鋼結(jié)構(gòu)概念設計課件

郭小農(nóng)同濟大學建筑工程系第01章概念設計郭小農(nóng)第01章概念設計提綱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)的設計方法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)點設計提綱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50~70年代：應用較少受鋼產(chǎn)量限制，僅用于重型廠房和大跨公建

20世紀80年代以來：飛速發(fā)展，廣泛應用

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50~70年代：應用較少1.2發(fā)展現(xiàn)狀

應用范圍擴張高層建筑體育場館機場航站樓會展中心劇院火車站飛機庫工業(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)狀應用范圍擴張結(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)狀高層建筑同濟綜合樓1.2發(fā)展現(xiàn)狀多層建筑同濟土木樓帶支撐框架；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)狀機場航站樓浦東國際機場張弦梁結(jié)構(gòu)；最大跨度83m1.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓浦東國際機場張弦梁結(jié)構(gòu)；最大跨度1.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓浦東國際機場1.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓浦東國際機場1.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓浦東國際機場張弦梁吊裝1.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓浦東國際機場張弦梁吊裝1.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓重慶江北機場桁架結(jié)構(gòu)；最大跨度90m1.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓重慶江北機場桁架結(jié)構(gòu)；最大跨度91.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓重慶江北機場1.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓重慶江北機場1.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓成都雙流機場曲線型空間鋼管桁架1.2發(fā)展現(xiàn)狀機場航站樓成都雙流機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；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)特點和適用范圍第2節(jié)2.1特點1.輕質(zhì)高強，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.單價高。2.1特點1.輕質(zhì)高強，材性均勻穩(wěn)定；

2.工業(yè)化程度2.1特點1.輕質(zhì)高強2.1特點1.輕質(zhì)高強2.1特點4.塑性變形能力好2.1特點4.塑性變形能力好2.1特點7.耐火性較差2.1特點7.耐火性較差2.1特點7.耐火性較差2.1特點7.耐火性較差2.1特點7.耐火性較差2.1特點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）強震地區(qū)（地震作用小，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?。〦）大跨、超高結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)效應函數(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；強腐蝕環(huán)境；柱截面為H型；翼緣厚度為50mm；梁柱連接節(jié)點如下圖；最低溫度零下20度；最終設計選用的鋼種：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)形式應力狀態(tài)連接方法鋼材厚度工作環(huán)境鋼材選用應考慮的因素3.1結(jié)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)的重要性鋼材選用應3.2強度選擇1）變形控制選低強度等級

如跨度大荷載輕的簡支梁；2）強度控制選高強度等級如樓面梁，有鋪板時，強度可充分發(fā)揮；3）長細比控制或應力水平較低選低強度等級如網(wǎng)架的腹桿；4）施工條件差選較低強度等級3.2強度選擇1）變形控制選低強度等級3.3沖擊韌性選擇表1-1選擇鋼材沖擊韌性指標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風荷載主體結(jié)構(gòu)圍護結(jié)構(gòu)【注意點1】陣風系數(shù)和風振系數(shù)【思考】陣風系數(shù)和風振系數(shù)有何不同？計算墻板和墻梁時，應采用陣風系數(shù)還是風振系數(shù)？4.1風荷載主體結(jié)構(gòu)【注意點1】陣風系數(shù)和風振系數(shù)【思考】4.1風荷載【注意點2】對風敏感性結(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風荷載【注意點2】對風敏感性結(jié)構(gòu)四面開敞及雙面開敞的4.1風荷載4.1風荷載4.1風荷載4.1風荷載4.1風荷載4.1風荷載4.2雪荷載【注意點】積雪的不均勻分布雙坡屋面四坡屋面4.2雪荷載【注意點】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、風速低、溫度低的區(qū)域覆冰后構(gòu)件截面增加，加大擋風面積《高聳結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GB50135-20064.3覆冰荷載出現(xiàn)在濕度大、風速低、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)與溫度應力釋放（與約束的關(guān)系）結(jié)構(gòu)合龍溫度的選擇

預應力構(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；計算發(fā)現(xiàn)，兩邊主梁應力比超限，加大截面也不能降低應力比；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；計算發(fā)現(xiàn)，底邊鋼圈梁應力比超限，加大截面也不能降低應力比；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）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)設計方法第5節(jié)5.1設計方法5.1設計方法5.2極限狀態(tài)表達式1）非抗震設計

承載能力極限狀態(tài)表達式2）抗震設計小震大震可變荷載控制永久荷載控制5.2極限狀態(tài)表達式1）非抗震設計承載能力極限狀態(tài)表達5.2極限狀態(tài)表達式1）非抗震設計

正常使用極限狀態(tài)表達式2）抗震設計小震標準組合準永久組合5.2極限狀態(tài)表達式1）非抗震設計正常使用極限狀態(tài)表達【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)表達式1）非抗震設計1.2*恒+1.4*活+1.4*0.6*風1.2*恒+1.4*0.7*活+1.4*風1.35*恒+1.4*0.7*活+1.4*0.6*風2）抗震設計：小震1.2*重力荷載代表值+1.4*0.2*風+1.3*水平地震3）抗震設計：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)化設計方向（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)

使單個構(gòu)件全截面應力趨于均勻，提高強度利用率。6.2優(yōu)化設計方向（1）框架結(jié)構(gòu)6.2優(yōu)化設計方向【例09】討論下列各種結(jié)構(gòu)體系的受力性能。6.2優(yōu)化設計方向【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)點設計第7節(jié)7.1單元的劃分與結(jié)合1）計算單元劃分要考慮計算精度要求；2）制作單元劃分要考慮便于制作分工；3）運輸單元劃分要考慮提高運輸效率；4）安裝單元劃分要考慮安裝順序、安裝設備的能力和安裝效率；5）所有單元都要用節(jié)點連接；7.1單元的劃分與結(jié)合1）計算單元劃分要考慮計算精度要求；7.1單元的劃分與結(jié)合【例10】框架柱的現(xiàn)場拼接點方案A方案B拼接節(jié)點思考：哪種分段點方案更合理？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某輕7.2節(jié)點分類1）剛接節(jié)點

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)點分類1）剛接節(jié)點7.2節(jié)點分類2）鉸接節(jié)點

A）對變形不敏感；

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