同濟(jì)大學(xué)課件-鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原

同濟(jì)大學(xué)課件-鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理探討如何設(shè)計(jì)高性能、安全可靠的鋼結(jié)構(gòu)建筑。從材料性能、構(gòu)件設(shè)計(jì)、連接細(xì)節(jié)等多個(gè)層面全面掌握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心原理。鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件形式鋼梁鋼梁是鋼結(jié)構(gòu)中最基本的構(gòu)件之一,主要承擔(dān)彎曲荷載,廣泛應(yīng)用于樓板、屋架等結(jié)構(gòu)中。鋼柱鋼柱是承擔(dān)主要豎向荷載的關(guān)鍵構(gòu)件,需要考慮其抗壓穩(wěn)定性,應(yīng)用于建筑物的主體結(jié)構(gòu)。鋼桁架鋼桁架由多根鋼桿組成的三角形單元構(gòu)成,可用于跨度較大的樓蓋、屋架等構(gòu)件。連接節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)通過焊接、螺栓等方式將各構(gòu)件連接起來,構(gòu)成整體的受力系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)是承載能力關(guān)鍵。鋼結(jié)構(gòu)的受力和變形特征鋼結(jié)構(gòu)在承受各種外力作用時(shí)會產(chǎn)生應(yīng)力和變形。主要包括拉力、壓力、彎曲力和剪力等。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮各種荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)的受力及變形特點(diǎn),確保其安全可靠性。變形主要包括軸向變形、彎曲變形和撓度變形等。需要對各種荷載下鋼結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行綜合分析,確保不超出使用限度。鋼結(jié)構(gòu)的材料性能鋼材作為鋼結(jié)構(gòu)的基本材料,其性能直接影響著整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命。主要包括化學(xué)成分、機(jī)械性能、焊接性等方面。不同種類和等級的鋼材具有不同的性能特點(diǎn),設(shè)計(jì)師需要充分了解并合理選用。200強(qiáng)度鋼材的抗拉強(qiáng)度一般為200MPa以上,滿足結(jié)構(gòu)受力需求。16延伸率常見碳素結(jié)構(gòu)鋼材的延伸率一般超過16%,確保良好的塑性。7沖擊功優(yōu)質(zhì)鋼材在正常使用溫度下的沖擊功可達(dá)到7J·cm-2以上。鋼材的化學(xué)成分和機(jī)械性能1化學(xué)成分鋼材主要由碳、鐵和其他合金元素組成,包括錳、硅、鉻、鎳等。這些成分比例的不同決定了鋼材的不同性能。2抗拉強(qiáng)度鋼材的抗拉強(qiáng)度決定了其承受外力拉伸的能力,高強(qiáng)度鋼具有更高的承載能力。3屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度是鋼材在受力時(shí)從彈性變形轉(zhuǎn)入塑性變形的極限,決定了鋼材的承載和變形能力。4延伸率延伸率反映了鋼材在破壞前能夠發(fā)生的塑性變形量,與材料的韌性和使用性能有關(guān)。鋼材的屈服和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)說明屈服強(qiáng)度鋼材在達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。決定鋼材構(gòu)件的承載能力?？估瓘?qiáng)度鋼材在拉伸破壞前所能承受的最大應(yīng)力。反映了鋼材的最大承載能力。不同種類的鋼材在制造過程中會有不同的化學(xué)成分和熱處理工藝,從而影響其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。工程師需要根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際使用情況,選擇合適的鋼材以確保結(jié)構(gòu)的安全性。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受壓穩(wěn)定性1幾何尺寸細(xì)長度和截面形狀影響受壓穩(wěn)定性2材料性能鋼材強(qiáng)度等級決定承載能力3支撐條件端部約束和中間支撐點(diǎn)數(shù)量關(guān)鍵鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在受壓作用下容易發(fā)生屈曲失穩(wěn),這需要特別關(guān)注構(gòu)件的幾何尺寸、材料性能和支撐條件等因素。設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)不同因素采取措施,如合理選用截面、提高材料強(qiáng)度或增設(shè)中間支撐點(diǎn)等,以確保構(gòu)件具有足夠的抗壓穩(wěn)定性。柱的計(jì)算長度系數(shù)確定鋼柱的有效長度系數(shù)k是反映柱的約束條件的參數(shù),直接影響鋼柱的穩(wěn)定承載能力。k值的確定需要考慮柱端的支座條件、桿與桿之間的連接方式、柱所在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等因素。合理確定k值,有利于提高鋼柱設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,確保結(jié)構(gòu)安全可靠。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算確定彎矩根據(jù)構(gòu)件的受力情況,確定最大彎矩。確定截面參數(shù)根據(jù)構(gòu)件的截面尺寸,計(jì)算截面模量等參數(shù)。計(jì)算抗彎強(qiáng)度按照規(guī)范要求,計(jì)算構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度。強(qiáng)度驗(yàn)算將最大彎矩與抗彎強(qiáng)度進(jìn)行比較,驗(yàn)算構(gòu)件是否滿足要求。鋼材的彎曲性能延性鋼材在彎曲過程中能夠發(fā)生較大的塑性變形而不破壞,即具有良好的延性。這有利于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在彎曲作用下發(fā)揮撓曲承載能力。韌性鋼材具有一定的抗沖擊能力,即韌性。這有利于提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種荷載作用下的破壞抗力。彎曲強(qiáng)度鋼材不同部位在彎曲過程中的塑性變形不同,產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布。這有利于提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎曲承載能力。鋼材的抗剪強(qiáng)度鋼材的抗剪強(qiáng)度與硬度和強(qiáng)度等性能直接相關(guān)。不同鋼材種類的抗剪強(qiáng)度有較大差異,需要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求選用適當(dāng)?shù)匿摬?。奧氏體不銹鋼的抗剪強(qiáng)度最高。焊接對鋼材力學(xué)性能的影響強(qiáng)度降低焊接工藝會造成鋼材局部過熱,導(dǎo)致焊接區(qū)域的強(qiáng)度和韌性降低。這需要通過控制焊接參數(shù)來最大程度地減小影響。殘余應(yīng)力焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力會導(dǎo)致焊接區(qū)域產(chǎn)生不可逆的殘余應(yīng)力,這可能會影響構(gòu)件的抗拉、抗彎和抗屈曲性能。焊縫缺陷焊接質(zhì)量不佳會產(chǎn)生各種焊縫缺陷,如氣孔、裂紋等,這些缺陷會成為應(yīng)力集中點(diǎn),降低構(gòu)件的強(qiáng)度和抗疲勞性。熱影響區(qū)特性焊接工藝會使熱影響區(qū)的金屬組織和性能發(fā)生改變,需要采取適當(dāng)?shù)暮附庸に噥砜刂茻嵊绊憛^(qū)的特性。焊接接頭的承載能力60%抗拉強(qiáng)度50%抗剪強(qiáng)度80%抗彎強(qiáng)度焊接接頭的承載能力通常低于母材,主要受焊縫尺寸、焊接質(zhì)量、焊接工藝等因素影響。合理的焊接設(shè)計(jì)可以提高接頭的承載能力,達(dá)到接近母材的水平。需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析和承載能力計(jì)算,以確保焊接接頭的安全性。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗剪驗(yàn)算1計(jì)算剪力首先根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況計(jì)算鋼構(gòu)件的剪力,并確定剪力的最大值。2確定截面尺寸根據(jù)構(gòu)件的材料強(qiáng)度特性和截面形式,選擇合適的截面尺寸。3計(jì)算抗剪強(qiáng)度采用相應(yīng)的公式計(jì)算構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度,驗(yàn)算其是否滿足要求。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉驗(yàn)算1抗拉極限判斷構(gòu)件是否承受拉應(yīng)力超過抗拉極限2凈截面積計(jì)算構(gòu)件的有效受力面積3允許應(yīng)力根據(jù)材料特性確定構(gòu)件的允許拉應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗拉驗(yàn)算需要考慮構(gòu)件的抗拉極限、凈截面積和允許應(yīng)力三個(gè)關(guān)鍵因素。首先判斷構(gòu)件是否承受的拉應(yīng)力超過了材料的抗拉極限。然后計(jì)算構(gòu)件的有效受力面積,即凈截面積。最后根據(jù)材料特性確定構(gòu)件的允許拉應(yīng)力,并與實(shí)際應(yīng)力進(jìn)行對比驗(yàn)算。高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)材料選擇高強(qiáng)度螺栓一般采用高強(qiáng)度鋼材,具有高強(qiáng)度、高抗拉性能。根據(jù)不同的使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)要求,選擇合適的螺栓材料和等級非常重要。預(yù)緊力設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力是確保連接可靠性的關(guān)鍵。需要考慮總受力情況、滑移臨界力等因素,計(jì)算出最適合的預(yù)緊力值?？锥闯叽缏菟讖揭源笥诼菟ㄖ睆?以確保操作安裝的便利性?？讖降倪x擇應(yīng)符合規(guī)范要求,并與螺栓直徑相匹配。連接件設(shè)計(jì)連接件如法蘭、支撐板等的厚度、強(qiáng)度等參數(shù)需要與螺栓承載能力相匹配,確保整個(gè)連接系統(tǒng)的安全性。高強(qiáng)度螺栓連接承載能力500MPa承載強(qiáng)度高強(qiáng)度螺栓的屈服強(qiáng)度可達(dá)500MPa20T抗剪力單個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力可達(dá)20噸0.3M粗鋼板連接高強(qiáng)度螺栓可連接厚度達(dá)0.3米的鋼板鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)性能連接節(jié)點(diǎn)是承擔(dān)結(jié)構(gòu)載荷的關(guān)鍵部位,需要保證節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度,確保整體結(jié)構(gòu)的安全性。應(yīng)力分析針對不同類型的節(jié)點(diǎn),需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析,計(jì)算節(jié)點(diǎn)受力情況,確定合理的連接方式。連接構(gòu)造連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)要考慮施工便利性、力學(xué)性能、美觀協(xié)調(diào)等因素,確保節(jié)點(diǎn)受力可靠、施工順利。焊接接頭的應(yīng)力分布焊接接頭在受力時(shí)會產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布。高應(yīng)力集中通常出現(xiàn)在接頭的應(yīng)力集中區(qū)域,如焊縫轉(zhuǎn)角、焊縫交匯處等。合理的焊接設(shè)計(jì)和焊接工藝控制對降低應(yīng)力集中至關(guān)重要。焊接接頭的應(yīng)力分布分析是設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能評估的關(guān)鍵,需要結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證等手段進(jìn)行綜合研究。焊接接頭的承載能力計(jì)算焊接接頭在承受各種荷載時(shí)的承載能力是決定鋼結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素之一。接頭承載能力的計(jì)算需要考慮焊縫的尺寸、焊接工藝以及材料性能等多方面因素。通過應(yīng)力分析和強(qiáng)度驗(yàn)算等步驟，可以確定不同類型焊縫接頭的極限承載能力。主要計(jì)算參數(shù)焊縫長度、腿長、焊縫厚度、焊接質(zhì)量、材料強(qiáng)度等計(jì)算方法應(yīng)力分析法，根據(jù)荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)確定承載能力承載能力評判計(jì)算應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力或屈服強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)連接件的構(gòu)造與設(shè)計(jì)1連接構(gòu)造的重要性鋼結(jié)構(gòu)連接件是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中關(guān)鍵的承載部分，其構(gòu)造設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。2常見連接方式鋼結(jié)構(gòu)連接件通常采用焊接、高強(qiáng)度螺栓連接或組合連接等方式，每種方式都有其特點(diǎn)和適用范圍。3設(shè)計(jì)考慮因素在設(shè)計(jì)連接構(gòu)造時(shí)需考慮受力狀態(tài)、應(yīng)力分布、變形協(xié)調(diào)、焊接工藝等諸多因素，確保連接件能可靠傳遞荷載。4優(yōu)化設(shè)計(jì)方法采用有限元分析等先進(jìn)技術(shù)手段，對連接構(gòu)造進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，既可提高連接承載能力又能減少材料用量。剛性和鉸接構(gòu)件的設(shè)計(jì)剛性構(gòu)件剛性構(gòu)件是指具有較高抗變形能力的構(gòu)件,能夠有效傳遞力與力矩,通常用于承載重荷的結(jié)構(gòu)中。這種構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)會采用焊接或高強(qiáng)度螺栓連接,使整體具有較強(qiáng)的抗變形性能。鉸接構(gòu)件鉸接構(gòu)件則是利用鉸接連接的方式,使受力分擔(dān)更加合理,同時(shí)減少了整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。這類構(gòu)件適用于受力較小且需要一定變形量的部位,常見于次要構(gòu)件或連接節(jié)點(diǎn)?？蚣軜?gòu)造的設(shè)計(jì)原則1剛性連接梁柱采用剛性連接,以確保整體受力性能。2荷載傳遞梁柱承擔(dān)并傳遞各類荷載至基礎(chǔ)。3穩(wěn)定性合理布置支撐,保證結(jié)構(gòu)整體的剛度和穩(wěn)定性。鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循剛性連接、合理荷載傳遞和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基本原則。通過合理配置梁柱構(gòu)件,確保整體受力性能,并確保結(jié)構(gòu)在各種作用下的穩(wěn)定性。鋼桁架的設(shè)計(jì)方法1計(jì)算荷載準(zhǔn)確估算桁架受力情況2內(nèi)力分析采用弦桿理論計(jì)算各構(gòu)件內(nèi)力3截面選擇根據(jù)內(nèi)力選擇合適截面尺寸4承載驗(yàn)算檢查各構(gòu)件的承載能力鋼桁架的設(shè)計(jì)首先需要準(zhǔn)確估算桁架受到的各類荷載?；谙覘U理論計(jì)算各構(gòu)件的內(nèi)力,再根據(jù)內(nèi)力選擇合適的截面尺寸。最后需要對每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行承載能力的驗(yàn)算,確保結(jié)構(gòu)安全可靠。整個(gè)設(shè)計(jì)過程需要反復(fù)推敲優(yōu)化,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。雙層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇合適的網(wǎng)格單元根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和受力情況,選擇三角形、四邊形或其他形狀的網(wǎng)格單元。確定幾何尺寸根據(jù)跨度和高度要求,確定網(wǎng)格的長度、寬度和高度?？紤]構(gòu)件截面尺寸。分析荷載作用計(jì)算垂直荷載、水平荷載以及其他特殊荷載,并合理組合作用。進(jìn)行受力分析運(yùn)用有限元或其他方法分析各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力,為后續(xù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。優(yōu)化構(gòu)件設(shè)計(jì)根據(jù)內(nèi)力分析結(jié)果,選擇合適的構(gòu)件截面,并進(jìn)行抗壓、抗拉、抗彎等驗(yàn)算。鋼梁的設(shè)計(jì)與構(gòu)造截面選擇根據(jù)梁的受力和受彎情況選擇合適的截面形式，常用H型鋼、工字鋼等。連接構(gòu)造梁的端部連接采用焊接或高強(qiáng)度螺栓，確保節(jié)點(diǎn)傳力可靠穩(wěn)固。加勁筋設(shè)置在高應(yīng)力區(qū)增設(shè)加勁筋可提高梁的局部穩(wěn)定性和承載能力?？癸L(fēng)墻的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載計(jì)算根據(jù)建筑物的位置、高度和周圍環(huán)境等因素,準(zhǔn)確計(jì)算出建筑物承受的風(fēng)荷載。構(gòu)造形式選擇根據(jù)風(fēng)荷載的大小選擇合適的抗風(fēng)墻構(gòu)造形式,如剛性抗風(fēng)墻或剪力墻。尺寸及配筋設(shè)計(jì)通過計(jì)算抗風(fēng)墻的受力情況,確定合理的截面尺寸和必要的鋼筋配置。連接細(xì)部設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注抗風(fēng)墻與主體結(jié)構(gòu)的連接細(xì)部,確保傳力可靠。鋼柱的設(shè)計(jì)與構(gòu)造截面形式多樣鋼柱的截面形式包括H型、方管和圓管等,可以根據(jù)荷載需求以及結(jié)構(gòu)形式選擇最佳的截面類型。連接方式靈活鋼柱可以采用焊接或高強(qiáng)螺栓連接的方式與其他構(gòu)件相連接,連接方式根據(jù)實(shí)際需求而定?？煽康闹ёO(shè)計(jì)鋼柱的底部設(shè)計(jì)需要考慮荷載傳遞、變形控制等因素,采用可靠的支座形式以確保結(jié)構(gòu)安全。樓板的設(shè)計(jì)與構(gòu)造型鋼樓板型鋼樓板采用帶肋鋼板作為主要承重構(gòu)件,可以實(shí)現(xiàn)跨度大、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)?；炷翗前寤炷翗前謇娩摻罨炷恋膬?yōu)勢,具有剛度高、耐久性強(qiáng)的特點(diǎn)。在高層建筑中廣泛應(yīng)用。鋼筋樓板鋼筋樓板根據(jù)受力情況合理配置鋼筋,能夠充分發(fā)揮鋼材的抗拉能力,適用于跨度較大的場合。組合樓板組合樓板將鋼與混凝土的優(yōu)勢結(jié)合,在構(gòu)造和受力特性方面都具有優(yōu)異表現(xiàn)?；A(chǔ)的設(shè)計(jì)1分析基礎(chǔ)荷載綜合考慮建筑物的自重、使用荷載、風(fēng)荷載和地震作用等各類荷載。2選擇基礎(chǔ)類型根據(jù)地基情況、建筑物特點(diǎn)及承載力要求等因素,合