建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計n

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計n第1頁/共45頁0課程介紹一、結(jié)構(gòu)：由基本構(gòu)件組成（連接）的受力體系二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程區(qū)別和聯(lián)系：區(qū)別：

材料性能連接基本構(gòu)件構(gòu)造要求理念、知識、方法對象共性的節(jié)點和基本構(gòu)件應(yīng)力設(shè)計特點局部、單個、零散設(shè)計原理第2頁/共45頁結(jié)構(gòu)體系、特點、組成結(jié)構(gòu)布置荷載及計算內(nèi)力計算及組合理念、知識、方法對象具體的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計特點承載力、剛度、延性整體局部整體結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)件、節(jié)點設(shè)計施工圖設(shè)計第3頁/共45頁聯(lián)系原理是從具體結(jié)構(gòu)中抽象出來的，是基礎(chǔ)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計是設(shè)計原理的應(yīng)用和擴展二者是設(shè)計中不可分割兩個方面。第4頁/共45頁本課程學(xué)習(xí)概念設(shè)計平臺鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計輕型門式剛架設(shè)計多高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計普通鋼屋架單層廠房設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)施工及防腐蝕課程設(shè)計一周二、建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程內(nèi)容24學(xué)時32學(xué)時第5頁/共45頁三、設(shè)計課程學(xué)習(xí)和思維方法學(xué)什么？難點和重點？重視概念設(shè)計(方案設(shè)計）重視每一結(jié)構(gòu)體系的特點（特別是受力特點）、組成、結(jié)構(gòu)布置、計算簡圖、設(shè)計步驟和方法把結(jié)構(gòu)看成構(gòu)件:一棟大廈的結(jié)構(gòu)就是一根懸臂梁,(梁的壓應(yīng)力相當于柱子的壓力,梁的剪應(yīng)力相當于樓中的橫梁的軸力。樓板相當于加勁肋。內(nèi)力與應(yīng)力相照應(yīng)),一座桁架大鐵橋就是一根連續(xù)梁。第6頁/共45頁第7頁/共45頁鋼管適合做二力桿,不宜做抗彎構(gòu)件等把構(gòu)件看成結(jié)構(gòu)一個H型鋼構(gòu)件是由三塊板組成,一個鋼管相貫的節(jié)點就是一個空間結(jié)構(gòu)。把握結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的特性在設(shè)計和生活中學(xué)習(xí)設(shè)計看到一個建筑物,就要考慮它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系、傳力方式、受力特點,有何優(yōu)點和缺點。加深對結(jié)構(gòu)的理解。注重結(jié)構(gòu)知識的積累。第8頁/共45頁

蛋殼、海螺殼、燕窩（薄殼結(jié)構(gòu)）肥皂泡（沖氣薄膜結(jié)構(gòu)蜘蛛網(wǎng)（索網(wǎng)結(jié)構(gòu)）蜂窩、鳥巢（空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu))棕櫚樹（折板結(jié)構(gòu)）樹木（樹狀結(jié)構(gòu)）

竹子（筒體結(jié)構(gòu)）向大自然學(xué)習(xí)，自然界是結(jié)構(gòu)大師只有通過不斷探索，優(yōu)化的相對最優(yōu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有唯一解第9頁/共45頁1概念設(shè)計

概念設(shè)計：在結(jié)構(gòu)選型與布置階段，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設(shè)計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部構(gòu)造措施。（主要針對水平荷載）

是保證結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良抗震性能的一種方法。選擇對抗震有利的結(jié)構(gòu)方案和布置，采取減少扭轉(zhuǎn)和加強抗扭剛度的措施，設(shè)計延性結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，分析結(jié)構(gòu)薄弱部位，并采取相應(yīng)的措施，避免薄弱層過早破壞，防止局部破壞引起連鎖效應(yīng)，避免設(shè)計靜定結(jié)構(gòu)，采取二道防線措施等等。。第10頁/共45頁

什么是概念設(shè)計？1概念設(shè)計

概念設(shè)計力學(xué)關(guān)系破壞機理震害試驗現(xiàn)象工程經(jīng)驗結(jié)構(gòu)選型與布置全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部構(gòu)造措施設(shè)計思想地震、風(fēng)第11頁/共45頁減少扭轉(zhuǎn)、增加抗扭剛度延性結(jié)構(gòu)和構(gòu)件避免薄弱層多道設(shè)防、剛?cè)峤Y(jié)合承載力、剛度、延性為主導(dǎo)第12頁/共45頁

1、概念設(shè)計不僅用于一些大的原則,如確定結(jié)構(gòu)方案,結(jié)構(gòu)布置等，而是貫穿整個設(shè)計過程中。2、不可迷信電腦,應(yīng)做電腦的主人。人的設(shè)計,就是概念設(shè)計。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計不是“規(guī)范+計算”更不是“規(guī)范+一體化計算機結(jié)構(gòu)設(shè)計程序”。正確理解概念設(shè)計是在總體上把握抗震設(shè)計的主要原則，彌補由于地震作用及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的復(fù)雜性而造成抗震計算不正確的不足；抗震計算為建筑抗震設(shè)計提供定量保證；構(gòu)造措施則為保證抗震概念與抗震計算的有效性提供保障。它們是一個不可割裂的整體。概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算、構(gòu)造措施關(guān)系第13頁/共45頁——土木工程師不僅是可靠的應(yīng)力計算者，更應(yīng)該是一個有魄力、足智多謀、能正確判斷事物的設(shè)計者。設(shè)計概念經(jīng)驗悟性判斷力創(chuàng)造力結(jié)構(gòu)師專業(yè)素質(zhì)第14頁/共45頁

珍惜每一次的設(shè)計機會，無論大小，都是一個完整的有機結(jié)構(gòu)，都應(yīng)激發(fā)自我的挑戰(zhàn)感、創(chuàng)造感和樂趣感。概念、悟性、判斷力和創(chuàng)造力不會憑空而來，都是在每一各工程的概念設(shè)計中，通過自身不斷的反饋、比較、總結(jié)才能逐漸積累和充實。第15頁/共45頁1.1鋼結(jié)構(gòu)的適用范圍鋼結(jié)構(gòu)特點輕質(zhì)高強；材質(zhì)均勻、穩(wěn)定；生產(chǎn)工業(yè)化程度高，施工周期短；塑性韌性好；密封性好；耐腐蝕性差；耐火性差；單價較高（？）。鋼結(jié)構(gòu)的適用高、大、重、動、輕大跨度鋼結(jié)構(gòu)重型廠房鋼結(jié)構(gòu)受動力荷載影響的結(jié)構(gòu)可拆卸的結(jié)構(gòu)高聳結(jié)構(gòu)和高層建筑容器和其他構(gòu)筑物輕型鋼結(jié)構(gòu)第16頁/共45頁1.2鋼材選用原則結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性荷載性質(zhì)（靜載或動載）連接方法（焊接、鉚接或螺栓連接）工作條件（溫度及腐蝕介質(zhì)）鋼板的厚度對于重要結(jié)構(gòu)、直接承受動載的結(jié)構(gòu)、處于低溫條件下的結(jié)構(gòu)及焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用質(zhì)量較高的鋼材。注意焊接結(jié)構(gòu)選用B級以上的鋼材（如Q235B)鋼材強度剛度控制時，選低等級強度控制時，選高等級桿系（如支撐）穩(wěn)定控制時（如長細比控制），選低等級。第17頁/共45頁沖擊韌性質(zhì)量等級：A、B、C、D、E（Q235無）按選擇因子查表：最高選擇因子：3*3*3*3＝81溫度：20°C、0°C、-20°C、-40°C在沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂時所吸收的能量第18頁/共45頁影響因數(shù)結(jié)構(gòu)重要性荷載狀況連接狀況使用溫度選擇因子值類別三級靜力全螺栓、無焊接不低于0°C1二級一般動力大部分工廠焊、工地螺栓不低于-20°C2一級疲勞動力大部分現(xiàn)場、高空焊不低于-40°C3表1-1選擇鋼材沖擊韌性指標的影響因數(shù)選擇因子表1-2選擇因子之積u與質(zhì)量等級關(guān)系選擇因子之積u22~1818~2424~54>54質(zhì)量等級ABCDE第19頁/共45頁

1.3鋼結(jié)構(gòu)荷載風(fēng)荷載一般指標準值，由基本風(fēng)壓，風(fēng)振系數(shù)（或陣風(fēng)系數(shù)），體型系數(shù)，及風(fēng)壓高度變化系數(shù)組成。鋼結(jié)構(gòu)對風(fēng)敏感、往往成為控制荷載。吸力和壓力。冰、雪荷載和積灰荷載冰、雪、積灰的自重荷載冰凌是過冷卻的液態(tài)降水（凍雨）碰到地面物體后直接凍結(jié)而成的毛玻璃狀或透明的堅硬冰層，外表光滑或略有隆突。比重：8.8kN/m3）注意雪荷載與屋面活荷載不同時考慮，取兩者中較大者。積灰荷載與屋面活荷載或雪荷載兩者中較大者同時考慮。吊車荷載豎向荷載應(yīng)乘以動力系數(shù)1.05(吊車工作制A1~A5)或1.1(A6~A8)。水平荷載見規(guī)范。第20頁/共45頁工作制等級輕級中級重級特重級工作級別

A1～A3

A4,A5

A6,A7

A8吊車等級第21頁/共45頁地震荷載：按《抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2001采用。另見P4。概念措施：采用輕質(zhì)維護材料的板材、提高結(jié)構(gòu)的延性、提高結(jié)構(gòu)和附屬體整體抗震阻尼比。溫度作用相對不敏感，大跨和超長結(jié)構(gòu)考慮（1）溫差大時，鋼結(jié)構(gòu)安裝要考慮施工時段；（2）超出下表中數(shù)值時,應(yīng)考慮溫度應(yīng)力和溫度變形的影響溫度收縮縫:第22頁/共45頁

結(jié)構(gòu)情況縱向溫度區(qū)段(垂直屋架或構(gòu)架跨度方向)橫向溫度區(qū)段(屋架或構(gòu)架跨度方向)柱頂為剛接柱頂為鉸接采暖房屋和非采暖地區(qū)的房屋熱車間和采暖地區(qū)的非采暖房屋露天結(jié)構(gòu)220120150180100125120----第23頁/共45頁1.4

鋼結(jié)構(gòu)計算

1.鋼結(jié)構(gòu)的計算：概率極限狀態(tài)設(shè)計法：強度、穩(wěn)定、變形容許應(yīng)力法：疲勞、網(wǎng)殼穩(wěn)定2、承重結(jié)構(gòu)的驗算第24頁/共45頁1.鋼結(jié)構(gòu)的計算概率極限狀態(tài)設(shè)計法：強度、穩(wěn)定、變形容許應(yīng)力法：疲勞、網(wǎng)殼穩(wěn)定2、承重結(jié)構(gòu)的驗算1.4鋼結(jié)構(gòu)計算第25頁/共45頁圖1-2極限狀態(tài)驗算公式關(guān)系圖第26頁/共45頁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：(按1，2，3級?。?.1,1.0,0.9)活載組合系數(shù)：雪載：0.7；積灰：0.9;吊車：0.7或0.95(硬鉤和A8軟鉤）；風(fēng)載：0.6（1）永久荷載分項系數(shù)當其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時

--對可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.2;--對永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.35;

當其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時

--一般情況下應(yīng)取1.0；

--對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗算，應(yīng)取0.9。（2）可變荷載的分項系數(shù)

--一般情況下應(yīng)取1.4；

--對標準值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載標準值應(yīng)取1.3。第27頁/共45頁3.結(jié)構(gòu)效應(yīng)一般滿足（1-1）、（1-3）常遇地震作用時取1.0，此時風(fēng)組合系數(shù)取0.2罕遇地震作用時所有的分項系數(shù)均為1.0正常使用極限狀態(tài)實為廣義變形：線位移、角位移、加速度、沉降、長細比等。4.結(jié)構(gòu)抗力R及正常使用限值C:。（1）鋼材強度變化：鋼材厚度不同、強度不同；單角鋼受力，整體按軸壓構(gòu)件計算時，強度修正；單角鋼單肢連接時，連接強度修正；地震作用時強度的提高修正。（2）正常使用極限狀態(tài)下變形限值C：按GB50017-2003查找。預(yù)拱問題：樓面、屋面、曲梁、懸臂梁等取拱，荷載啟用合適。變形限值應(yīng)通知其它工種的設(shè)計人員。第28頁/共45頁1.5結(jié)構(gòu)體系1.5.1結(jié)構(gòu)體系與使用要求結(jié)構(gòu)需滿足建筑功能和空間要求框架結(jié)構(gòu)：住宅、辦公樓門式剛架：輕工廠房空間結(jié)構(gòu)（拱、殼、索、膜或雜交結(jié)構(gòu)）：公共建筑1.5.2主體鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方向框架結(jié)構(gòu)：選擇合適的截面，盡可能大的慣性矩和抗彎模量，同時滿足局部穩(wěn)定要求門式剛架：根據(jù)制造分段及內(nèi)力狀況分段確定各段兩端截面的高度和尺寸。一般直線變坡?？臻g結(jié)構(gòu)：單個構(gòu)件軸心受力，截面尺寸優(yōu)化；整體幾何尺寸或形態(tài)優(yōu)化（找形分析）。第29頁/共45頁1.5.3輔助結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系主體結(jié)構(gòu)：梁、柱、桁架、拱、殼、索、膜或雜交結(jié)構(gòu)輔助結(jié)構(gòu)：支撐關(guān)系：支撐與桁架或框架結(jié)構(gòu)共同受力。支撐減小主要受力構(gòu)件的計算長度提高結(jié)構(gòu)體系的整體性，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度在施工過程中保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)換主體結(jié)構(gòu)是支撐結(jié)構(gòu)的支座。第30頁/共45頁1.6節(jié)點設(shè)計1.6.1單元的劃分與結(jié)合計算單元：根據(jù)構(gòu)件的不同種類、計算精度要求制作單元：便于制作分工，提高標準化、機械化，提高工廠化及效率。運輸單元：提高運輸效率，節(jié)約運輸成本。安裝單元：考慮安裝時間過程、空間狀態(tài)、設(shè)備能力、效率。所有的單元用節(jié)點連接成整體。1.6.2節(jié)點分類受力分：剛接、半剛接、鉸接1.剛接:抵抗和傳遞M、N、V變形連續(xù)極限狀態(tài)下，有一定的塑性變形能力，產(chǎn)生內(nèi)力重分布和抗震耗能。梁與柱剛接第31頁/共45頁2.半剛性連接：有一定的抗彎能力，但抗彎剛度不連續(xù)處理：整體計算時，鉸接。局部分析時：取合適的計算模型，如剛接或承受一半的彎矩等。梁與柱半剛接梁腹板與翼緣傳遞剪力和部分彎矩第32頁/共45頁梁與柱鉸接3.鉸接：只承受和傳遞剪力，對結(jié)構(gòu)變形不敏感。類型：銷連接、支座端板的洗平頂緊、專用鉸支座、普通螺栓連接。固定鉸和滑動鉸1.6.3焊接和螺栓連接1.選擇：塔架：螺栓連接其它：焊接和螺栓并用原則：工廠焊接、現(xiàn)場螺栓連接，盡量避免現(xiàn)場高空焊接。趨勢：工廠化生產(chǎn)、高效率安裝、節(jié)約資源和成本。第33頁/共45頁2.焊接和螺栓連接中具體方法及質(zhì)量等級的選擇焊接：疲勞動力荷載：全熔透的一級對接焊縫一般動力荷載：全熔透的二級對接焊縫，并采用引弧板其他：三級對接焊縫或角焊縫螺栓焊接：疲勞、動力荷載：摩擦型高強螺栓一般動力荷載、較大靜力荷載：承壓型高強螺栓或高強度配套螺栓（加防松措施）其他：普通螺栓C級（加防松措施），A、B級僅用于單個銷連接且長度可調(diào)的構(gòu)件連接。鑄鋼連接：復(fù)雜節(jié)點。第34頁/共45頁補充：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單步驟和設(shè)計思路1、判斷結(jié)構(gòu)是否適合鋼結(jié)構(gòu)高、大、重、動、輕、體形復(fù)雜、可持續(xù)發(fā)展住宅2、結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置(結(jié)構(gòu)方案)(1)對結(jié)構(gòu)定性,在經(jīng)驗豐富的工程師下進行.(2)“概念設(shè)計”在結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置階段尤其重要.(3)可避免多次修改和試算,提高世紀設(shè)計效率

第35頁/共45頁3、預(yù)估截面:確定梁柱和支撐的斷面與尺寸．梁截面高度通常在跨度的1/20~1/40之間選擇,根據(jù)梁側(cè)向支撐點間的距離[l/b]限值確定翼緣寬度（整體穩(wěn)定），根據(jù)局部穩(wěn)定確定翼緣厚度．柱：長細比預(yù)估，通常，簡單選擇在80左右，４、結(jié)構(gòu)分析:線彈性分析，可考慮二階效應(yīng)．電算或手算．第36頁/共45頁５、工程判定：評估各向周期、總剪力、變形特征等，根據(jù)判定結(jié)果，確定選擇修改模型重新分析還是修正計算結(jié)果．不同的軟件會有不同的實用條件，初學(xué)者應(yīng)充分明了．此外，工程設(shè)計計算與精確的力學(xué)計算通常有一定誤差，為了獲得實用的設(shè)計方法，有時會用誤差較大的假定，但對這種誤差，要通過“適用條件、概念及構(gòu)造”的方式保證結(jié)構(gòu)的安全，這比定量計算更重要．注重概念設(shè)計、工程判定和構(gòu)造措施第37頁/共45頁６、構(gòu)件設(shè)計材料：Ｑ２３５、Ｑ３４５，強度控制是可選擇Ｑ３４５，穩(wěn)定和變形控制時，宜選擇Ｑ２３５，焊接時宜選擇選擇Ｑ２３５-Ｂ或Ｑ３４５-Ｂ（１）軟件在做構(gòu)件（柱）的截面驗算時，計算長度系數(shù)的取定有時不符合規(guī)范的規(guī)定．對于節(jié)點連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件，應(yīng)該逐個檢查．（２）截面不滿足：強度不足時，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗彎不足加大翼緣厚度，抗剪不足加大腹板厚度．變形超限：通常不應(yīng)加大板件厚度而應(yīng)考慮加大截面高度第38頁/共45頁7、節(jié)點設(shè)計(1)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的內(nèi)容之一,在分析之前,應(yīng)該對節(jié)點形式有充分的思考和確定.最終設(shè)計的節(jié)點與模型中的形式不完全一致,應(yīng)控制在5%內(nèi),否則應(yīng)避免.節(jié)點分剛結(jié)、

鉸接和半剛接.連接節(jié)點的不同對結(jié)構(gòu)影響較大.有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒問題,但會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動,不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定,會導(dǎo)致實際變形大于計算數(shù)據(jù)的不利結(jié)果.第39頁/共45頁(2)設(shè)計方法有等強設(shè)計和實際受力設(shè)計,初學(xué)者可偏安全選前者.(3)焊接:對焊縫的尺寸及形式、質(zhì)量等級,規(guī)范有強制規(guī)定,應(yīng)該嚴格執(zhí)行.焊條的選用應(yīng)與被連接金屬材質(zhì)相適應(yīng).E43與Q235,E50對Q345,Q235與Q345連接是