华科房屋建筑钢结构设计第一章

建筑钢结构设计华中科技大学土木工程与力学学院钢结构教研室2015年4月f材料性能连接基本构件构造要求对象共性的节点和基本构件应力设计特点局部、单个、零散设计原理f0课程介绍一、结构：由基本构件组成（连接）的受力体系二、钢结构设计原理与建筑钢结构设计课程区别和联系•区别：结构体系、特点、组成结构布置荷载及计算内力计算及组合对象具体的结构概念设计特点承载力、刚度、延性整体局部整体结构设计构件、节点设计施工图设计0课程介绍联系原理是从具体结构中抽象出来的，是基础具体结构设计是设计原理的应用和扩展二者是设计中不可分割两个方面。0课程介绍本课程学习内容概念设计平台钢结构设计轻型门式刚架设计多高层钢结构设计普通钢屋架单层厂房设计钢结构施工及防腐蚀课程设计一周24学时32学时0课程介绍第一章概念设计1.1钢结构的适用范围1.2钢材的选用1.3建筑钢结构荷载与作用的特点1.4钢结构的计算1.5结构体系1.6节点设计建筑钢结构设计概念设计概念设计：在结构选型与布置阶段，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部构造措施。（主要针对水平荷载）概念设计:是保证结构具有优良抗震性能的一种方法。选择对抗震有利的结构方案和布置，采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施，设计延性结构和构件，分析结构薄弱部位，并采取相应的措施，避免薄弱层过早破坏，防止局部破坏引起连锁效应，避免设计静定结构，采取二道防线措施等。概念设计力学关系破坏机理震害试验现象工程经验结构选型与布置全局的角度来确定控制结构的布置及细部构造措施设计思想地震、风概念设计减少扭转、增加抗扭刚度延性结构和构件避免薄弱层多道设防、刚柔结合承载力、刚度、延性为主导概念设计1、概念设计不仅用于一些大的原则,如确定结构方案,结构布置等，而是贯穿整个设计过程中。2、结构设计不是“规范+计算”更不是“规范+一体化计算机结构设计程序”。概念设计是在总体上把握抗震设计的主要原则，弥补由于地震作用及结构地震反应的复杂性而造成抗震计算不正确的不足；抗震计算为建筑抗震设计提供定量保证；构造措施则为保证抗震概念与抗震计算的有效性提供保障。它们是一个不可割裂的整体。概念设计、结构计算、构造措施关系概念设计1.1钢结构的适用范围轻质高强；材质均匀、稳定；生产工业化程度高，施工周期短；塑性韧性好；密封性好；耐腐蚀性差；耐火性差；单价较高（？）。高大重动轻•大跨度钢结构•重型厂房钢结构•受动力荷载影响的结构•可拆卸的结构•高耸结构和高层建筑•容器和其他构筑物•轻型钢结构钢结构特点钢结构的适用范围1.2钢材选用选用原则结构或构件的重要性荷载性质（静载或动载）连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）工作条件（温度及腐蚀介质）钢板的厚度对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。注意焊接结构选用B级以上的钢材（如Q235B)钢材强度选择刚度控制时，选低等级强度控制时，选高等级杆系（如支撑）稳定控制时（如长细比控制），选低等级。影响因数结构重要性荷载状况连接状况使用温度选择因子值类别三级静力全螺栓、无焊接不低于0°C1二级一般动力大部分工厂焊、工地螺栓不低于-20°C2一级疲劳动力大部分现场、高空焊不低于-40°C33214表1-1选择钢材冲击韧性指标的影响因数选择因子表1-2选择因子之积u与质量等级关系选择因子之积u22~1818~2424~5454质量等级ABCDEµ=µ1×µ2×µ3×µ41.3钢结构荷载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1.3钢结构荷载一、风荷载一般指标准值，由基本风压，风振系数（或阵风系数），体型系数，及风压高度变化系数组成。钢结构对风敏感、往往成为控制荷载。注意风吸力和风压力。二、冰、雪、积灰的自重荷载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雪荷载与屋面活荷载不同时考虑，取两者中较大者。积灰荷载与屋面活荷载或雪荷载两者中较大者同时考虑。1.3钢结构荷载竖向荷载应乘以动力系数1.05(吊车工作制A1~A5)或1.1(A6~A8)。水平荷载见规范。吊车荷载工作制等级轻级中级重级特重级工作级别A1～A3A4,A5A6,A7A81.3钢结构荷载三、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）例：一天24小时，温度不断变化。气温每上升或下降1摄氏度，受热胀冷缩影响，钢结构桁梁就会伸长或缩短一些。合龙段长度随温度的变化而变化，需要通过测量距离及温度来确定。建筑结构的相对温度作用（同一结构不同温度下的温差）相对不敏感，大跨和超长结构考虑1.3钢结构荷载三、温度作用（1）温差大时，钢结构安装要考虑施工时段；（2）超出下表中数值时,应考虑温度应力和温度变形的影响结构情况纵向温度区段(垂直屋架或构架跨度方向)横向温度区段(屋架或构架跨度方向)柱顶为刚接柱顶为铰接采暖房屋和非采暖地区的房屋热车间和采暖地区的非采暖房屋露天结构220120150180100125120----1.3钢结构荷载四、地震荷载按《抗震设计规范》GB50011-2010采用。尽可能减小配套结构的重量（采用轻质维护材料的板材）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五、荷载及结构的变异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。1.4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1.4钢结构的计算活载组合系数：雪载：0.7；积灰：0.9;吊车：0.7或0.95(硬钩和A8软钩）；风载：0.6（1）永久荷载分项系数当其效应对结构不利时--对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;--对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;当其效应对结构有利时--一般情况下应取1.0；--对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。（2）可变荷载的分项系数--一般情况下应取1.4；--对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载标准值应取1.3。1.4钢结构的计算（3）、结构效应一般满足（1-1）、（1-3）常遇地震作用时取1.0，此时风组合系数取0.2罕遇地震作用时所有的分项系数均为1.0正常使用极限状态实为广义变形：线位移、角位移、加速度、沉降、长细比等。（4）、结构抗力R及正常使用限值C钢材强度变化：钢材厚度不同、强度不同；单角钢受力，整体按轴压构件计算时，强度修正；单角钢单肢连接时，连接强度修正；地震作用时强度的提高修正。正常使用极限状态下变形限值C：按GB50017-2003查找。预拱问题：楼面、屋面、曲梁、悬臂梁等取拱，荷载启用合适。变形限值应通知其它工种的设计人员。1.5.1结构体系与使用要求结构需满足建筑功能和空间要求框架结构：住宅、办公楼门式刚架：轻工厂房空间结构（拱、壳、索、膜或杂交结构）：公共建筑1.5.2主体钢结构的优化设计方向框架结构：选择合适的截面，尽可能大的惯性矩和抗弯模量，同时满足局部稳定要求门式刚架：根据制造分段及内力状况分段确定各段两端截面的高度和尺寸。一般直线变坡。空间结构：单个构件轴心受力，截面尺寸优化；整体几何尺寸或形态优化（找形分析）。1.5结构体系1.5结构体系1.5.3辅助结构与主体结构的关系主体结构：梁、柱、桁架、拱、壳、索、膜或杂交结构辅助结构：支撑关系：支撑与桁架或框架结构共同受力。支撑减小主要受力构件的计算长度提高结构体系的整体性，提高结构的整体刚度在施工过程中保持结构的稳定性支撑结构与主体结构相互转换主体结构是支撑结构的支座。1.6节点设计1.6.1单元的划分与结合计算单元：根据构件的不同种类、计算精度要求制作单元：便于制作分工，提高标准化、机械化，提高工厂化及效率。运输单元：提高运输效率，节约运输成本。安装单元：考虑安装时间过程、空间状态、设备能力、效率。所有的单元用节点连接成整体。1.6.2节点分类受力分：刚接、半刚接、铰接1.刚接:抵抗和传递M、N、V；变形连续极限状态下，有一定的塑性变形能力，产生内力重分布和抗震耗能1.6节点设计2.半刚性连接：有一定的抗弯能力，但抗弯刚度不连续处理：整体计算时，铰接。局部分析时：取合适的计算模型，如刚接或承受一半的弯矩等。梁柱半刚接1.6节点设计3.铰接：只承受和传递剪力，对结构变形不敏感。•类型：销连接、支座端板的洗平顶紧、专用铰支座、普通螺栓连接。•固定铰和滑动铰1.6.3焊接和螺栓连接1.选择：塔架：螺栓连接其它：焊接和螺栓并用原则：工厂焊接、现场螺栓连接，尽量避免现场高空焊接。趋势：工厂化生产、高效率安装、节约资源和成本。梁柱铰接1.6节点设计2.焊接和螺栓连接中具体方法及质量等级的选择焊接：疲劳动力荷载：全熔透的一级对接焊缝一般动力荷载：全熔透的二级对接焊缝，并采用引弧板其他：三级对接焊缝或角焊缝螺栓焊接：疲劳、动力荷载：摩擦型高强螺栓一般动力荷载、较大静力荷载：承压型高强螺栓或高强度配套螺栓（加防松措施）其他：普通螺栓C级（加防松措施），A、B级仅用于单个销连接且长度可调的构件连接。铸钢连接：复杂节点。钢结构设计简单步骤和设计思路1、判断结构是否适合钢结构高、大、重、动、轻、体形复杂、可持续发展住宅2、结构选型与结构布置(结构方案)(1)对结构定性,在经验丰富的工程师下进行.(2)“概念设计”在结构选型与结构布置阶段尤其重要.(3)可避免多次修改和试算,提高世纪设计效率钢结构设计简单步骤和设计思路3、预估截面:确定梁柱和支撑的断面与尺寸．梁截面高度通常在跨度的1/20~1/40之间选择,根据梁侧向支撑点间的距离[l/b]限值确定翼缘宽度（整体稳定），根据局部稳定确定翼缘厚度．柱：长细比预估，通常，简单选择在80左右，４、结构分析:线弹性分析，可考虑二阶效应．电算或手算．15050钢结构设计简单步骤和设计思路５、工程判定：评估各向周期、总剪力、变形特征等，根据判定结果，确定选择修改模型重新分析还是修正计算结果．不同的软件会有不同的实用条件，初学者应充分明了．此外，工程设计计算与精确的力学计算通常有一定误差，为了获得实用的设计方法，有时会用误差较大的假定，但对这种误差，要通过“适用条件、概念及构造”的方式保证结构的安全，这比定量计算更重要．注重概念设计、工程判定和构造措施钢结构设计简单步骤和设计思路６、构件设计材料：Ｑ２３５、Ｑ３４５，强度控制是可选择Ｑ３４５，稳定和变形控制时，宜选择Ｑ２３５，焊接时宜选择选择Ｑ２３５-Ｂ或Ｑ３４５-Ｂ（１）软件在做构件（柱）的截面验算时，计算长度系数的取定有时不符合规范的规定．对于节点连接情况复杂或变截面的构件，应该逐个检查．（２）截面不满足：强度不足时，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不足加大翼缘厚度，抗剪不足加大腹板厚度．变形超限：通常不应加大板件厚度而应考虑加大截面高度钢结构设计简单步骤和设计思路7、节点设计(1)是钢结构设计中重要的内容之一,在分析之前,应该对节点形式有充分的思考和确定.最终设计的节点与模型中的形式不完全一致,应控制在5%内,否则应避免.节点分刚结、铰接和半刚接.连接节点的不同对结构影响较大.有的刚接节点虽然承受弯矩没问题,但会产生较大的转动,不符合结构分析中的假定,会导致实际变形大于计算数据的不利结果.钢结构设计简单步骤和设计思路(2)设计方法有等强设计和实际受力设计,初学者可偏安全选前者.(3)焊接:对焊缝的尺寸及形式、质量等级,规范有强制规定,应该严格执行.焊条的选用应与被连接金属材质相适应.E43与Q235,E50对Q345,Q235与Q345连接是选用E43.设计中不得任意加大焊缝.焊缝重心应尽量与被连接构件接近.质量等级不宜要求太高,不要一律按一级或二级质量要求,应根据结构重要性、受力性质、焊缝形式、工作环境及应力状态等情况区别对待.钢结构设计简单步骤