钢结构房屋设计

1职工培训教材——结构专业第三讲钢结构房屋设计（2009.10.31）内容提要随着国民经济的迅速发展，钢结构房屋的设计已成为我国设计工作的主要内容之一。本文在总结多个项目钢结构房屋设计的基础上，全面介绍了单层门式刚架轻型钢结构房屋、单层排架普通钢结构房屋和多、高层钢结构房屋设计的特点和经验，仅供今后钢结构房屋设计的参考。1.我国钢结构建筑的发展现状近十年来，随着国民经济的迅速发展，钢结构在我国得到了广泛的应用，单层门式刚架轻型钢结构房屋大量应用于工业建筑中，空间网架、立体桁架钢结构广泛应用于大跨度工业与民用建筑中，高层钢结构房屋越来越多地成为超高层建筑的首选方案。现在，钢结构房屋的设计已成为我国设计工作的主要内容之一。与砼结构相比，钢结构具有许多优点：（1）钢材是一种可以回炉循环使用的环保型材料，钢结构对环境保护具有很大的优点；（2）钢结构一般均在工厂生产，现场安装，对建筑业实现工业化提供了良好的条件；（3）钢结构施工快捷，施工工期短，特别是单层门式刚架轻型钢结构房屋，3—6个月就可以建成投产；（4）钢结构更适合在大跨度、大柱网建筑中的应用。（5）钢结构与混凝土结构相比较，门式钢架比混凝土单层厂房要相对便宜点。但多层、高层钢结构则造价要高于混凝土结构，大约高20%~30%。随着钢结构在我国的广泛应用，钢结构的生产厂家也越来越多，生产能力也越来越强。目前，生产钢结构构件的工厂如浙江的东南、杭萧、精工三大公司，年产量均在30万吨以上；他们不仅能生产轻型钢结构，还能生产重型钢结构，如复杂的、板厚在40mm以上的工型柱、箱型柱、双向工型柱、异型柱、工型梁、箱型梁、异型梁等，有的还实现了在工厂生产线上连续机械化生产作业，这就为钢结构的广泛应用创造了良好的条件。2钢结构房屋设计因种类的不同而有所不同。不同的钢结构要采用不同的规范。因此，钢结构房屋设计时，首先要明确该建筑的类型和适合该类型所用的规范。钢结构房屋设计的国家标准、规范：（1）钢结构设计规范GB50017—2003（2）门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002（3）冷弯薄壁型钢结构技术规范GBJ50018—2002（4）型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138—2001（5）高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99—98（6）网架结构设计与施工规程JGJ7—91（7）钢网架螺栓球节点JG11—1999（8）钢网架检验及验收标准JG12—1999（9）钢结构工程施工质量验收规范GB50205—2001国家标准图集：（1）钢结构设计制图深度和表示方法03G102（2）多、高层民用建筑钢结构节点构造详图01SG519（3）门式刚架轻型房屋钢结构02SG518（4）多、高层民用建筑钢结构节点连接03SG519—1（5）多、高层民用建筑钢结构节点连接04SG519—2（6）钢吊车梁SG520—1～2（7）吊车轨道联结及车挡（适用于钢吊车梁）05G525（8）钢柃条钢墙梁SG521—1～4（9）钢托架05G513（10）钢与混凝土组合楼（屋）盖结构构造05SG522（11）型钢混凝土组合结构构造4SG5232.钢结构房屋分类2.1单层门式刚架轻型钢结构房屋适用于轻型屋盖和轻型外墙（或非嵌砌砌体外墙）、房屋高度一般不大于9m（当有桥式吊车时不宜大于12m）、跨度一般不大于36m、无桥式吊车或有起重3量不大于20t的A1～A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层钢结构房屋。按CECS102：2002规范设计。其特点是：（1）平面结构体系，柱脚铰接（或刚接），柱顶刚接，柱梁截面高度可变，与刚架内力图相接近，充分发挥材料的承载能力；（2）屋面自重轻，基础小，用料省（一般可控制在50KG/㎡以内），造价低。当柱距为6m时，门刚的用钢量几乎与钢架跨度相当，即27m跨度的钢架，用钢量折算为每平米27Kg/m2。2.2单层排架普通钢结构房屋（实腹式工型柱）适用于轻、重型屋盖和轻型外墙（或非嵌砌砌体外墙）、跨度一般不大于36m、有起重量大于20t的桥式吊车或3t以上悬挂式起重机的单层钢结构房屋。按GB50017—2003规范设计。其特点是：（1）平面结构体系，柱脚刚接，柱顶铰接或刚接，柱采用等截面工型柱或双肢柱，梁截面高度可变（当采用重屋盖时，宜采用钢屋架，柱顶铰接）；（2）由于柱脚弯矩大，相应的基础较大，材料用量也大。2.3空间网架钢结构房屋（单位的项目实例有武汉的光缆厂房、大连分院有做192m×192m跨度的网架）适用于大跨度工业与民用建筑，如正方形或接近于正方形的体育馆、机场候机厅、车站或工厂，常用的网架有钢管螺栓球节点和钢管焊接球节点组成的四角锥网架，网架支承于四周的钢筋砼柱、钢柱或托梁上，并可以承担一定的吊挂荷载，屋面维护结构采用压型彩钢板。网架采用“空间桁架结构通用程序LSG2”计算，其内力分布和杆件直径、球节点直径由四周向中间逐步增大，充分发挥材料的承载能力。2.4立体桁架钢结构房屋（钢管空间钢结构体系）适用于大跨度工业与民用建筑。桁架与砼柱采用螺栓铰接，桁架节点采用钢管之间直接相贯的焊接节点，屋面维护结构采用压型彩钢板，有柃体系。2.5多层和高层钢结构房屋（大连分院有做80m高度的电解塔）适用于多层和高层工业与民用建筑，一般采用空间结构体系，柱脚刚接，框架梁柱刚接（两个方向），次梁与主梁铰接，楼板采用钢板或钢与砼组合楼板（在压型钢板上现浇砼板）。按GB50017—2003和JGJ99—98规范设计。42.6钢与砼组合结构房屋（1）型钢砼组合结构（从略）；（2）钢管砼组合结构（从略）3.门刚规范（CECS102：2002）与普钢规范（GB50017—2003）的主要差别（1）风荷载体型系数取值不同（见CECS102：2002附录A），门刚结构负压值（2）受压构件长细比限值不同，见表1：表1受压构件容许长细比序号构件类别门刚容许长细比普钢容许长细比1主要构件1801502次要构件、支撑、隅撑220200（3）受拉构件长细比限值基本相同，见表2：表2受拉构件容许长细比序号构件类别一般建筑结构有重级工作制吊车的厂房（只用于普钢）直接承受动力荷载的结构1桁架杆件3502502502吊车梁以下的柱间支撑3002003其他拉杆、支撑、系杆等400350（4）柱顶水平位移限值不同，见表3：表3柱顶水平位移限值（H—柱高度）序号门刚规范（CECS102：2002）普钢规范（GB50017—2003）吊车情况水平位移限值吊车情况水平位移限值1无吊车，彩板墙H/60（H/80）无桥式吊车（单层）H/1502无吊车，砌体墙H/100（H/120）3有桥式吊车，驾驶室操作H/400（H/400）有桥式吊车（单层）H/4004有桥式吊车，地面操作H/180（H/300）注：“技术措施”规定，在风荷标准值作用下，按括号内数值。5（5）受弯构件的挠度容许值不同，见表4：表4受弯构件的挠度容许值（L为受弯构件的跨度）序号门刚规范（CECS102：2002）普钢规范（GB50017—2003）构件类别挠度容许值构件类别挠度容许值1门式刚架斜梁楼（屋）盖梁仅支承压型钢板屋面L/180主梁或桁架L/400尚有吊顶L/240次梁、楼梯梁L/250有悬挂起重机L/400有悬挂起重机L/4002檩条仅支承压型钢板屋面L/150支承无积灰的瓦楞铁和石棉瓦屋面L/150尚有吊顶L/240支承压型钢板和有积灰的瓦楞铁和石棉瓦屋面L/2003压型钢板屋面板L/1504平台板L/1005吊车梁手动吊车和单梁吊车梁L/500轻级工作制桥式吊车梁L/800中级工作制桥式吊车梁L/1000重级工作制桥式吊车梁L/120066手动或电动葫芦轨道梁L/4007墙梁水平挠度支承压型钢板墙梁L/100支承压型钢板墙梁L/200支承砌体墙梁L/180且≦50mm支承砌体墙梁L/3008墙板水平挠度L/100（6）工字形、箱形截面受压翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比值不同，见表5：表5工字形、箱形截面受压翼缘宽厚比（b/t）序号门刚规范（CECS102：2002）普钢规范（GB50017—2003）工字形截面工字形截面箱形截面1Q235b/t≤15Q235b/t≤13Q235b/t≤402Q345b/t≤12.4Q345b/t≤10.7Q345b/t≤33（7）工字形截面腹板的高厚比（h/t）不同，见表6：表6工字形截面腹板的高厚比（h/t）序号门刚规范（CECS102：2002）普钢规范（GB50017—2003）梁、柱梁柱1Q235h/t≤250Q235h/t≤80按GB50017—2003规范2Q345h/t≤206Q345h/t≤66第5.4.2条计算h/t注：箱形截面柱腹板的高厚比（h/t）按GB50017—2003规范第5.4.3条计算h/t。4.单层门式刚架轻型钢结构房屋7（1）材料选用：单层门式刚架轻型钢结构房屋的承重构件应选用碳素结构钢Q235B及低合金高强度钢Q345B，其力学性能和化学成分应分别符合《碳素结构钢》GB700及《低合金高强度钢》GB1591的规定。（2）结构计算：目前，国内计算单层门式刚架轻型钢结构房屋的软件有多种，宜采用“中国建筑标准设计研究所”的STS软件，按二维模型计算。（3）常用跨度：15m、18、21、24、27、30、33、36，以3m为模数，特殊情况可采用42m（采用门式刚架轻钢结构时要慎用）。采用以上标准跨度，就可以与标准跨度的吊车相配套。在钢屋面结构体系中，建筑跨度也可以采用1m为模数，吊车跨度相应修改。（4）常用柱距：6、7.5、9、12m，采用门式刚架轻钢结构、压型钢板屋面、墙面时，柱距也可以采用0.1m为模数。经济分析：采用门式刚架轻钢结构、压型钢板屋面C型檩条时，以柱距7.5～9.0m较经济，柱距6.0、12.0m用钢量较高；当柱距为12m时，采用C型柃条已不合适，这时，可以在外墙上每开间插入一根柱子（中柱柱距仍为12m）和一根屋面梁（中间用12m托梁），以保持柃条跨度为6m，或采用高频焊接H型钢檩条（用钢量较高）；当柱距12m时，可采用桁架式柃条，与高频焊接H型钢柃条相比，可降低40%～50%柃条的用钢量，如用钢量减少1.0Kg/㎡时，则造价可降低7元/㎡。公用专业提的吊挂荷载条件对用钢量有较大的影响，可经过计算，折算成比较合理的面荷载、点荷载来计算。参见表7：表7门式刚架和屋面檩条用钢量表刚架跨度（m）柱距（m）用钢量（Kg/㎡）造价（元/㎡）备注刚架屋面檩条合计246.022.46.528.9202.387.519.27.226.4184.8较低9.018.59.127.6193.2较低12.019.410.029.4205.8366.029.16.535.6249.27.527.77.234.9244.3较低9.024.99.134.0238.0较低12.025.810.035.8250.6（5）定位轴线：见个体工程，无明确规定时，中柱两个方向居中，边柱在纵向柱外平，横向居中，横向端跨柱内移600，抗风柱外平。（6）温度区段：单层门式刚架轻型钢结构房屋的温度区段放得很宽，一般控制在：纵向L≤300m，横向L≤150m，超过此尺寸，要设伸缩缝。伸缩缝设双柱或采用容许胀缩的构造（长圆孔）。如温度区段内有砼构件（如基础梁、连系梁、墙梁、楼板），则对砼构件要按砼规范采取超长结构设计措施。（7）支撑系统：在每一个温度区段，要设置必要的屋面水平支撑、纵向系杆和柱间支撑，组成一个空间稳定结构，将纵向水平荷载传至基础，以满足结构在纵向的安全与稳定。大多数的门式刚架破坏时因为结构的失稳、挠度造成，因此，支撑应作为一个门式刚架的重点内容设计。a.屋面水平支撑和柱间支撑应在同一开间内设置，其间距：无吊车时L≤36～45m，有吊车时L≤60m。当建筑宽度60m时，在内柱列宜适当增加柱间支撑。b.在边柱、中间柱、屋脊处，应沿全长设刚性系杆，可采用圆钢管或H型钢杆件。c.门式刚架轻型钢结构房屋的屋面水平支撑和柱间支撑可采用带张紧装置（花篮螺栓）的十字交叉圆钢支撑，其夹角为30º～60º，接