鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)課件

郭小農(nóng)同濟(jì)大學(xué)建筑工程系第01章概念設(shè)計(jì)郭小農(nóng)第01章概念設(shè)計(jì)提綱1.建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和適用范圍3.建筑鋼結(jié)構(gòu)的材料選用4.建筑鋼結(jié)構(gòu)的荷載5.建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法6.建筑鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系7.建筑鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提綱1.建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢第1節(jié)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢第1節(jié)1.1發(fā)展歷史20世紀(jì)50~70年代：應(yīng)用較少受鋼產(chǎn)量限制，僅用于重型廠房和大跨公建

20世紀(jì)80年代以來：飛速發(fā)展，廣泛應(yīng)用

1996年以后，鋼產(chǎn)量世界第一

如：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展如：輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展1.1發(fā)展歷史20世紀(jì)50~70年代：應(yīng)用較少1.2發(fā)展現(xiàn)狀

應(yīng)用范圍擴(kuò)張高層建筑體育場館機(jī)場航站樓會展中心劇院火車站飛機(jī)庫工業(yè)廠房

電視塔

結(jié)構(gòu)體系豐富純框架帶支撐框架框筒網(wǎng)架網(wǎng)殼空間桁架剛架、拱架懸索、張弦梁索膜結(jié)構(gòu)塔桅結(jié)構(gòu)1.2發(fā)展現(xiàn)狀應(yīng)用范圍擴(kuò)張結(jié)構(gòu)體系豐富1.2發(fā)展現(xiàn)狀高層建筑1.2發(fā)展現(xiàn)狀高層建筑1.2發(fā)展現(xiàn)狀金貿(mào)大廈框筒結(jié)構(gòu)；地上88層；地下3層；結(jié)構(gòu)頂高420m；環(huán)球金融中心框筒結(jié)構(gòu)；地上101層；地下3層；結(jié)構(gòu)頂高492m；高層建筑1.2發(fā)展現(xiàn)狀金貿(mào)大廈環(huán)球金融中心高層建筑1.2發(fā)展現(xiàn)狀上海中心框筒結(jié)構(gòu)；勁性混凝土柱；地上118層；地下5層；結(jié)構(gòu)頂高580m；高層建筑1.2發(fā)展現(xiàn)狀上海中心高層建筑1.2發(fā)展現(xiàn)狀高層建筑央視大廈框筒結(jié)構(gòu)；兩座傾斜塔樓；懸挑75m；地上52層；地下3層；結(jié)構(gòu)頂高234m；1.2發(fā)展現(xiàn)狀高層建筑央視大廈1.2發(fā)展現(xiàn)狀高層建筑同濟(jì)綜合樓帶支撐框架；鋼管混凝土柱；粘滯阻尼支撐；地上21層；地下1層；結(jié)構(gòu)頂高98m；1.2發(fā)展現(xiàn)狀高層建筑同濟(jì)綜合樓1.2發(fā)展現(xiàn)狀多層建筑同濟(jì)土木樓帶支撐框架；H型鋼柱；粘滯阻尼支撐；地上8層；地下1層；1.2發(fā)展現(xiàn)狀多層建筑同濟(jì)土木樓1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館上海八萬人體育館馬鞍形；長軸288m；短軸274m；最大懸挑73.5m；空間結(jié)構(gòu)1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館上海八萬人體育館馬鞍形；長軸288m1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館南京奧林匹克體育中心360m跨鋼拱+空間梁格體系1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館南京奧林匹克體育中心360m跨鋼拱1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館鳥巢馬鞍型；長軸332m；短軸296m；空間桁架結(jié)構(gòu)1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館鳥巢馬鞍型；長軸332m；短軸2961.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館鳥巢結(jié)構(gòu)骨架24跟桁架柱；22榀桁架梁；1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館鳥巢結(jié)構(gòu)骨架24跟桁架柱；1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館水立方長寬177m；高度31m；空間剛架結(jié)構(gòu)1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館水立方長寬177m；高度31m；空間1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館水立方結(jié)構(gòu)體系1.2發(fā)展現(xiàn)狀體育場館水立方結(jié)構(gòu)體系1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓浦東國際機(jī)場張弦梁結(jié)構(gòu)；最大跨度83m1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓浦東國際機(jī)場張弦梁結(jié)構(gòu)；最大跨度1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓浦東國際機(jī)場1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓浦東國際機(jī)場1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓浦東國際機(jī)場張弦梁吊裝1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓浦東國際機(jī)場張弦梁吊裝1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓重慶江北機(jī)場桁架結(jié)構(gòu)；最大跨度90m1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓重慶江北機(jī)場桁架結(jié)構(gòu)；最大跨度91.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓重慶江北機(jī)場1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓重慶江北機(jī)場1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓成都雙流機(jī)場曲線型空間鋼管桁架1.2發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)場航站樓成都雙流機(jī)場曲線型空間鋼管桁架1.2發(fā)展現(xiàn)狀會展中心上海國際會議中心單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；大球直徑48m；小球直徑37m；桿件為矩形管；鑄鋼節(jié)點(diǎn)；1.2發(fā)展現(xiàn)狀會展中心上海國際會議中心1.2發(fā)展現(xiàn)狀會展中心廣州國際會展中心張弦立體桁架結(jié)構(gòu)，跨度127m1.2發(fā)展現(xiàn)狀會展中心廣州國際會展中心張弦立體桁架結(jié)構(gòu)，1.2發(fā)展現(xiàn)狀會展中心1.2發(fā)展現(xiàn)狀會展中心1.2發(fā)展現(xiàn)狀會展中心世博軸陽光谷單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；倒喇叭形；高度約42m；1.2發(fā)展現(xiàn)狀會展中心世博軸陽光谷1.2發(fā)展現(xiàn)狀劇院平面尺寸100m*90m；正交空間桁架結(jié)構(gòu)；上海大劇院1.2發(fā)展現(xiàn)狀劇院平面尺寸100m*90m；正交空間桁架結(jié)1.2發(fā)展現(xiàn)狀劇院橢球面雙層空腹肋環(huán)形網(wǎng)殼；長軸212m；短軸142m；國家大劇院1.2發(fā)展現(xiàn)狀劇院橢球面雙層空腹肋環(huán)形網(wǎng)殼；長軸212m；1.2發(fā)展現(xiàn)狀劇院1.2發(fā)展現(xiàn)狀劇院1.2發(fā)展現(xiàn)狀火車站草帽形空間結(jié)構(gòu)；圓形平面；直徑270m；上海南站1.2發(fā)展現(xiàn)狀火車站草帽形空間結(jié)構(gòu)；圓形平面；直徑270m1.2發(fā)展現(xiàn)狀火車站新武漢火車站1.2發(fā)展現(xiàn)狀火車站新武漢火車站1.2發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)廠房中國船舶館1.2發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)廠房中國船舶館1.2發(fā)展現(xiàn)狀電視塔廣州電視塔結(jié)構(gòu)高450m；總高度610m；1.2發(fā)展現(xiàn)狀電視塔廣州電視塔1.2發(fā)展現(xiàn)狀電視塔廣州電視塔結(jié)構(gòu)體系1.2發(fā)展現(xiàn)狀電視塔廣州電視塔結(jié)構(gòu)體系1.3發(fā)展趨勢1.3發(fā)展趨勢第2節(jié)特點(diǎn)和適用范圍第2節(jié)2.1特點(diǎn)1.輕質(zhì)高強(qiáng)，材性均勻穩(wěn)定；

2.工業(yè)化程度高，施工周期短；

3.密閉性好；

4.塑性好；抗震及抗動力性能好；

5.穩(wěn)定性問題突出；

6.耐火性較差；

7.易腐蝕；

8.單價(jià)高。2.1特點(diǎn)1.輕質(zhì)高強(qiáng)，材性均勻穩(wěn)定；

2.工業(yè)化程度2.1特點(diǎn)1.輕質(zhì)高強(qiáng)2.1特點(diǎn)1.輕質(zhì)高強(qiáng)2.1特點(diǎn)4.塑性變形能力好2.1特點(diǎn)4.塑性變形能力好2.1特點(diǎn)7.耐火性較差2.1特點(diǎn)7.耐火性較差2.1特點(diǎn)7.耐火性較差2.1特點(diǎn)7.耐火性較差2.1特點(diǎn)7.耐火性較差2.1特點(diǎn)7.耐火性較差2.2適用范圍A）恒載占比越大，采用鋼結(jié)構(gòu)越合理。B）強(qiáng)震地區(qū)（地震作用小，延性好）C）勞動力價(jià)格高（工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)場勞動力少）D）軟土地基（基礎(chǔ)耗資?。〦）大跨、超高結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)效應(yīng)函數(shù)值大）2.2適用范圍A）恒載占比越大，采用鋼結(jié)構(gòu)越合理。第3節(jié)材料選用第3節(jié)3.1結(jié)構(gòu)用鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q235低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：Q345、Q390、Q420高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼：GJZ向鋼：Z15、Z25耐候鋼：NH3.1結(jié)構(gòu)用鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q2353.1結(jié)構(gòu)用鋼3.1結(jié)構(gòu)用鋼3.1結(jié)構(gòu)用鋼3.1結(jié)構(gòu)用鋼3.1結(jié)構(gòu)用鋼3.1結(jié)構(gòu)用鋼3.1結(jié)構(gòu)用鋼【例01】某車間用鋼牌號選擇某工業(yè)廠房生產(chǎn)車間；重型吊車；強(qiáng)腐蝕環(huán)境；柱截面為H型；翼緣厚度為50mm；梁柱連接節(jié)點(diǎn)如下圖；最低溫度零下20度；最終設(shè)計(jì)選用的鋼種：Q345GJCNHZ253.1結(jié)構(gòu)用鋼【例01】某車間用鋼牌號選擇某工業(yè)廠房生產(chǎn)車3.1結(jié)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)的重要性荷載特征結(jié)構(gòu)形式應(yīng)力狀態(tài)連接方法鋼材厚度工作環(huán)境鋼材選用應(yīng)考慮的因素3.1結(jié)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)的重要性鋼材選用應(yīng)3.2強(qiáng)度選擇1）變形控制選低強(qiáng)度等級

如跨度大荷載輕的簡支梁；2）強(qiáng)度控制選高強(qiáng)度等級如樓面梁，有鋪板時(shí)，強(qiáng)度可充分發(fā)揮；3）長細(xì)比控制或應(yīng)力水平較低選低強(qiáng)度等級如網(wǎng)架的腹桿；4）施工條件差選較低強(qiáng)度等級3.2強(qiáng)度選擇1）變形控制選低強(qiáng)度等級3.3沖擊韌性選擇表1-1選擇鋼材沖擊韌性指標(biāo)的影響因素及選擇因子

μ=μ1×μ2×μ3×μ4表1-2選擇因子之積μ與材料沖擊韌性指標(biāo)的關(guān)系表

3.3沖擊韌性選擇表1-1選擇鋼材沖擊韌性指標(biāo)的影響因3.3沖擊韌性選擇【例02】呼倫貝爾藝術(shù)館重要建筑；鋼框架結(jié)構(gòu)；梁柱節(jié)點(diǎn)為栓焊連接；承受靜力荷載；最低溫度零下50度；3.3沖擊韌性選擇【例02】呼倫貝爾藝術(shù)館重要建筑；鋼框架第4節(jié)荷載與荷載組合第4節(jié)4.1風(fēng)荷載主體結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)【注意點(diǎn)1】陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)【思考】陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)有何不同？計(jì)算墻板和墻梁時(shí)，應(yīng)采用陣風(fēng)系數(shù)還是風(fēng)振系數(shù)？4.1風(fēng)荷載主體結(jié)構(gòu)【注意點(diǎn)1】陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)【思考】4.1風(fēng)荷載【注意點(diǎn)2】對風(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)四面開敞及雙面開敞的屋面外挑雨棚等要考慮體型系數(shù)變號的情況4.1風(fēng)荷載【注意點(diǎn)2】對風(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)四面開敞及雙面開敞的4.1風(fēng)荷載4.1風(fēng)荷載4.1風(fēng)荷載4.1風(fēng)荷載4.1風(fēng)荷載4.1風(fēng)荷載4.2雪荷載【注意點(diǎn)】積雪的不均勻分布雙坡屋面四坡屋面4.2雪荷載【注意點(diǎn)】積雪的不均勻分布雙坡屋面四坡屋面4.2雪荷載【例03】不均勻積雪對某門式剛架結(jié)構(gòu)的影響雙坡單脊；門式剛架結(jié)構(gòu)；柱腳鉸接；柱頂剛接；不均勻積雪的影響？4.2雪荷載【例03】不均勻積雪對某門式剛架結(jié)構(gòu)的影響雙坡4.2雪荷載【例04】某兩連跨網(wǎng)殼的積雪某雙跨拱形網(wǎng)殼；兩跨間積雪分布系數(shù)如何取值？4.2雪荷載【例04】某兩連跨網(wǎng)殼的積雪某雙跨拱形網(wǎng)殼；4.2雪荷載4.2雪荷載4.2雪荷載4.2雪荷載4.2雪荷載4.2雪荷載4.2雪荷載4.2雪荷載4.3覆冰荷載出現(xiàn)在濕度大、風(fēng)速低、溫度低的區(qū)域覆冰后構(gòu)件截面增加，加大擋風(fēng)面積《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50135-20064.3覆冰荷載出現(xiàn)在濕度大、風(fēng)速低、溫度低的區(qū)域4.4溫度作用建筑結(jié)構(gòu)的絕對溫度作用工作環(huán)境溫度與結(jié)構(gòu)合龍溫度之最大差值

溫度分區(qū)與溫度應(yīng)力釋放（與約束的關(guān)系）結(jié)構(gòu)合龍溫度的選擇

預(yù)應(yīng)力構(gòu)件（索）對溫度的敏感性建筑結(jié)構(gòu)的相對溫度作用同一結(jié)構(gòu)或部件、同一結(jié)構(gòu)同時(shí)處于不同的溫度場

（室內(nèi)外、向陽與背陽）4.4溫度作用建筑結(jié)構(gòu)的絕對溫度作用4.4溫度荷載【例05】柱間支撐布置某門式剛架的縱向柱列，柱間支撐布置方式如下，哪種方式更好？4.4溫度荷載【例05】柱間支撐布置某門式剛架的縱向柱列，4.4溫度荷載【例06】某大尺寸平臺結(jié)構(gòu)某平臺鋼結(jié)構(gòu)，長150m，次梁兩端鉸接；工作溫差較大；計(jì)算發(fā)現(xiàn)，兩邊主梁應(yīng)力比超限，加大截面也不能降低應(yīng)力比；試分析其原因和解決辦法？4.4溫度荷載【例06】某大尺寸平臺結(jié)構(gòu)某平臺鋼結(jié)構(gòu)，長14.4溫度荷載【例07】某空間結(jié)構(gòu)某空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，周邊支承；工作溫差較大；計(jì)算發(fā)現(xiàn)，底邊鋼圈梁應(yīng)力比超限，加大截面也不能降低應(yīng)力比；試分析其原因和解決辦法？4.4溫度荷載【例07】某空間結(jié)構(gòu)某空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，4.5地震作用盡可能減小非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重量提高鋼結(jié)構(gòu)的延性變形（材料、節(jié)點(diǎn)）能力利用一切附加因素加大阻尼，提高耗能能力4.5地震作用盡可能減小非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重量第5節(jié)設(shè)計(jì)方法第5節(jié)5.1設(shè)計(jì)方法5.1設(shè)計(jì)方法5.2極限狀態(tài)表達(dá)式1）非抗震設(shè)計(jì)

承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式2）抗震設(shè)計(jì)小震大震可變荷載控制永久荷載控制5.2極限狀態(tài)表達(dá)式1）非抗震設(shè)計(jì)承載能力極限狀態(tài)表達(dá)5.2極限狀態(tài)表達(dá)式1）非抗震設(shè)計(jì)

正常使用極限狀態(tài)表達(dá)式2）抗震設(shè)計(jì)小震標(biāo)準(zhǔn)組合準(zhǔn)永久組合5.2極限狀態(tài)表達(dá)式1）非抗震設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)表達(dá)【例08】列出高層結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的常見荷載組合5.2極限狀態(tài)表達(dá)式1）非抗震設(shè)計(jì)1.2*恒+1.4*活+1.4*0.6*風(fēng)1.2*恒+1.4*0.7*活+1.4*風(fēng)1.35*恒+1.4*0.7*活+1.4*0.6*風(fēng)2）抗震設(shè)計(jì)：小震1.2*重力荷載代表值+1.4*0.2*風(fēng)+1.3*水平地震3）抗震設(shè)計(jì)：大震【例08】列出高層結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的常見荷載組合5.2第6節(jié)結(jié)構(gòu)體系第6節(jié)6.1常見結(jié)構(gòu)體系空間桁架剛架、拱架懸索、張弦梁索膜結(jié)構(gòu)塔桅結(jié)構(gòu)門式剛架純框架帶支撐框架框筒網(wǎng)架網(wǎng)殼6.1常見結(jié)構(gòu)體系空間桁架門式剛架6.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方向（1）框架結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)件的折線外形；（3）空間結(jié)構(gòu)

使單個(gè)構(gòu)件全截面應(yīng)力趨于均勻，提高強(qiáng)度利用率。6.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方向（1）框架結(jié)構(gòu)6.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方向【例09】討論下列各種結(jié)構(gòu)體系的受力性能。6.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方向【例09】討論下列各種結(jié)構(gòu)體系的受力性能6.3輔助結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)1）兩者共同抵御水平荷載；2）輔助結(jié)構(gòu)可減小主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算長度；3）輔助結(jié)構(gòu)提高主體結(jié)構(gòu)的整體性和剛度；4）輔助結(jié)構(gòu)維持主體結(jié)構(gòu)在施工過程中的穩(wěn)定；5）兩者可相互轉(zhuǎn)換；6）主體結(jié)構(gòu)為輔助結(jié)構(gòu)提供支座。6.3輔助結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)1）兩者共同抵御水平荷載；第7節(jié)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)第7節(jié)7.1單元的劃分與結(jié)合1）計(jì)算單元劃分要考慮計(jì)算精度要求；2）制作單元劃分要考慮便于制作分工；3）運(yùn)輸單元劃分要考慮提高運(yùn)輸效率；4）安裝單元劃分要考慮安裝順序、安裝設(shè)備的能力和安裝效率；5）所有單元都要用節(jié)點(diǎn)連接；7.1單元的劃分與結(jié)合1）計(jì)算單元劃分要考慮計(jì)算精度要求；7.1單元的劃分與結(jié)合【例10】框架柱的現(xiàn)場拼接點(diǎn)方案A方案B拼接節(jié)點(diǎn)思考：哪種分段點(diǎn)方案更合理？7.1單元的劃分與結(jié)合【例10】框架柱的現(xiàn)場拼接點(diǎn)方案A方7.1單元的劃分與結(jié)合【例11】門式剛架屋面梁分段點(diǎn)某輕型門式剛架結(jié)構(gòu)；跨度24m；屋面梁劃分為3段；7.1單元的劃分與結(jié)合【例11】門式剛架屋面梁分段點(diǎn)某輕7.2節(jié)點(diǎn)分類1）剛接節(jié)點(diǎn)

A）能可靠傳遞內(nèi)力；

B）具有連續(xù)的剛度；

C）內(nèi)力重分布能力（塑性鉸）。7.2節(jié)點(diǎn)分類1）剛接節(jié)點(diǎn)7.2節(jié)點(diǎn)分類2）鉸接節(jié)點(diǎn)

A）對變形不敏感；

B）桿端可轉(zhuǎn)動；7.2節(jié)點(diǎn)分類2）鉸接節(jié)點(diǎn)7.2節(jié)點(diǎn)分類【