組成示意圖多層框架鋼結構分類 1）純框架體系 2）框架支撐體系 ）中心支撐 ：交叉支撐、 單斜桿支撐，人形、V形支撐 作用：提高結構抗側剛度 ）偏心支撐 作用：提高抗側剛度，并增加結構 變形中的耗能，用于8度及以上地區(qū)多層框架鋼結構分類 3）框筒體系 結構連接類型 1）鉸接 ：不能承受彎矩 2）剛接：能承受全部彎矩， 無抗彎剛度突變 3）半剛接 ：能承受一定彎矩， 抗彎剛度會突變 結構布置 1）主導思想 ） 盡可能避免結構平面不規(guī)則，包括扭轉不規(guī)

17、則、凹凸不規(guī)則和 樓板局部不連續(xù) ）盡可能避免結構豎向不規(guī)則，包括側向剛度不規(guī)則、豎向抗側 力構件不連續(xù)和樓層承載力突變 2）抗側力構件布置具體要求 ） 支撐布置在多層框架的縱橫雙向，基本與結構主軸方向對稱 ） 在長方形平面中，長邊方向支撐可少于短邊方向支撐結構布置 2）抗側力構件布置具體要求 ）一般用中心支撐，強震區(qū)用偏心支撐，但梁上偏心支撐 點要加側向水平支撐，以防止此點失穩(wěn) ）中心支撐軸線應交匯于梁柱軸線交點（或偏離中心不超 過支撐桿件寬度 ）。 ）不宜采用K形支撐 ）支撐應上下貫通框架計算方法 1）傳統(tǒng)分析方法 2）有限元方法 框架設計步驟 1）準備設計資料 2）確定結構平、立面布置

18、框架設計步驟 3）確定支撐體系的布置 4）荷載計算 5）確定截面尺寸 6）確定梁、柱計算長度 7）內(nèi)力分析 及變形驗算 8）內(nèi)力組合 并與抗力對比 9）變形組合并與允許變形對比 10）連接設計 請自學梁構件設計 一般同第二章，僅在罕遇地震時兩端要有3轉角能力 框架柱整體穩(wěn)定的計算長度 （柱設計一般同第二章，僅論述框架柱的計算長度） 1）平面外計算長度 取阻止框架柱平面外位移的支撐點間距為其計算長度 框架柱整體穩(wěn)定的計算長度 2）平面內(nèi)計算長度 ）平面內(nèi)計算長度取決于框架整體側移狀態(tài)及柱兩端受約束程度 ）計算方法可分為有支撐和無支撐，有支撐又分為強支撐和弱 支撐 ）無支撐純框架 a)當采用一階彈

19、性方法結算結構內(nèi)力時,按附表E-5-2確定 b)當采用二階彈性方法結算結構內(nèi)力且在每層柱頂附加假想水 平力 時,取 。為第i樓層的總重力荷載設計值 為框架總層數(shù) ，當 時，取此值1.0具體取值為：1.0（Q235），1.1（Q345），1.2（Q390），1.25（Q420）框架柱整體穩(wěn)定的計算長度2）平面內(nèi)計算長度 ）有支撐純框架 a)當支撐結構的側移剛度(產(chǎn)生單位側傾角的水平力) 滿足下式 要求時，按無側移框架計算（表E-5-1）。 （414） 為第i層層間所有框架柱用無側移框架柱計算長度系數(shù)求得的軸壓穩(wěn)定承 載力之和為第i第層層間所有框架柱用有側移框架柱計算長度系數(shù)求得的軸壓穩(wěn)定承載力之

20、和 框架柱整體穩(wěn)定的計算長度2）平面內(nèi)計算長度 ）有支撐純框架 a)當支撐結構的側移剛度 不滿足式（4-14） 時，為弱支撐框架，其軸壓穩(wěn)定系數(shù)按下式計算： 為框架柱用無側移框架柱計算長度系數(shù)求得的軸壓穩(wěn)定系 為框架柱用有側移框架柱計算長度系數(shù)求得的軸壓穩(wěn)定系數(shù) 框架柱整體穩(wěn)定的計算長度2）平面內(nèi)計算長度 ）梁、柱線剛度比的計算（查表E-5-1,E-5-2時用） a)上、下端點梁與柱線剛度之比 注：對梁包括該點左右梁， 對柱包括該點上下柱 b) 梁與柱鉸接，取梁的線剛度為0 c) 柱與基礎鉸接時,取 ，柱與基礎剛接時，取 d) 遠端為鉸接，按表E-5-1,E-5-2附注修正 請自學梁與梁的連接

21、 1）框架主梁拼接（自學） 2）次梁與主梁的連接 圖421 主梁與次梁的拼接連接柱與柱的連接 圖423 變截面柱的拼接連接圖422 柱與柱拼接連接梁與柱的連接 設計要點： 1）柱連續(xù)，梁與柱連 2）強節(jié)點，弱構件 3）腹板受剪，翼緣抗彎 4）腹板開孔保證下翼緣焊縫 5）柱設加緊肋對應梁翼緣 6）梁端應有一定變形能力圖423 梁與柱的連接梁與柱的連接 圖423 梁與柱的連接圖425 （例41）支撐與框架的連接 圖426 支撐與框架梁柱的連接柱腳 1）鉸接 （同平臺鋼結構） 圖427 鉸接柱腳柱腳 2）剛接 ）露出式 要點： 加預拉力，抗剪， 混凝土承壓， 墊板計算假定 圖428 露出式剛接柱腳

22、柱腳 2）剛接 ）埋入式 要點： a) 埋入與縱橫梁鋼筋的關系 b) 埋入深度與柱墩豎向配筋的關系 圖429 埋入式剛接柱腳 柱腳 2）剛接 ）包腳式 ）格構柱腳 要點：單肢鉸接 與整體剛接 圖429 埋入式剛接柱腳 圖432 格構式框架柱腳 第五章第五章 單層廠房結構設計單層廠房結構設計 2 2、單層廠房的構成：、單層廠房的構成： 3 3、單層廠房受力體系、單層廠房受力體系 （2 2）風荷載的傳力過程）風荷載的傳力過程二）柱網(wǎng)布置：二）柱網(wǎng)布置： d) 橫向框架2 2、滿足結構要求，結構體系規(guī)整，剛度較好；滿足結構要求，結構體系規(guī)整，剛度較好；三）框架類型：三）框架類型：1mcdb13h2h

23、hh1hBlklcb2c2 2、雙層與單層吊車梁；、雙層與單層吊車梁；四）支撐體系四）支撐體系 2 2、 屋蓋支撐的布置屋蓋支撐的布置3、屋蓋支撐設計原則：屋蓋支撐設計原則： 按腹桿形式分：按腹桿形式分：Lh)6/14/1( Lh)10/16/1( llox llox8 . 0 平面外：平面外：)25. 075. 0(121NNlloy 21NN 1lllo9 . 0 )1(210NNllo NNllo02121 lNNllo5 . 0)431(210 lNNllo5 . 04310 21NN 0y 0l55. 10yy 允許長細比允許長細比 壓桿壓桿 拉桿拉桿 桁架桿件桁架桿件 150 35

24、0 支撐支撐 200 400 il400 il800 i6 6、桿件截面驗算：、桿件截面驗算： fANn fAN yyoyyxxoxxilil )( tbtb075,. y yz yz fWMANnxxxn fNN801WMANExx1xxmxx ).( ExN)(2xR2ExEAN yz 7 7、鋼屋架節(jié)點設計：、鋼屋架節(jié)點設計： fWMANx1bxtxy 01. x1W)( eNNM21)( iiiiiiilIKMkkM ,）節(jié)點板尺寸按所連接桿件及焊縫長度定，至少有兩條邊平行，不）節(jié)點板尺寸按所連接桿件及焊縫長度定，至少有兩條邊平行，不應有凹角；應有凹角； 515118N8018N. 345Q235Q kNNmm單單位位單單位位, eNMNNN12 ,）弦桿拼接點（圖）弦桿拼接點（圖5 543 43 圖圖5-445-44） N150.eN150M . cfRA2b4RM4RV ,圖5-45 梯形屋架簡支支座節(jié)點圖5-46 屋架與柱的剛接構造8、鋼屋架設計實例、鋼屋架設計實例 (P88)(P88)圖5-45 梯形屋