建筑结构 第6章 钢结构

11第六章钢结构一、钢结构的材料和选用原则一、钢结构的材料和选用原则二、钢结构基本构件计算二、钢结构基本构件计算三、钢屋架设计要求三、钢屋架设计要求23456钢结构的特点钢结构是由钢板、热轧型钢和冷加工成型的薄壁型钢制造而成。与其他材料的结构相比具有以下优点：（1）材料强度高，钢材质量轻。（2）韧性、塑性好。（3）材质均匀。（4）制造简单，施工周期短。（5）密封性好。27钢结构的缺点有：（1）耐热但不耐火150摄氏度时强度无变化，600摄氏度时强度约为0。（2）钢材耐腐蚀性能差，维护费用高。8钢结构的应用（1）大跨度钢结构•钢屋架•网架、网壳结构•悬索结构•拱架结构•桥梁结构9国家体育场国家体育场建筑体形上像鸟巢。可容纳8万人。平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。屋盖中间有一个146m×76m的开口，这部分将设计成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截面，总用钢量达16万t。10天津奥林匹克体育场俯瞰效果图“绿色奥运”、“科技奥运”、“人文奥运”建筑底面面积为80,000m2，屋顶面积76,719m2，地上层数6层，最高点高度53.00m，可容纳观众数60,000。屋顶结构采用钢桁架悬挑结构。屋面桁架落地，形似露珠。11国家大剧院位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元，目前已进行过网壳部分设计与施工验收审查会议。该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。12（2）重型厂房结构西安变压器厂（400t吊车）313（3）高层建筑80年代我国建造的11栋高层钢结构基本上都是国外设计、施工承建。目前我国已建和在建的高度超过100m的钢结构有48栋。14上海环球金融中心由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、保险公司、商社等36家企业，偕同政府系统机构日本海外经济协力基金(OECF)联合投资的上海环球金融中心，总投资逾750亿日元。位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积335,420平方米，地下3层，地上94层。建成后的高度达460米。总用钢量26000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱，目前正在施工阶段。15上海金茂大厦金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦，建筑高度420.5米，建筑面积28.9万平方米，于1998年8月28日竣工。总用钢量14000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。设计者为美国S.O.M事务所。16央视新台址央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段，占地面积18.7万平方米，总建筑面积55万平方米,230m。央视新台址建设工程总投资约50亿元人民币，2003年10月开工建设，2008年正式运行。17大连远洋大厦大连远洋大厦由大连远洋运输公司、中远房地产开发公司与美国ESPIRIT公司联合投资14.8亿人民币开发的集五星级酒店和甲级写字楼为一体的智能大厦。总建筑面积14.8万平方米。其中：A座为五星级酒店，地上51层，总高200.8m。钢筋混凝土核心筒，外框钢框架。设计、加工、安装全部国产化。18台北101长宽各150m，总面积30277m2，塔高508m，世界第一高，26层以上以8层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。巨柱自地下5层至地上90层，最大尺寸为2.4mx3m。419（4）高耸建筑电视塔、微波塔、通讯塔等东方明珠电视塔东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其468米的高度成为亚洲第一高塔。她于1991年3月开始建造，1994年11月完工，总重量达12万吨，总投资8.3亿元人民币。东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。20（5）轻型钢结构2122（6）容器和其他构筑物陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐大连西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62钢球罐23§§6.16.1钢结构材料和选用原则钢结构材料和选用原则一、钢结构材料（一）钢材¾按冶炼方法分类1.平炉钢：生产周期长，成本高，质量好2.转炉钢：氧气转炉钢：生产周期短，成本低，质量与平炉钢接近空气转炉钢：质量较差，只能用于次要构件¾按脱氧程度分类1.沸腾钢F：脱氧剂为锰铁；脱氧不完全，质量较差，成本低2.半镇静钢b：介于两者之间3.镇静钢Z：脱氧剂为锰铁加硅铝；脱氧较完全，质量好，成本高4.特殊镇静钢TZ1、材料的分类24¾按化学成分分类1）碳素结构钢：标号：Q235、Q345、Q390、Q420Q235-AF，表示屈服强度为235N/mm2A级沸腾钢2）低合金钢：低合金钢是在冶炼过程中添加一种或几种少量合金元素，其总量低于5％的钢材。其牌号与碳素结构钢牌号的表示方法相同。2、钢材机械性能¾以强度（屈服点、抗拉强度）、塑性（伸长率）、冷弯性能、冲击韧性衡量。3、选用¾承重结构的钢材，宜选用Q235、Q345等¾不宜使用Q235-AF的结构：焊接结构中重级工作制结构，冬季温度低于-20℃的轻、中级工作制结构；非焊接结构中冬季温度低于-20℃的重级工作制结构52526（二）连接材料连接方法：1、焊接连接－对接焊缝，角焊缝；焊接方法－电弧焊（手工，自动埋弧以及气体保护焊）、电阻焊和气焊。特点－省材、方便、适用强；热影响区变脆，残余应力与变形，质量变动大。焊条选用－E43、E50、E552、螺栓连接－普通螺栓，高强螺栓；3、铆钉连接－已基本被高强螺栓代替。27常用钢材的规格钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板、型钢，以及冷弯成型的薄壁型钢等。1、热轧钢板•薄钢板（厚度0.35~4mm）•厚钢板（厚度4.5~60mm）•特厚板（板厚＞60mm）•扁钢(厚度4~60mm，宽度为12~200mm)钢板用“－宽×厚×长”或“－宽×厚”或“－厚”表示，单位为mm如－450×8×3100，－450×8，－8。282.热轧型钢常用的有角钢、工字钢、槽钢等。29目前我国生产的角钢昀大边长为200mm，角钢的供应长度一般为4~19m。角钢‹等边角钢，符号“L”后加“边长×厚度”，如“L125×8”‹不等边角钢，符号“L”后加“长边宽×短边宽×厚度”，如“L125×80×8”30工字钢符号“I”后加截面高度的厘米数来表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或a、b、c等类别。如“I20a”631槽钢型号与工字钢相似。如“[20b”目前国内生产的昀大型号为［40c。供货长度为5~19m。32H型钢基本类型可分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）及窄翼缘（HN）三类。H型钢的型号为代号后加“高度H×宽度B”如HW400×400，HM500×300，HN700×300目前国内生产的昀大型号H型钢为HN900×300×18×34。供货长度可与生产厂家协商，长度大于24m的H型钢不成捆交货。33钢管无缝钢管和焊接钢管；型号可用代号“Φ”后加“外径d×壁厚t”表示，如Φ180×8等。国产热轧无缝钢管的昀大外径可达630mm。供货长度为3~12m。焊接钢管的外径可以做的更大，一般由施工单位卷制。343.冷弯薄壁型钢采用1.5~6mm厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材和采用0.4~1.6mm的薄钢板经辊压成型的压型钢板，其截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度、节约钢材，但对锈蚀十分敏感，在国内外轻钢建筑结构中被广泛地应用。35§§6.26.2钢结构基本构件计算钢结构基本构件计算一、轴心受力构件¾包括轴心受拉构件和轴心受压构件。轴心受力构件广泛应用于各种钢结构之中，如网架与桁架的杆件、钢塔的主体结构构件、双跨轻钢厂房的铰接中柱、带支撑体系的钢平台柱等等。36热轧型钢截面实腹式组合截面格构式组合截面轴心受力构件截面形式737A.强度fANn≤=σ。对单角钢构件，折减值。钢材抗拉抗压强度设计净截面尺寸%15−−fAnB.刚度（长细比）[][]AIiAIiililyyxxyyyxxx==≤=≤=,,,00λλλλ方向计算长度和构件yxlloyox−,38C.整体稳定性轴心受压构件整体失稳的破坏形式与截面形式有密切关系。双轴对称截面如工形截面、H形截面在失稳时只出现弯曲变形，为弯曲失稳。单轴对称截面如不对称工形截面、[形截面、T形截面等，在绕非对称轴失稳时也是弯曲失稳；而绕对称轴失稳时，不仅出现弯曲变形还有扭转变形，为弯扭失稳。39无对称轴的截面如不等肢L形截面，在失稳时均为弯扭失稳。对于十字形截面和Z形截面，除会出现弯曲失稳外，还可能出现只有扭转变形的扭转失稳。fAN≤ϕ系数轴心受压构件整体稳定−ϕ40D.局部稳定性热轧型钢如工字钢、槽钢、角钢等截面中的板厚一般都比较大，局部稳定问题不严重。但焊接截面则不同，板件的宽厚比可以很大，这时必须考虑局部稳定问题。41轴心受压实腹构件宽厚比限值宽厚比限值截面及板件尺寸注：表中的小于30时取30，大于100时取100。42二、受弯构件按弯曲变形状况分：单向弯曲构件—构件在一个主轴平面内受弯双向弯曲构件—构件在二个主轴平面内受弯按支承条件分：简支梁连续梁悬臂梁按截面构成方式分：实腹式截面梁型钢梁—通常采用工字钢或H型钢，槽钢和冷弯薄壁型钢等。焊接组合截面梁—由若干钢板或钢板与型钢连接而成。空腹式截面梁—可以减轻构件自重，也方便了建筑物中管道的穿行。组合梁—用钢筋砼和轧制型钢或焊接型钢构成。843受弯构件截面形式型钢梁组合梁蜂窝梁钢与混凝土组合梁冷弯薄壁型钢梁44A.抗弯强度fWMnxxx≤=γσB.抗剪强度VWfItVS≤=τD.整体稳定性fWMxx≤ϕC.刚度][vv≤maxσFmaxτ梁从平面弯曲状态转变为弯扭状态的现象称为整体失稳。45E.局部稳定性¾为提高腹板的局部稳定性，可按规定设置加劲肋，包括横向加劲肋和纵向加劲肋。¾为保证翼缘的局部稳定性，通过限制翼缘宽厚比。46三、拉弯、压弯构件¾包括强度、刚度、稳定性验算构件受到沿杆轴方向的拉力（或压力）和绕截面形心主轴的弯矩作用，称为拉弯（或压弯）构件。如果只有绕截面一个形心主轴的弯矩，称为单向拉弯（或压弯）构件；绕两个形心主轴均有弯矩，称为双向拉弯（或压弯）构件。弯矩由偏心轴力引起的压弯构件也称作偏压构件。47强度破坏——指截面的一部分或全部应力都达到甚至超过钢材屈服点的状况；整体失稳破坏单向压弯构件弯矩作用平面内失稳—在弯矩作用平面内只产生弯曲变形，不存在分枝现象，属于极值失稳；单向压弯构件弯矩作用平面外失稳—在弯矩作用平面外发生侧移和扭转，又称弯扭失稳。局部失稳破坏—发生在压弯构件的腹板和受压翼缘，其产生原因与受弯构件局部失稳相同。48949四、连接计算四、连接计算（一）焊接连接¾包括气焊、接触焊和电弧焊1、焊缝的形式与构造1.对接焊缝2.角焊缝¾杆件与节点板连接方式有两面侧焊、三面围焊、L型围焊502、焊缝的计算A.对接焊缝计算wcwtworfftlN≤=σNNmmlw10焊缝长度减去焊缝长度，无引弧板为−1）N作用2）M、V共同作用maxσmaxτWVWWWtwftIVSfWM≤=≤=τσWtf1.1322≤+τσ即，算腹板和翼缘交接处验算前两项外，还要验对工字形截面焊缝，除VVMMmaxσ1σmaxτ1τVVMM151B.角焊缝计算22.17.0==−≤=ffeewffwefhhhflhNββσ焊缝有效计算高度，1.正面角焊缝：外力方向与焊缝长度方向垂直的焊缝2.侧面角焊缝：外力方向与焊缝长度方向平行的焊缝wfwefflhN≤=τC.角钢连接52（二）螺栓连接（普通螺栓连接）螺栓种类：C级粗制螺栓和A、B级精制螺栓排列方式：并列排列、错列排列螺栓的排列方式5