4钢结构基本构建的计算与构造要求

4.1轴心受力构件概述4.1.1、常用截面形式心受力构件的截面形式有三种：第一种是热轧型钢截面，如工字钢、H型钢、槽钢、角钢、T型钢、圆钢、圆管、方管等；第二种是冷弯薄壁型钢截面，冷弯角钢、槽钢和冷弯方管等；第三种是用型钢和钢板或钢板和钢板连接而成的组合截面，如实腹式组合截面和格构式组合截面等。受拉构件的容许长细比表4-1承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构项次构件名称有重级工作制吊车的厂房一般结构直接承受动力荷载的结构1桁架的杆件2503502502吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑200300——3其它拉杆、支撑、系杆等（张紧的圆钢除外）350400——受压构件的容许长细比表4-2项次构件名称容许长细比柱、桁架和天窗架构件1柱的缀条、吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑150支撑（吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑除外）2用以减小受压构件长细比的杆件200整体失稳三种形式弯曲屈曲扭转屈曲弯扭屈曲名称优点缺点工字钢省工、价廉ix，iy相差很大，当l0x，l0y接近时很不经济轧制H型钢省工，双向ix，iy接近，经济性好规格有限制焊接H型钢双向ix，iy接近，经济性好，截面组合灵活，便于自动焊增加加工焊接工作量月型钢加工量较少，材料单价较低用材增多，截面形式、尺寸均受限制，连接复杂圆管，矩形管，方管ix和iy相同或接近（矩形管），回转半径大，抗压稳定性好，用材省，抗扭刚度大圆管单价较高，与其它构件连接时相对较繁2、构造当实腹柱的腹板计算高度h0与tw厚度之比大于80时，应设置成对的横向加劲肋,横向加劲肋的作用是防止腹板在施工和运输过程中发生变形，并可提高柱的抗扭刚度。横向加劲肋的间距不得大于3h0，外伸宽度bs不小于h0/30+40cm，厚度tw应不小于bs/15.当实腹柱的腹板因宽厚比大于表6－5的限值而采用纵向加劲肋加强时，纵向加劲肋应成对配置，其一侧外伸宽度不应小于10tw，厚度不应小于0.75tw。除工字形截面外，其余截面的实腹柱应在受有较大水平力处、在运输单元的端部以及其它需要处设置横隔。横隔的中距不得大于柱截面较大宽度的9倍，也不得大于8m。轴心受压实腹柱的纵向焊缝（如工字形截面柱中翼缘与腹板的连接焊缝）受力很小，不必计算，可按构造要求确定焊脚尺寸。2、格构柱的形式：格构柱组成常用铰接柱脚的几种形式(a)轴承式铰接柱脚；(b)、(c)平板式铰接柱脚柱脚用锚栓固定在基础上，锚栓直径一般为20~25mm，底板上的螺栓孔直径一般为锚栓直径的1.1~1.8倍，垫板上的螺栓孔比螺栓直径大1~2mm。4.2受弯构件——钢梁4.2.1应用：房屋建筑和桥梁工程。如楼盖梁、工作平台梁、墙架梁、吊车梁、檩条及梁式桥、大跨斜拉桥、悬索桥中的桥面梁等。常用截面形式：热轧型钢梁：工字钢、槽钢、H型钢、冷弯薄壁型钢梁：C型钢、Z型钢组合梁：焊接组合梁、铆接组合梁、钢与混凝土组合梁强度：一、正应力梁在弯矩作用下，假定钢材为理想弹塑性体，截面正应力的发展过程可以分为三个阶段弹性阶段弹塑性阶段塑性阶段(若钢材有硬化阶段则梁受弯也有应变硬化阶段)规范中的实腹梁抗弯塑性强度计算公式1、在Mx作用下2、在Mx、My作用下fWMnxx塑性变形计算方法的限制条件：a.梁仅受静载和间接动载；b.能充分保证梁不发生整体失稳；c.受压翼缘不发生局部失稳。fWMWMnyynxx梁的整体稳定一、梁整体稳定的设计原理当梁上荷载不大时，仅在垂直方向有位移，当荷载加到一定值时，梁有侧向位移产生并伴随扭转，梁从平面弯曲状态转变为弯曲扭转屈曲状态的现象称为整体失稳，也称弯扭失稳。梁丧失整体稳定现象4）荷载位置荷载作用于上翼缘，梁发生扭转，作用荷载会加剧扭转发展，而作用于下翼缘时，则有减缓截面扭转作用；5）加强上翼缘刚度，对梁的整体稳定有利6）支承情况梁支承对位移的约束程度越大，则临界弯矩越大。4.2.3加劲肋梁腹板常设计得高而薄，为提高其局部屈曲荷载，常采用加劲肋予以加强，如图。4.3.1拉弯和压弯构件的应用及其破坏形式一、拉弯构件1.应用较少：如有节间荷载的钢屋架下弦杆2.破坏形式：因抗拉强度不足而破坏，即截面出现塑性铰。二、压弯构件1、应用：厂房的排架柱，多高层建筑的框架柱，有节间荷载作用的屋架上弦杆，海洋平台的立柱。2.破坏形式：1）强度破坏，即截面出现塑性铰。2）平面内弯曲失稳破坏3）平面外弯扭失稳4）局部失稳5）刚度4.3.2压弯构件的计算长度1、弦杆和单系腹杆的计算长度计算长度的概念来源于理想轴心压杆的弹性分析。它把端部有约束的压杆化作等效的两端铰接的杆。拉杆提供的约束比压杆大得多，并且拉力越大，约束作用也越大。反之，承受较大压力的杆件提供的约束几乎微不足道。第二个因素是杆件线刚度的大小，起约束作用杆件的线刚度相对比较大。最后一个因素是和所分析的杆直接刚性相连的杆件作用大，较远的杆件作用小，常常忽略不计。一、桁架中压杆的计算长度4.3.4钢屋架4.3.4.1钢屋盖结构的组成和分类组成钢屋盖结构主要由屋面、屋架和支撑三部分组成，有的还设有托架和天窗架等构件。(1)屋面,主要由各种屋面板材组成，平铺于屋架上，承受外荷载。(2)屋架，主要由各种钢构件组合连接而成。(3)支撑：根据支撑设置的部位和所起的作用不同，支撑分为上弦横向支撑、下弦水平支撑、垂直支撑和系杆四种。(4)托架和天窗架屋架的跨度和间距取决于柱网布置，而柱网布置则根据建筑物工艺要求和经济合理等各方面因素而定。天窗的形式有纵向天窗、横向天窗和井式天窗等三种，一般常采用纵向天窗。纵向天窗则需单独设置天窗架，常见的几种天窗架形式。分类根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同，钢屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种。当屋面材料采用预应力大型屋面板时，屋面荷载可通过大型屋面板直接传给屋架，这种屋盖体系称为无檩屋盖；当屋面材料采用瓦楞铁皮、石棉瓦、波形钢板和钢丝网水泥板等时，屋面荷载要通过檩条传给屋架，这种体系称为有檩屋盖。确定屋架形式的原则①屋架的外形应与屋面材料所要求的排水坡度相适应。②屋架的外形尽可能与其弯矩图相适应，使弦杆各节间的内力相差不大。③腹杆的布置要合理，腹杆的总长度要短，数量要少，并应使较长的腹杆受拉、较短的腹杆受压。④节点构造要简单合理、易于制造。⑤对于设有天窗或悬挂式起重运输设备的房屋，还要配合天窗的尺寸和悬挂吊点的位置来划分节间和布置腹杆。4.3.4.3屋架的主要尺寸(1)屋架的跨度主要是根据工艺和建筑要求来确定，普通钢屋架常见跨度为18m、21m、24m、27m、30m、36m等。钢屋架计算跨度的确定：简支于柱顶的钢屋架，其计算跨度取决于屋架支反力间的距离。如下图。(2)屋架的高度取决于经济、刚度要求和运输界限等三个方面，同时又和屋面坡度密切相关，有时还受到建筑要求的限制。构造要求从经济和刚度的要求来看，三角形屋架的跨中高度一般取l/4～l/6；梯形屋架的跨中高度一般取l/6~l/10,其中l为屋架的跨度。跨度越大，此比值越小。屋面荷载越大，则此比值越大。从运输条件来看，屋架的高度一般不应超过3.8m。梯形屋架端部高度一般不宜小于l/18，陡坡梯形屋架的端部高度一般为500～1000mm，平坡梯形屋架端部高度一般为1800～2100mm，当屋架跨度较小时，取下限值。屋架跨度越大，其端部高度的取值应越大。4.3.4.4钢屋盖的支撑系统屋盖支撑作用(1)保证屋盖结构的几何稳定性(2)保证屋盖的空间刚度和整体性(3)为受压弦杆提供侧向支承点(4)承受和传递纵向水平力(风荷载、悬挂吊车纵向制动力、地震荷载等)(5)保证结构在安装和架设过程中的稳定性屋盖支撑布置（如下图）(1)上弦横向支撑(2)下弦横向水平支撑(3)下弦纵向水平支撑(4)垂直(竖向)支撑(5)系杆屋架杆件一般都是由双角钢组成的T形截面，它的横截面的两个主轴方向分别在屋架的平面内和平面外。截面选择①为了便于订货和下料，在同一榀屋架中角钢的规格不宜过多，一般不宜超过5～6种；②为了防止杆件在运输和安装过程中产生弯曲和损坏，角钢的尺寸不宜小于45×4或56×36×4；③应选择肢宽而壁薄的角钢，增大回转半径，对受压更有利；屋架节点的构造要求①屋架各杆件的形心线与屋架的几何轴线重合，并会交于节点中心，使实际受力与计算简图相一致，减少附加偏心弯矩。②为节省节点板材料，杆件要尽量紧凑，但考虑下料和焊缝质量，上腹杆与弦杆之间以及腹杆与腹杆之间的间隙不宜小于20mm。③考虑焊缝质量，节点板一般应伸出弦杆肢背10～15mm，应尽量使焊缝中心受力(图)。④节点板的形状应该尽量简单而有规则，最好设计成矩形、梯形或平行四边形等，切忌出现凹角，防止严重的应力集中。节点：①下弦中间节点(图)②上弦中间节点，无檩(图)与有檩(图)不同，腹杆与节点板的连接与下弦中间节点相同。③拼接接点屋架的弦杆的拼接有工厂拼接和工地拼接。屋架的弦杆的拼接有工厂拼接和工地拼接。工厂拼接往往是由于角钢长度不够而设，宜设于杆力较小的节间；工地拼接多是由于运输条件或安装条件的限制而做接头，通常放在跨中节点上。弦杆一般用连接角钢拼接，先通过螺栓定位，再进行焊接。支座节点(图)屋架和柱子的连接可以做成简支或刚接。支承于钢筋混凝土柱或砖柱上的屋架，一般为简支。而支承于钢柱上的屋架通常为刚接。支座节点包括节点板、加劲肋、支座底板和锚栓。加劲肋的作用是加强支座底板刚度，以便均匀传递支座反力并增强节点板的侧向刚度。支座节点的传力路线是：屋架杆件的内力会交后通过连接焊缝传给节点板，然后经节点板和加劲肋把力传给底板，最后传给柱子。4.3.5轻型钢屋架轻型钢屋架常见的有圆钢轻型钢屋架，小角钢轻型钢屋架和薄壁型钢屋架。轻型钢屋架主要有三角形屋架、三铰拱屋架和梭形屋架等三种，其中最常用的是三角形屋架。三角形屋架和三铰拱屋架的屋面坡度较大，通常取1/2～1/3。轻型钢屋架适用于跨度≤18m，柱距4～6m，设置有起重量≤5t的中、轻级工作制桥式吊车的工业建筑和跨度≤18m的民用房屋的屋盖结构。轻型钢屋架的特点常用的三角形轻型钢屋架为芬克式(图)，其特点为长杆受拉，短杆受压，结构受力比较合理，制作亦方便，可以分为两个运输单元。三铰拱屋架由两根斜梁和一根拉杆组成，斜梁有平面桁架式和空间桁架式两种(图)，拉杆可用圆钢或角钢，这种屋架的特点是杆件受力合理，斜梁腹杆短，取材方便，经济效果好。梭形屋架有平面桁架式和空间桁架式两种，适用于跨度为9～15m，间距为3～4.2m的屋盖体系。屋架的高跨比为1/9～1/12(图)。轻型钢屋架节点构造轻型钢屋架各杆件之间可以直接连接，也可以通过节点板连接。当采用节点板连接时，节点板厚度通常为6～8m。支座节点底板厚度为12～14mm。三角形屋架的节点构造比较简单。如采用双角钢截面，则与普通钢屋架相同。如采用单角钢截面时，其节点构造见图。三铰拱屋架的支座节点与三角形屋架的支座节点相似，由支座节点板，加劲肋和底板组成(图)，但在上弦两角钢上加设一块水平盖板，水平盖板与支座节点板用焊缝连接。