房屋钢结构概念设计课件

同济大学房屋钢结构概念设计(ppt)优选同济大学房屋钢结构概念设计第第1 1节节发展现状和发展趋势发展现状和发展趋势1.1 发展历史发展历史 20 20世纪世纪50705070年代：应用较少年代：应用较少 受钢产量限制，仅用于重型厂房和大跨公建受钢产量限制，仅用于重型厂房和大跨公建 2020世纪世纪8080年代以来：飞速发展，广泛应用年代以来：飞速发展，广泛应用 19961996年以后，钢产量世界第一年以后，钢产量世界第一 如：网架结构的飞速发展如：网架结构的飞速发展 如：轻型门式刚架结构的飞速发展如：轻型门式刚架结构的飞速发展1.2 发展现状发展现状 应用范围扩张应用范围扩张 高层建筑高层建筑 体育场馆体育场馆 机场航站楼机场航站楼 会展中心会展中心 剧院剧院 火车站火车站 飞机库飞机库 工业厂房工业厂房 电视塔电视塔 结构体系丰富结构体系丰富 纯框架纯框架 带支撑框架带支撑框架 框筒框筒 网架网壳网架网壳 空间桁架空间桁架 刚架、拱架刚架、拱架 悬索、张弦梁悬索、张弦梁 索膜结构索膜结构 塔桅结构塔桅结构1.2 发展现状发展现状高层建筑高层建筑1.2 发展现状发展现状金贸大厦金贸大厦框筒结构；框筒结构；地上地上88层；地下层；地下3层；层；结构顶高结构顶高420m；环球金融中心环球金融中心框筒结构；框筒结构；地上地上101层；层；地下地下3层；层；结构顶高结构顶高492m；高层建筑高层建筑1.2 发展现状发展现状上海中心上海中心框筒结构；框筒结构；劲性混凝土柱；劲性混凝土柱；地上地上118层；层；地下地下5层；层；结构顶高结构顶高580m；高层建筑高层建筑1.2 发展现状发展现状高层建筑高层建筑央视大厦央视大厦框筒结构；框筒结构；两座倾斜塔楼；两座倾斜塔楼；悬挑悬挑75m；地上地上52层；层；地下地下3层；层；结构顶高结构顶高234m；1.2 发展现状发展现状高层建筑高层建筑同济综合楼同济综合楼带支撑框架；带支撑框架；钢管混凝土柱；钢管混凝土柱；粘滞阻尼支撑；粘滞阻尼支撑；地上地上21层；层；地下地下1层；层；结构顶高结构顶高98m；1.2 发展现状发展现状多层建筑多层建筑同济土木楼同济土木楼带支撑框架；带支撑框架；H型钢柱；型钢柱；粘滞阻尼支撑；粘滞阻尼支撑；地上地上8层；层；地下地下1层；层；1.2 发展现状发展现状体育场馆体育场馆上海八万人体育馆上海八万人体育馆马鞍形；长轴马鞍形；长轴288m；短轴；短轴274m；最大悬挑；最大悬挑73.5m；空间结构；空间结构1.2 发展现状发展现状体育场馆体育场馆南京奥林匹克体育中心南京奥林匹克体育中心360m跨钢拱跨钢拱+空间梁格体系空间梁格体系1.2 发展现状发展现状体育场馆体育场馆鸟巢鸟巢马鞍型；长轴马鞍型；长轴332m；短轴；短轴296m；空间桁架结构；空间桁架结构1.2 发展现状发展现状体育场馆体育场馆鸟巢结构骨架鸟巢结构骨架24跟桁架柱；跟桁架柱；22榀桁架梁；榀桁架梁；1.2 发展现状发展现状体育场馆体育场馆水立方水立方长宽长宽177m；高度；高度31m；空间刚架结构；空间刚架结构1.2 发展现状发展现状体育场馆体育场馆水立方结构体系水立方结构体系1.2 发展现状发展现状机场航站楼机场航站楼浦东国际机场浦东国际机场 张弦梁结构；最大跨度张弦梁结构；最大跨度83m1.2 发展现状发展现状机场航站楼机场航站楼浦东国际机场浦东国际机场 1.2 发展现状发展现状机场航站楼机场航站楼浦东国际机场张弦梁吊装浦东国际机场张弦梁吊装1.2 发展现状发展现状机场航站楼机场航站楼重庆江北机场重庆江北机场 桁架结构；最大跨度桁架结构；最大跨度90m1.2 发展现状发展现状机场航站楼机场航站楼重庆江北机场重庆江北机场 1.2 发展现状发展现状机场航站楼机场航站楼成都双流机场成都双流机场 曲线型空间钢管桁架曲线型空间钢管桁架1.2 发展现状发展现状会展中心会展中心上海国际会议中心上海国际会议中心单层网壳结构；单层网壳结构；大球直径大球直径48m；小球直径小球直径37m；杆件为矩形管；杆件为矩形管；铸钢节点；铸钢节点；1.2 发展现状发展现状会展中心会展中心广州国际会展中心广州国际会展中心 张弦立体桁架结构，跨度张弦立体桁架结构，跨度127m1.2 发展现状发展现状会展中心会展中心1.2 发展现状发展现状会展中心会展中心世博轴阳光谷世博轴阳光谷单层网壳结构；单层网壳结构；倒喇叭形；倒喇叭形；高度约高度约42m；1.2 发展现状发展现状剧院剧院平面尺寸平面尺寸100m*90m；正交空间桁架结构；正交空间桁架结构；上海大剧院上海大剧院 1.2 发展现状发展现状剧院剧院椭球面双层空腹肋环形网壳；长轴椭球面双层空腹肋环形网壳；长轴212m；短轴；短轴142m；国家大剧院国家大剧院 1.2 发展现状发展现状剧院剧院1.2 发展现状发展现状火车站火车站草帽形空间结构；圆形平面；直径草帽形空间结构；圆形平面；直径270m；上海南站上海南站 1.2 发展现状发展现状火车站火车站新武汉火车站新武汉火车站 1.2 发展现状发展现状工业厂房工业厂房中国船舶馆中国船舶馆 1.2 发展现状发展现状电视塔电视塔广州电视塔广州电视塔结构高结构高450m；总高度总高度610m；1.2 发展现状发展现状电视塔电视塔广州电视塔结构体系广州电视塔结构体系 1.3 发展趋势发展趋势第第2节节特点和适用范围特点和适用范围2.1 特点特点1.1.轻质高强，材性均匀稳定；轻质高强，材性均匀稳定；2.2.工业化程度高，施工周期短；工业化程度高，施工周期短；3.3.密闭性好；密闭性好；4.4.塑性好；抗震及抗动力性能好；塑性好；抗震及抗动力性能好；5.5.稳定性问题突出；稳定性问题突出；6.6.耐火性较差；耐火性较差；7.7.易腐蚀；易腐蚀；8.8.单价高。单价高。2.1 特点特点1.1.轻质高强轻质高强2.1 特点特点4.4.塑性变形能力好塑性变形能力好2.1 特点特点7.7.耐火性较差耐火性较差2.1 特点特点7.7.耐火性较差耐火性较差2.1 特点特点7.7.耐火性较差耐火性较差2.2 适用范围适用范围A A）恒载占比越大，采用钢结构越合理。）恒载占比越大，采用钢结构越合理。B B）强震地区（地震作用小，延性好）强震地区（地震作用小，延性好）C C）劳动力价格高（工业化生产，现场劳动力少）劳动力价格高（工业化生产，现场劳动力少）D D）软土地基（基础耗资小）软土地基（基础耗资小）E E）大跨、超高结构（结构效应函数值大）大跨、超高结构（结构效应函数值大）第第3节节材料选用材料选用3.1 结构用钢结构用钢碳素结构钢：碳素结构钢：Q235低合金高强度结构钢：低合金高强度结构钢：Q345、Q390、Q420高层建筑结构用钢：高层建筑结构用钢：GJZ向钢：向钢：Z15、Z25耐候钢：耐候钢：NH钢材钢材代号代号屈服强度数值屈服强度数值(MPa)质量等级质量等级(四级四级)脱氧脱氧方法方法Q235（屈服（屈服强度的强度的含义）含义）016mm:2351640mm:2254060mm:21560100mm:195A无冲击韧性规定无冲击韧性规定冷弯试验需方要求时提供冷弯试验需方要求时提供F(沸腾钢沸腾钢)b(半镇静钢半镇静钢)Z(镇静钢镇静钢)B规定规定 20 冲击功冲击功Ak 27J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书C规定规定 0 冲冲击功击功Ak 27J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书Z(镇静钢镇静钢)D规定规定-20 冲击功冲击功Ak 27J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书TZ(特殊镇静钢特殊镇静钢)3.1 结构用钢结构用钢3.1 结构用钢结构用钢钢材钢材代号代号屈服强度数值屈服强度数值(MPa)质量等级质量等级(五级五级)脱氧脱氧方法方法Q345（屈服（屈服强度的强度的含义）含义）016mm:3451635mm:3253550mm:29550100mm:275A级级 无冲击韧性规定无冲击韧性规定冷弯试验需方要求时提供冷弯试验需方要求时提供Z(镇静钢镇静钢)B级级 规定规定 20 冲击功冲击功Ak 34J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书C级级 规定规定 0 冲击功冲击功Ak 34J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书TZ(特殊镇静钢特殊镇静钢)D级级 规定规定-20 冲击功冲击功Ak 34J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书E级级 规定规定-40 冲击功冲击功Ak 27J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书3.1 结构用钢结构用钢钢材钢材代号代号屈服强度数值屈服强度数值(MPa)质量等级质量等级(五级五级)脱氧脱氧方法方法Q345GJ016mm:3451635mm:3453550mm:33550100mm:325B级级规定规定 20 冲击功冲击功Ak 34J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书Z(镇静钢镇静钢)C级级规定规定 0 冲击功冲击功Ak 34J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书D级级规定规定-20 冲击功冲击功Ak 34J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书TZ(特殊镇静钢特殊镇静钢)E级级规定规定-40 冲击功冲击功Ak 34J提供冷弯试验合格证书提供冷弯试验合格证书3.1 结构用钢结构用钢【例例0101】某车间用钢牌号选择某车间用钢牌号选择某工业厂房生产车间；某工业厂房生产车间；重型吊车；重型吊车；强腐蚀环境；强腐蚀环境；柱截面为柱截面为H型；型；翼缘厚度为翼缘厚度为50mm；梁柱连接节点如下图；梁柱连接节点如下图；最低温度零下最低温度零下20度；度；最终设计选用的钢种：最终设计选用的钢种：Q345 GJC NH Z253.1 结构用钢结构用钢结构的重要性结构的重要性荷载特征荷载特征结构形式结构形式应力状态应力状态连接方法连接方法钢材厚度钢材厚度工作环境工作环境钢材选用应钢材选用应考虑的因素考虑的因素3.2 强度选择强度选择1 1）变形控制选低强度等级）变形控制选低强度等级 如跨度大荷载轻的简支梁；如跨度大荷载轻的简支梁；2 2）强度控制选高强度等级）强度控制选高强度等级 如楼面梁，有铺板时，强度可充分发挥；如楼面梁，有铺板时，强度可充分发挥；3 3）长细比控制或应力水平较低选低强度等级）长细比控制或应力水平较低选低强度等级 如网架的腹杆；如网架的腹杆；4 4）施工条件差选较低强度等级）施工条件差选较低强度等级3.3 冲击韧性选择冲击韧性选择影响因素影响因素结构重要结构重要性性1 1荷载状况荷载状况2 2连接状况连接状况3 3使用温度使用温度4 4 选择因选择因子数值子数值类别类别三类三类静力静力全螺栓、无焊接全螺栓、无焊接不低于不低于01二类二类一般动力一般动力大部分工厂焊、大部分工厂焊、工地螺栓工地螺栓不低于不低于-202一类一类疲劳动力疲劳动力大部分现场、大部分现场、高空焊高空焊不低于不低于-403表表1-1 1-1 选择钢材冲击韧性指标的影响因素及选择因子选择钢材冲击韧性指标的影响因素及选择因子 =1234 选择因子之选择因子之积积23161824245454材料等级材料等级ABCDE表表1-2 1-2 选择因子之积选择因子之积与材料冲击韧性指标的关系表与材料冲击韧性指标的关系表 3.3 冲击韧性选择冲击韧性选择【例例0202】呼伦贝尔艺术馆呼伦贝尔艺术馆重要建筑重要建筑;梁柱节点为栓焊连接；梁柱节点为栓焊连接；承受静力荷载；承受静力荷载；最低温度零下最低温度零下50度；度；第第4节节荷载与荷载组合荷载与荷载组合4.1 风荷载风荷载0kzszww 0kgzszww 【注意点注意点1 1】阵风系数和风振系数阵风系数和风振系数【思考思考】阵风系数和风振系数有何不同？计算墙板和墙梁阵风系数和风振系数有何不同？计算墙板和墙梁时，应采用阵风系数还是风振系数？时，应采用阵风系数还是风振系数？4.1 风荷载风荷载【注意点注意点2 2】对风敏感性结构对风敏感性结构4.1 风荷载风荷载4.1 风荷载风荷载4.1 风荷载风荷载4.2 雪荷载雪荷载【注意点注意点】积雪的不均匀分布积雪的不均匀分布双坡屋面双坡屋面四坡屋面四坡屋面4.2 雪荷载雪荷载【例例0303】不均匀积雪对某门式刚架结构的影响不均匀积雪对某门式刚架结构的影响双坡单脊；门式刚架结构；柱脚铰接；柱顶刚接；双坡单脊；门式刚架结构；柱脚铰接；柱顶刚接；不均匀积雪的影响？不均匀积雪的影响？4.2 雪荷载雪荷载【例例0404】某两连跨网壳的积雪某两连跨网壳的积雪某双跨拱形网壳；某双跨拱形网壳；两跨间积雪分布系数如何取值？两跨间积雪分布系数如何取值？4.2 雪荷载雪荷载4.2 雪荷载雪荷载4.2 雪荷载雪荷载4.2 雪荷载雪荷载4.3 覆冰荷载覆冰荷载4.4 温度作用温度作用4.4 温度荷载温度荷载【例例0505】柱间支撑布置柱间支撑布置某门式刚架的纵向柱列，柱间支撑布置方式如下，哪种方式更好？某门式刚架的纵向柱列，柱间支撑布置方式如下，哪种方式更好？4.4 温度荷载温度荷载【例例0606】某大尺寸平台结构某大尺寸平台结构某平台钢结构，长某平台钢结构，长150m，次梁两端铰接；工作温差较大；，次梁两端铰接；工作温差较大；计算发现，两边主梁应力比超限，加大截面也不能降低应力比；计算发现，两边主梁应力比超限，加大截面也不能降低应力比；试分析其原因和解决办法？试分析其原因和解决办法？4.4 温度荷载温度荷载【例例0707】某空间结构某空间结构某空间网壳结构，某空间网壳结构，周边支承；周边支承；工作温差较大；工作温差较大；计算发现，底边钢圈计算发现，底边钢圈梁应力比超限，加大梁应力比超限，加大截面也不能降低应力截面也不能降低应力比；比；试分析其原因和解决试分析其原因和解决办法？办法？4.5 地震作用地震作用4.5 地震作用地震作用【注意点注意点】抗震规范中抗震规范中阻尼的取值阻尼的取值多高层钢结构：多高层钢结构：多遇地震：多遇地震：H200m，取，取0.02；罕遇地震：罕遇地震：取取0.05；单层厂房钢结构：根据围护结构情况，取单层厂房钢结构：根据围护结构情况，取0.0450.05；大跨度钢结构屋盖：大跨度钢结构屋盖：下部为钢结构：取下部为钢结构：取0.02；下部为混凝土结构：取下部为混凝土结构：取0.0250.035；第第5节节设计方法设计方法5.1 设计方法设计方法5.2 极限状态表达式极限状态表达式1）非抗震设计非抗震设计0SR2）抗震设计抗震设计/RESR小震小震GGEKEhEhKEvEvKWWWKSSSSS 大震大震PPC PEhKvKGEE是（）产生的变形值112nGGKQQ KQiQiQiKiSSSS 1nGGKQiQiQiKiSSS 可变荷载控制可变荷载控制永久荷载控制永久荷载控制5.2 极限状态表达式极限状态表达式1）非抗震设计非抗震设计SC2）抗震设计抗震设计eeC 小震小震eGEEhKEvKWWK 12nGKQ KQiQiKiSSSS1nGKQiQiKiSSS标准组合标准组合准永久组合准永久组合【例例0808】列出高层结构承载能力极限状态的常见荷载组合列出高层结构承载能力极限状态的常见荷载组合5.2 极限状态表达式极限状态表达式1）非抗震设计非抗震设计1.2*恒恒+1.4*活活+1.4*0.6*风风1.2*恒恒+1.4*0.7*活活+1.4*风风1.35*恒恒+1.4*0.7*活活+1.4*0.6*风风2）抗震设计：小震抗震设计：小震1.2*重力荷载代表值重力荷载代表值+1.4*0.2*风风+1.3*水平地震水平地震3）抗震设计：大震抗震设计：大震PPC 第第6节节结构体系结构体系6.1 常见结构体系常见结构体系空间桁架空间桁架刚架、拱架刚架、拱架悬索、张弦梁悬索、张弦梁索膜结构索膜结构塔桅结构塔桅结构门式刚架门式刚架纯框架纯框架带支撑框架带支撑框架框筒框筒网架网壳网架网壳6.2 优化设计方向优化设计方向6.2 优化设计方向优化设计方向【例例0909】讨论下列各种结构体系的受力性能。讨论下列各种结构体系的受力性能。6.3 辅助结构与主体结构辅助结构与主体结构第第7节节节点设计节点设计7.1 单元的划分与结合单元的划分与结合7.1 单元的划分与结合单元的划分与结合【例例10】框架柱的现场拼接点框架柱的现场拼接点方案方案A方案方案B拼接节点拼接节点思考：哪种分段点方思考：哪种分段点方案更合理？案更合理？7.1 单元的划分与结合单元的划分与结合【例例11】门式刚架屋面梁分段点门式刚架屋面梁分段点某轻型门式刚架结构；某轻型门式刚架结构；跨度跨度24m；屋面梁划分为屋面梁划分为3段；段；7.2 节点分类节点分类7.2 节点分类节点分类7.2 节点分类节点分类【例例12】刚架的沉降刚架的沉降两种刚架；两种刚架；坐落于软土地基；坐落于软土地基；两柱脚有不同沉降；两柱脚有不同沉降；哪种结构对沉降更为敏哪种结构对沉降更为敏感？感？7.2 节点分类节点分类【例例13】某拱形连廊的设计某拱形连廊的设计两个单体建筑之间设置两个单体建筑之间设置有拱形连廊。设计时，有拱形连廊。设计时，按两铰拱的计算简图进按两铰拱的计算简图进行分析计算。会出现什行分析计算。会出现什么问题？结构是否偏于么问题？结构是否偏于不安全？不安全？7.2 节点分类节点分类【例例14】某风雨操场设计某风雨操场设计某风雨操场，采用拱形屋面。结构体系如下所示。某风雨操场，采用拱形屋面。结构体系如下所示。设计时遇到了下面的问题：由于拱形桁架支撑在柱顶，造成柱设计时遇到了下面的问题：由于拱形桁架支撑在柱顶，造成柱顶水平反力非常大。无论怎么加大柱截面也无法满足要求。分顶水平反力非常大。无论怎么加大柱截面也无法满足要求。分析其原因和解决方法。析其原因和解决方法。7.2 节点分类节点分类柱顶设置橡胶支座柱顶设置橡胶支座恒载下的变形图恒载下的变形图7.2 节点分类节点分类