《建筑钢结构设计》(第二版)-讲义全文新

建筑钢结构设计2010年9月同济大学土木工程学院内容重点考试课程介绍概念设计（2节）平台钢结构设计（6节）轻型门式刚架钢结构设计（8节）多层框架钢结构设计（10节）单层（重型）钢结构厂房设计（10节）结构体系设计（布置和计算）节点设计（计算及与主体结构协调）构造设计（综合满足全寿命各种要求）平时作业：2次*15%考试：70%同济大学土木工程学院第一章概念设计钢结构的适用范围钢材的选用建筑钢结构荷载与作用的特点钢结构的计算结构体系节点设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院1、钢结构的适用范围特点：轻质高强，材质均匀，工业化生产，施工工期短，韧性好，密封性好；耐腐蚀性较差，耐火性差，单价高。第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院1、钢结构的适用范围钢结构的适用性：1）结构选材目标：技术性能和经济性。（性价比）2）选用钢材的原因：A）基本原因结构自重与全部荷载与作用之比越大，采用钢结构越合理。B）强震地区（受力小，延性好）C）劳动力价格高（工业化生产，现场劳动力少）D）软土地基（基础耗资小）E）大跨、超高结构（结构效应函数值大）第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院2、钢材的选用钢材强度的选择1）变形控制选低强度等级2）强度控制选高强度等级3）长细比控制或应力水平较低选低强度等级4）施工条件差选较低强度等级第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院2、钢材的选用钢材冲击韧性指标选择：影响因素结构重要性µ1荷载状况µ2连接状况µ3使用温度µ4选择因子数值类别三类静力全螺栓、无焊接不低于0℃1二类一般动力大部分工厂焊、工地螺栓不低于-20℃2一类疲劳动力大部分现场、高空焊不低于-40℃3表1-1选择钢材冲击韧性指标的影响因素及选择因子µ=µ1×µ2×µ3×µ4选择因子之积µ23～1618～2424～5454材料等级ABCDE表1-2选择因子之积µ与材料冲击韧性指标的关系表第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院3、建筑钢结构荷载与作用的特点风荷载冰雪荷载温度作用地震作用及抗震荷载与结构的变异第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院风荷载（控制性荷载之一）风对墙体的压力、吸力结构整体侧向风力计算维护结构的阵风系数与主体结构的风振系数gZz风对屋面的作用力A）一般屋面风的体型系数；B）几何与物理形态与风压的关系；C）风压与结构自重的组合；D）风吸对结构的破坏作用。第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院冰雪荷载屋面外形设计的原则：快速排水，排向强处覆冰荷载覆冰荷载危害的产生过程第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院温度作用建筑结构的绝对温度作用（即时温度与合龙温度之最大差值）建筑结构的相对温度作用（同一结构不同温度下的温差）第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院地震作用及抗震尽可能减小配套结构的重量提高钢结构的延性变形能力利用一切附加因素提高阻尼比荷载与结构的变异在钢结构的建造及使用过程中，结构本身以及荷载的状态都在不断变化。第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院4、钢结构的计算钢结构计算的两种方法（1）极限状态设计法：强度、刚度、稳定（2）许用应力法：疲劳、对变形敏感结构的稳定结构极限状态验算第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院(1-2)－－－－－永久荷载效应控制(1-3)－－－－－标准组合(1-4)－－－－－频遇组合(1-5)－－－－－准永久组合}长期效应基本组合承载能力极限状态正常使用极限状态（罕遇地震验算）偶然组合结构效应计算0112)(,,,)nGGkQQkQiciQikRkkiSSSRf（01)(,,,)nGGkQiQikRkkiSSRf（12nGkQkciQikiSSSC112nGkfQkqiQikiSSSC2nGkqiQikiSSC短期效应(1-1)可变荷载效应控制γ=1.0图2极限状态验算公式关系图第一章概念设计建筑钢结构设计4、钢结构的计算同济大学土木工程学院结构抗力及正常使用极限：（1）钢结构以强度表现的抗力，主要有以下几种变化：A）随钢材尺寸（厚度、直径）的不同，强度变化；B）单角钢受力（存在偏心），整体稳定抗力变化；C）单角钢单肢螺栓连接时连接强度变化；D）地震作用时强度的修正。（2）广义变形限值A）预拱的选择ⅰ）楼面钢梁的预拱为恒载标准值引起的变形加1/2活载频遇值引起的变形；ⅱ）屋面钢梁的预拱为恒载标准值引起的变形；ⅲ）曲线型屋面钢梁，当结构对变形不敏感时不必预起拱，当结构对变形较为敏感时应该预起拱。ⅳ）悬臂梁应考虑排水坡度予以起拱。B）各设计工种对限定的变形值应取得协调。第一章概念设计建筑钢结构设计4、钢结构的计算同济大学土木工程学院5、结构体系结构体系与使用要求：1）住宅建筑要求相对小跨度、小分隔、小高度多层重合空间，一般用框架结构；2）办公建筑与住宅相仿，仅要求平面空间略大且灵活，框架体系也较合适；3）一般工业建筑要求相对大跨度、大高度规整空间，一般用门式刚架；4）公共建筑要求大跨度、大高度、异型空间，可用造型优美的拱、壳、索、膜或杂交结构。第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院5、结构体系主体钢结构的优化设计方向：（1）框架结构框架结构以梁受弯，柱受压弯为主，它的优化主要是选择合适的截面；（2）门式刚架结构可以根据制造分段及内力状况分段，每段均为直线变坡，优化构件的折线外形；（3）空间结构使单个构件全截面应力趋于均匀，提高强度利用率。第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院5、结构体系辅助结构与主体结构的关系：1）两者共同抵御水平荷载；2）前者可减小后者的计算长度；3）前者提高后者的整体性和刚度；4）前者维持后者在施工过程中的稳定；5）两者可相互转换；6）后者为前者提供支座。第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院6、节点设计单元的划分与结合节点的分类（1）刚接刚接节点应满足如下要求：A）能传递内力；B）具有连续的刚度；C）具有变形可容性及耗能能力。（2）半刚接半刚性节点的两面性：A）在整体计算中可按铰接计算；B）局部计算时可按实际刚度。（3）铰接A）铰接对变形不敏感；B）铰接的实现；C）固定铰与滑动铰。第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院6、节点设计焊接和螺栓连接1.焊接和螺栓连接的选择；2.焊接和螺栓连接不同等级的选择。s第一章概念设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院同济大学土木工程学院ⅰ）构成：板、次梁、主梁、柱、支撑；ⅱ）传力路线：竖向荷载板次梁主梁柱水平荷载板次梁主梁柱支撑基础ⅲ）受力特点：a)竖向荷载为主要荷载；b)板有单向和双向之分，钢板常以变形控制；c)梁分次梁、主梁，可连续或单跨；d)柱两端常用铰接，为轴压杆。1、平台钢结构的构成、传力线路和受力特点：第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计一）结构布置及结构形式：第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院2、平台构件的形式：ⅰ）板：a)花纹钢板焊接连接b)轻型预制钢铺板螺栓连接第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院2、平台构件的形式：ⅰ）板：c)压型钢板钢砼复合板抗剪销连接第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院2、平台构件的形式：ii)梁a)一般用型钢，主梁一般用“I”型钢或焊接“H”型钢。b)支座方式有连续梁叠接或简支梁平接，与柱连接时一般为铰接。iii)柱：a)实腹柱；b)格构柱第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院二）板的计算（略）．（分单向板、双向板，计算正应力和变形）三）梁的计算：1、截面选择A．梁高估算：h应满足三个条件h≈hs[经济高度：hs≈3Wx2/5或hs=7h≥hmin[由梁的刚度条件确定：hmin＝h≤hmax[由建筑高度确定]Eflno243.15]3xW-30cm]B．腹板厚度估算：tw≥[按抗剪计算，按钢板规格]vwfhVmax2.1C．翼缘尺寸确定：A1=-1/6twhw（近似公式）wxhW第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院三）梁的计算：2、强度计算：A．正应力a)单向弯曲：σ=b)双向弯曲：σ=+式中Wnx,Wny相对于Mx,My处的对x轴，y轴的净截面抗弯模量。:塑性截面发展系数。对I形截面：=1.05,=1.2。对箱形截面：＝＝1.05；其他截面查规范，有疲劳荷载者：＝＝1.0≤fvB．剪应力：nxWxxM≤fnxWxxMnyWyyM≤fxyxyxyxywItVS式中：S—计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩；V—剪力tw—腹板厚度I—毛截面惯性矩fv—抗剪强度设计值第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院三）梁的计算：2、强度计算：C．局部压应力：（有集中荷载，无加劲肋）σc=F—集中荷载（考虑动力系数）ψ—集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁ψ=1.35，其它ψ=1.0；lz=a+5hy+2hk,a=50mm,hy：梁顶至腹板计算高度之距离，hk轨道高度，对无轨梁hk=0≤D．折算应力：≤f式中σ、τx、σc腹板计算高度边缘同一点上同时产生的正应力，剪应力和局部压应力。σ和σc以拉应力为正，压应力为负。zwltF222ccf1σ=y1,式中In—梁净截面惯性矩；y1—所计算点至中和轴距离；β1—强度增大系数：当σ与σc异号时，β1=1.2，同号或σc=0时β1=1.1nIM第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院三）梁的计算：3、刚度计算：VT≤[VT]，VQ≤[VQ][VT]—全部荷载标准值产生的挠度（减去预拱值）的容许值；[VQ]—可变荷载标准值产生的挠度容许值；预拱值一般为恒载＋1/2活载下的挠度值。A．符合下列情况之一时，可不计算梁的整体稳定性。4、梁的整体稳定a)在最大刚度平面受弯时，应满足B．不符合条件A时，则：a)梁上翼缘有连接牢固的铺板，能阻止其侧移时；b)梁受压翼缘的自由长度l1与宽度b1之比不超过表2-4的规定时；c)箱形梁高h与两腹板间隔宽度b0之比h/b0≤6时，若l1/b0≤95(235/fy)；xxWMb≤f；—梁的整体稳定系数，按附录D—2定：bb)在两个主平面内受弯时，H型截面构件应满足：xxWMbnyWyyM≤f；+C.无论何种情况，均要求梁的支座处应能防止截面扭转。第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院三）梁的计算：5、梁的局部稳定：A．组合梁翼缘板的局部稳定应符合下列要求：a)工字型yf23513tb/b)箱形y0f23540tbyf23515tbB.组合梁腹板的局部稳定：a)加劲板的配置：ⅰ)当时，当时宜设构造加劲肋，时不设加劲肋；yw0f23580th/0c0c第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院a)加劲板的配置：ⅵ)纵向加劲肋布置在腹板高度处（受压区）ⅶ)横向加劲肋间距一般为4h5h00/~/00h02h50.~.ⅳ)须满足（国外限制标准为300）（抵抗弯曲引起压力）yw0f235250th/ⅴ)梁的支座处和上翼缘受较大固定集中力处，宜设支承加劲肋；ⅲ)当，应配纵向加劲肋和横肋；yw0f235160th/ⅱ)当时，应配横向加劲肋，并作抵抗剪力计算。yw0yf235160thf23580/第二章平台钢结构设计建筑钢结构设计同济大学土木工程学院ⅰ）仅用横向加劲肋（复合型受力）计算式用（2-38a）式（2-38b）表2-5cr1ccrc、（2-38c）cr（2-38d）条件（1）非条件（2）者条件（2）：80ha00c./,不小于表2-6值（以一个半波屈曲）/ccr（2-38e）；（2-38d）cr表2-5；（2-38c）2ccrc、（2-38b）表2-5cr1c（2-3