轻钢结构设计

第一章绪论1．1钢结构的应用范围随着我国经济、技术的迅速发展和进步，钢结构已逐步成为各类工程结构中被广泛应用的建筑结构，如工业建筑、文化体育建筑、城市现代化建筑及城乡住宅建设等。从钢材的力学特性和环境保护方面来看，钢材是目前最理想的建筑材料；从经济性方面考虑，虽然我国的钢产量在逐年提高，钢材市场的供应有所改善，但由于国民经济各部门都需要用钢材，因此，钢材在我国仍是一种比较贵重的建筑材料，必须合理应用。在房屋建筑中，以下情况宜采用钢结构。1．工业厂房钢结构包括各类工业厂房，特别是重型厂房。重型厂房是指设有起重量很大(100t以上)或运行非常频繁(重级工作制)的吊车的厂房，以及直接承受很大振动荷载或受振动荷载影响很大的厂房。例如，冶炼厂的平炉车间、热轧车间、混铁炉车间；重型机械厂的铸钢车间、锻压车间、水压机车间；造船厂的船体车间；飞机制造厂的装配车间等。2．大跨度房屋钢结构随着结构跨度增大，结构自重对结构设计的影响迅速增加。由于钢结构具有强度高、自重轻的优点，用于大跨度结构时具有明显的经济效果。属于大跨度结构的有体育馆、展览馆、影剧院、大型交易市场、飞机库、火车站等。其结构体系主要有网架结构、悬索结构、拱式结构、预应力钢结构等。3．高层及多层建筑钢结构由于结构自重轻、构件体积小、装配化程度高，对高层建筑特别有利。因此，在高层建筑，特别是超高层建筑中，宜采用钢结构或钢结构框架与钢筋混凝土筒体相结合的组合结构。近年来，在12—16层的小高层和6～8层的多层建筑中也采用钢结构，钢结构还可用于多层工业厂房，如炼油工业中采用的多层多跨钢框架等。4．轻型钢结构轻型钢结构是由弯曲薄壁型钢、薄壁钢管或小角钢、圆钢等组成的结构。屋面和墙体常用压型钢板等轻质材料。由于轻型钢结构具有建造速度快，用钢量省、综合经济效益好等优点，适用于吊车吨位不大于20t的中、小跨度厂房、仓库及中、小型体育馆等太空间民用建筑。此外，由于轻型钢结构装拆方便，宜用于需要拆迁的临时结构。5.塔椽结构塔桅结构包括电视塔、微波塔、无线电桅杆、高压输电塔、石油钻井塔、化工排气塔、导航塔及火箭发射塔(见图1．1)等，一般均宜采用钢结构。6．板壳结构板壳结构包括大型储气柜、储液库等要求密闭的容器及大直径高压输油管、输气管等。另外，还有高炉的炉壳、轮船的船体等均应采用钢结构。7．桥梁结构钢结构一般用于跨度大于40m的各种形式的大、中跨度桥梁。8．移动式结构移动式结构包括桥式起重机、塔式起重机、龙门式起重机、缆式起重机、装卸桥等起重运输机械及水工闸门、升船机等金属结构。第二章单层厂房结构与普通钢屋盖2．1单层厂房钢结构的组成钢结构单层工业厂房是工业与民用建筑中应用钢结构较多的建筑物。厂房结构是由屋盖(屋面板、檩条、天窗、屋架或梁、托架)、柱、吊车梁(包括制动梁或制动桁架)、墙架、各种支撑和基础等构件组合而成的空间刚性骨架(见图2．1)，承受作用在厂房结构亡的各种荷载和作用，是整个建筑物的承重骨架。这些构件按其所起作用可组成下列体系：1．横向框架横向平面框架由柱和横梁组成，横向平面框架基本上承受厂房结构的全部竖向荷载和横向水平荷载，包括全部建筑物重量(屋盖、墙、结构自重等)、屋面雪荷载和其他活荷载、吊车竖向荷载和横向水平制动力、横向风荷载、横向地震作用等，并将这些荷载传到基础上。横梁通常是桁架式的(即屋架)，轻屋面和跨度较小时也町采用实腹式的。2.屋盖结构屋盖结构由懔条、天窗架、屋架、托架和屋盖支撑所构成，承受屋面荷载。3．支撑体系支撑体系包括屋盖支撑和柱间支撑，其作用是将单独的平面框架连成空间体系，从而保证了结构的刚度和稳定，同时也承受纵向风力和吊车的纵向制动力。4．吊车梁和制动梁(制动桁架)厂房中常设置桥式吊车，其竖向和水平荷载由吊车梁承受。吊车梁两端支撑寸：柱的变截面平台或牛腿上。在吊车梁上翼缘平面内，通常沿水平方向设置制动梁或制动桁架，以便有效地将吊车的横向水平制动力传递到相邻的柱上。5．墙架墙架一般由墙架梁和墙架柱(也称抗风柱)等组成，用以承受墙重和墙面风荷载。当墙为自承重砖墙时只承受墙面风荷载，而全部墙重则传到底部搁置在相邻柱基础的钢筋混凝土基础梁上或专设的墙基础上。对纵向柱距较小的侧墙，只设墙架梁；对山墙和纵向柱距较大的侧墙则需加设墙架柱作为墙架梁的支承。墙架柱下端设基础，上端连于屋盖上弦或下弦水平支撑的节点上。厂房钢结构的钢材用量指标和各类构件所占比重大致如表2．1所示。其中厂房单位面积钢材用量指标是评定设计经济合理性的一项重要指标。为了改善厂房结构设计的技术经济指标，应该对整个厂房建筑和结构进行合理规划。规划时首先应使厂房满足工艺和使用要求，并能适应今后可能生产过程的变动和发展。规划的主要内容是确定车间的平面和高度方向的主要尺寸和控制标高，布置柱网，确定变形缝的位置和做法，并选择主要承重结构(横向平面框架、纵向平面框架、屋盖结构、吊车梁结构等)体系、布置和形式等。规划时应充分考虑设计标准化、生产工厂化、施工机械化的要求，以提高建筑工业化。第三章轻钢结构设计轻钢结构主要是指以轻型冷弯薄壁型钢，轻型焊接和高频焊接型钢，薄钢板、薄壁钢管，轻型热轧钢及其以上各种构件拼接、焊接而成的组合构件等为主要受力构件，大量采用轻质围护材料的单层和多层轻型钢结构建筑。与传统的混凝土结构和普通钢结构相比，轻型钢结构具有很多优越性。自重轻是轻型钢结构最显著的特点。其承重结构采用轻型焊接H型钢、冷弯薄壁型钢，这种型钢的截面形状可以按照实际受力情况和使用特点:轻型钢屋面系统的用钢量一般为8～15kg／m^2，单层轻钢仓库的用钢量一般为16—30kg／m^2，接近甚至低于在相同条件下钢筋混凝土结构的用钢量，工程资料表明：1．0t钢结构可减少7．0t混凝土用量，可节约大量木材、水泥及其他建筑材料。因此，轻钢结构可大幅度降低结构自重，一般轻钢结构自重约为同类普通钢结构的1/3~1/2，钢筋混凝土结构的1/30~1/10，房屋±部结构重量的减轻大大降低了基础工程的材料用量及工程量。对于地基承载力较低的地区，这个优点更加突出。轻钢结构还有加工制造简单、工业化程度高、运输及安装方便等优点，而且不消耗木材，可工厂化预制、可拼装、可拆卸，以及建筑工期短、投资回收快、有利于环境保护等综合优势。近年来，轻钢结构得到了迅速的发展。门式刚架结构是轻钢建筑应用最为广泛的一种结构形式(见图3．1)。轻型门式刚架结构体系始于美国。在日本和欧洲，轻型门式刚架结构体系的应用也较多。美国最初的轻型门式刚架结构用于建造兵营和一般的小型工业厂房。随着新型建筑材料的出现、加工设备的不断改善及设计形式的多样化，轻型门式刚架结构体系渐渐普及到大型工业厂房、商业建筑、交通设施等结构中，实现了设计分析、出图的程序化(如大型通用化设计软件包LosekeBuildingSoftware)；构件加工、安装施工、经营管理一体化流程。其中美国的Butler公司(ButlerManufacturingCompany)和ABC公司(AmericanBuildingCompany)在这方面工作最为突出。他们具有经营、科研、设计、加工、运输、售前售后服务等整体运作系统。—项10000m^2建筑面积的单层工业厂房，从设计到钢结构制作、屋面墙面金属板压型，全部完成的周期为两个月。Butler公司以门式刚架结构作为结构体系的基本单元，进行组合和延伸，发展了大跨度系统、Landmark系统、三角托梁系统、多层建筑系统、特殊型建筑系统等结构体系。ABC公司除了轻钢产品外，还生产各种隐藏式金属压型板，用于墙面和屋面。由于厂房结构定型化，规范化，可以采用计算机对整个厂房的各种构件进行优化设计。美国轻型门式刚架结构体系主要用在商业(如仓库、小卖店、事务所、银行、车库)、制造业(如制造上场、仓库)和文化娱乐业(如学校、教堂、娱乐、福利设施)等。在口本，轻型门式刚架结构体系有两种类型：第一种类型是闩本自身发展起来的，已实现了构件标准化、定型化、装配化，经营管理、设计、生产、施工、售后服务系统化；第二种类型是1989年以来，由美国引进的轻钢结构体系的基础上发展起来的。日本工程界目前正就550MPa级钢材大断面Z型冷弯薄壁型钢檩条及墙梁、高强度螺栓在椭圆孔处的受力状态等几个方面进行研究。我国轻型门式刚架结构体系起步较晚，是在引进国外的相关材料和软件的基础上发展起来的。近年来，随着压型钢板、冷弯薄壁型钢、H型钢的大批量生产得以实现，轻型门式刚架结构体系得到了较为广泛的推广，主要应用于工业厂房(可布置悬挂吊车、中轻级工作制桥式吊车、重级工作制吊车的起重量分别不超过5t、10t和20t)、机库、候车室、码头建筑、超市、仓库、农贸市场、饮食娱乐用房、体育设施以及各种临时性建筑。工程应用的发展推动了该种体系在我国的设计、成型一体化进程。许多大型钢结构公司都增加了轻型门式刚架结构体系的生产线。程序化设计已经取代手工设计，采用国外设计软件逐渐采用我国自行编制的设计软件所替代。为了适应轻型门式刚架结构体系迅速兴起的市场需求，我国工程建设标准化协会发布了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》)(CECS102：2002)，该规程为我国轻型门式刚架结构体系的实际、生产、施工提供了依据。3．1轻钢结构常用建筑材料1，彩色涂层钢板彩色涂层钢板是指由保护性和装饰性的有机涂料或薄膜连续涂覆于钢或铝带表面制成的预涂层冶金产品。它主要是由金属基板、化学转化膜和有机涂层三部分组成，有机涂层可配置各种色彩，并可借助印花、压花技术制成多种图案花纹。可取代传统的油漆装饰。目前国际上建筑用彩板的基板种类主要有：热镀锌钢板、热镀锌合金化钢板、热镀铝第四章多、高层钢结构设计4．1多、高层钢结构的特点与结构体系4．1．1多、高层钢结构的特点现代高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的，是商业化、工业化和城市化的结果。而科学技术的进步、轻质高强材料的出现及机械化、电气化、计算机在建筑中的广泛应用等，又为高层建筑的发展提供了物质和技术条件。在发达国家，大多数高层建筑采用钢结构。在我国，随着高层建筑建造高度的增加，已开始采用高层钢结构。多、高层建筑钢结构的发展已有100多年的历史。世界上第一幢高层钢结构是美国芝加哥的家庭保险公司人楼(10层，高55m)，建于1884年。20世纪开始，钢结构高层建筑在美国大量建成，最具代表性的几幢高层钢结构如建于1931年的102层、高381m的纽约帝国大厦；建于1974年的110层、高443m的芝加哥西尔斯大厦等，均为当时世界最高。我国多、高层建筑钢结构自20肚纪80年代中期起步，随后在北京、上海、深圳、大连等地陆续建成广大量的多、高层建筑钢结构。较具代表性的几幢钢结构如28层、高94米的北京长富宫中心饭店，是钢框架结构体系；71层、高294m的深圳地王大厦，是钢筋混凝土核心筒—外钢框架结构体系；60层、高208m的北京京广中心，是钢框架—带钢边框的钢筋混凝土剪力墙结构体系；44层、高144m的上海希尔顿饭店，是钢筋混凝土核心筒—外钢框架结构体系；91层、高365m的上海金茂大厦，是钢筋混凝土核心筒—外钢骨混凝土结构体系等。1998年底，我国正式颁布了《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)，为我国高层建筑钢结构的迅速发展提供了技术保障。高层建筑采用钢结构具有良好的力学性能和综合经济效益，其特点主要表现在：1)自重轻。钢材的抗拉、抗压、抗剪强度高，因而钢结构构件结构断面小、自重轻。采用钢结构承重骨架，可比钢筋混凝上结构减轻自重约1/3以上。结构自重轻，可以减少运输和吊装费用，基础的负载也相应减少，在地质条件较差地区，可以降低基础造价。2)抗震性能好。钢材良好的弹塑性性能，可使承重骨架及节点等在地震作用下具有良好的延性。此外，钢结构白重轻也可显著减少地震作用，一般情况下，地震作用可减少40％左右。3)有效使用面积高。钢结构的结构断面小，因而结构占地面积小，同时还可适当降低建筑层高。与同类钢筋混凝上高层结构相比，可相应增加建筑使用面积约4％。4)建造速度快。钢结构的构件一般在工厂