《建筑钢结构设计》自学指导书

福建工程学院继续教育学院成人高等学历教育课程自学指导书课程名称 建筑钢结构设计 适用专业 土木工程专业 适用层次 专升本函授 学习形式 自学 编 写 者 洪芳 审 定 人 福建工程学院继续教育学院目录第一章 绪论1一、目的和要求3二、重点和难点3三、内容提要3第二章 平台钢结构设计4一、目的和要求4二、重点和难点4三、内容提要41、型钢梁设计步骤42、组合梁设计步骤43、实腹式轴心受压构件设计步骤104、格构式轴心受压构件设计步骤115、柱节点设计12四、典型例题12五、思考题及习题18第三章 轻型门式刚架设计19一、目的和要求19二、重点和难点19三、内容提要191、门式刚架结构形式及支撑体系192、檩条设计193、刚架设计步骤和过程20四、思考题21第四章 多层框架钢结构设计22一、目的和要求22二、重点和难点22三、内容提要221、钢框架结构形式的分类222、钢框架的设计内容和设计步骤223、多层多跨框架支撑的类型及布置234、实腹式压弯构件设计235、楼盖设计246、框架节点构造及计算26四、典型例题32五、思考题及习题33第五章 普通钢屋架单层厂房设计34一、目的和要求34二、重点和难点34三、内容提要341、厂房结构横向框架342、支撑体系353、普通钢屋架设计354、吊车梁的设计38四、思考题及习题39第一章 绪论一、目的和要求1、掌握钢结构的主要优缺点和应用范围。2、掌握钢结构的主要荷载和计算要求。3、了解钢结构的发展趋势。4、掌握节点设计的分类和类型。二、重点和难点1、钢结构的主要优缺点和应用范围。2、钢结构节点设计的分类和类型。三、内容提要1、钢结构的应用范围大跨度建筑结构；高层及超高层建筑结构；高耸钢结构等。2、钢结构的特点高强轻质，塑性韧性好，工业化、施工速度快；耐火、耐腐蚀性差。3、钢结构主要荷载和计算要求风荷载，冰雪荷载，温度荷载和地震作用。承载能力极限状态和正常使用极限状态验算。4、钢结构发展采用高性能钢材；深入了解和掌握结构的真实极限状态；开发新的结构形式；提高钢结构制造工业的技术水平。5、节点设计的分类和类型刚接、铰接和半刚性连接。焊接和螺栓连接。第二章 平台钢结构设计一、目的和要求1、掌握平台板的设计与计算。2、掌握平台梁的设计与计算。3、掌握平台柱的设计与计算。二、重点和难点1、型钢及组合平台梁的设计。2、实腹式和格构式柱的设计。3、梁、柱的连接及节点设计。三、内容提要1、型钢梁设计步骤根据梁的荷载，跨度及支座情况求出根据选用的钢号确定其抗弯设计强度f单向受弯梁：选择工字钢或H型钢的型号双向受弯梁：适当增加Wx（30%50%）后选择型号 强度考虑自重后重新计算M、V，然后验算整体稳定 刚度 不满足重选型号满足（结束）2、组合梁设计步骤 梁截面确定梁高h的确定： hmin h hmax，且h he。tw的确定： 假定翼缘宽度： 由 得t 梁截面验算 强度验算抗弯强度： 单向受弯 双向受弯 抗剪强度： 局部承压强度： 折算应力： 刚度验算 整体稳定单向弯曲梁（最大刚度平面内受弯的梁）： 双向弯曲梁： 局部稳定翼缘： 工字型：（）；（）箱 型：腹板：按计算或构造设置加劲肋A加劲肋的配置要求a 当时，若时可不配置加劲肋；若时（设支承加劲肋）应按构造要求（，但对且的梁，允许）配置横向加劲肋。b 当时，应配置横向加劲肋并满足构造和计算要求。c 当时（受压翼缘扭转受到约束，如有刚性铺板、制动板或焊有钢轨时）或时（受压翼缘扭转未受到约束时）或按计算需要时，应在弯曲应力较大区格的受压区增配纵向加劲肋（）。局部压应力很大的梁，必要时尚宜在受压区配置短加劲肋。d 梁的支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，宜设置支承加劲肋。e 任何情况下，（避免高厚比过大时产生焊接翘曲）。B组合梁腹板局部稳定验算 仅配置横向加劲肋的腹板（右图），其各区格的局部稳定应按下式计算：式中：s所计算腹板区格内，由平均弯矩产生的腹板计算高度边缘的弯曲压应力s=M hc/I， hc为腹板弯曲受压区高度。 t所计算腹板区格内，由平均剪力产生的腹板平均剪应力t=V/(hw tw)，hw为腹板高度。 sc腹板计算高度边缘的局部压应力sc =F /(lz tw) scr、tcr、sc,cr各种应力单独作用下的临界应力，计算如下：a. 按下列公式计算：当时： 当时： 当时： 式中：用于腹板受弯计算时的通用高厚比；当梁受压翼缘扭转受到约束时： 当梁受压翼缘扭转未受到约束时：梁腹板弯曲受压区高度。b. 按下列公式计算：当时： 当时： 当时： 式中 用于腹板受剪计算时的通用高厚比。当时： 当时： c. 计算当时： 当时： 当时： 式中 用于腹板受压计算时的通用高厚比。当时：当时： 同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强的腹板（如图所示），其局部稳定性应按下列公式计算：()() 受压翼缘与纵向加劲肋之间的区格()：式中scr1、tcr1、sc,cr1的计算公式同scr、tcr、sc,cr，只要将scr式中的lb改为lb1，将tcr式中的h0改为h1，将sc,cr式中的lc改为lc1，lb1、lc1分别如下：当梁受压翼缘扭转受到约束时： 当梁受压翼缘扭转未受到约束时：受拉翼缘与纵向加劲肋之间的区格()： 式中s2所计算区格内由平均弯矩产生的腹板在纵向加劲肋处的弯曲压应力；sc2腹板在纵向加劲肋处的横向压应力，取0.3sc。scr2、tcr2、sc,cr2的计算公式同scr、tcr、sc,cr，只要将scr式中的lb改为lb2，将tcr、sc,cr式中的h0改为h2，lb2如下： 在受压翼缘与纵向加劲肋之间设有短加劲肋的区格（如图所示），可按相关规范计算（略） 腹板加劲肋的构造要求 a. 加劲肋宜在腹板两侧成对配置，也允许单侧配置，但支承加劲肋和重级工作制吊车梁的加劲肋不应单侧配置。 b. 加劲肋可以采用钢板或型钢，应有足够的刚度，使其成为腹板的不动支承。 c. 横向加劲肋的最小间距为0.5h0，最大间距为2h0（对无局部压应力的梁，当h0/tw100时，可采用2.5h0）。d. 在腹板两侧成对配置的钢板横向加劲肋，其截面尺寸应按下列公式确定： 外伸宽度bsh0/30+40 (mm) 厚度tsbs/15 (mm) 若在腹板一侧配置的钢板横向加劲肋，其外伸宽度应大于按上式算得的1.2倍，厚度应不小于其外伸宽度的1/15。tsbs/15xbsh0/30+40mmbs/2(60)bs/3(40)ya1=0.75h10.5h0a2h0(2.5h0)h0h2h1=(1/51/4) h0纵向加劲肋横向加劲肋短加劲肋a1a1a1 e. 在同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强的腹板中，横向加劲肋的截面尺寸除应符合上述规定外，其对腹板水平轴的截面惯性矩Iz，应满足下式的要求：；纵向加劲肋对腹板竖直轴的截面惯性矩Iy应满足下式的要求：当时，当时，f. 当配置短加劲肋时其最小间距为0.75h1。钢板短加劲肋的外伸宽度应取为横向加劲肋外伸宽度的0.71.0倍，厚度不应小于短加劲肋外伸宽度的1/15。 g. 为了避免焊缝的集中和交叉以及减小焊接应力，焊接梁的横向加劲肋与翼缘连接处，应切成斜角如右图，其宽度约为bs / 3(40 mm)，高约为bs /3 ( 60mm)；在纵横向加劲肋交接处纵加劲肋也采用切角。 h. 吊车梁横向加劲肋上端应与上翼缘刨平顶紧（当为焊接吊车梁时应焊牢），中间横向加劲肋下端不应与受拉翼缘焊牢，一般在距受拉翼缘50100mm处断开，为提高抗扭刚度，也可另加短角钢与加劲肋下端焊牢，但抵紧于受拉翼缘而不焊。 梁截面沿长度改变设计梁截面沿长度改变可节约钢材，其变化有两种方式：一种式变化梁高，通常是将梁下翼缘做成折线外形，翼缘截面保持不变，仅在靠近梁端l/6l/5处变化腹板高度；另一种是变化翼缘板面积来改变梁面积，通常是改变翼缘板的宽度来实现，约在距离两端支座l/6处。 焊接梁节点设计梁的拼接节点包括工厂拼接和工地拼接，前者多为焊接，后者可采用焊接或螺栓连接。主次梁连接节点多为铰接连接，按其连接位置可分为叠接和平接。前者构造简单，次梁安装方便，但建筑高度较大，使用常受到限制；后者构造相对较为复杂，需将次梁的上翼缘和部分腹板以及下翼缘的局部切除，建筑高度小，安装精度高。3、实腹式轴心受压构件设计步骤 截面尺寸的确定假定柱的长细比 查得j确定所需截面面积 根据和可求得 、型钢截面： 由As、和查表组合截面：截面高度和宽度分别为：由局部稳定条件确定厚度t： 由面积可翼缘板厚度tw ， 验算强度 当截面无削弱时，强度可不必验算整体稳定 局部稳定刚度 4、格构式轴心受压构件设计步骤 由绕实轴整体稳定，选择肢件截面规格假定 ly=60100查得fy确定所需截面面积 根据l0y可求得 由 As和， 选择肢件； 由绕虚轴整体稳定，选择肢件间距：缀条柱：；缀板柱：根据可求得 则 验算（同实腹式，只是将局部稳定改为肢件的单肢稳定验算） 缀材设计缀材受力：缀条设计：将缀条与肢件简化为平行弦桁架，计算出缀条的内力，后按轴压构件进行强度和稳定验算。缀板设计：将缀板与肢件简化为单跨多层刚架，计算缀板的内力，后按受弯构件进行强度和连接计算。 铰接连接 刚接连接柱顶支承梁的构造5、柱节点设计 柱头设计柱头的作用是将梁格体系上的荷载传给平台柱，一般情况下只承受梁传给柱的压力，柱头按梁柱之间的连接形式可分为柱顶支承梁的构造和柱侧支承梁的构造形式，明确这两种构造的传力路线和构造。 铰接连接 刚接连接柱侧支承梁的构造 柱脚设计柱脚的作用是将柱固定于基础，并把柱的内力传给基础，可设计成刚接也可设计成铰接形式。重点掌握铰接柱脚的传力路线和构造要求。四、典型例题例1：有一平台的梁格布置如图所示。铺板为预制钢筋混凝土板，焊于次梁上。平台永久荷载（包括铺板重量）为，荷载分项系数为1.2；可变荷载为，荷载分项系数为1.4。钢材采用Q345钢，用E50型焊条，手工焊。要求： 选择次梁截面； 选择主梁（焊接组合梁）截面，计算梁的强度时不考虑截面塑性变形的发展。图1 梁格布置 图2 次梁计算简图解： 次梁次梁的计算简图如图2所示。先暂不考虑次梁自重。次梁上的均布荷载为跨中最大弯矩： 需要截面抵抗矩：截面选取用I28a，其截面特性为：，腹板厚度，自重为。考虑梁自重后，最大弯矩为：最大剪力：抗弯强度验算：剪应力验算： 支座处局部压应力验算：支座反力为151.4kN。假定支承长a=15cm，由型钢表查得，局部压应力为因有铺板密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连，能阻止受压翼缘的侧向位移，故不必验算整体稳定。挠度验算：均布荷载标准值为因此，次梁能满足强度和刚度的要求。图3主梁计算简图 主梁1) 截面选择主梁的计算简图如图3所示。次梁传来的集中荷截 最大弯矩（不含主梁自重）：最大剪力（不含主梁自重）：需要的截面抵抗矩（因翼缘板厚度为20cm，所以）梁的最小高度，根据表得刚度要求，查表得：梁的经济高度：取腹板高：。腹板厚度：取腹板厚度：=10mm。所需翼缘面积：取上、下翼缘宽度：b=320mm，厚度t =20mm；翼缘面积：受压翼缘自由外伸宽度b与其厚度t之比：因此受压翼缘的局部稳定能保证。2) 跨中截面抗弯强度验算梁的截面积：梁单位长度的自重为：取自重的荷载分荐系数为1.2，并考虑加劲肋等重量采用构造系数1.2，因此梁自重的荷载设计值为：梁的支座反力即最大剪力：跨中最大弯矩：截面特性：抗弯强度验算：3) 整体稳定验算次梁为主梁的侧向支承，故主梁受压翼缘的自由长度等于200cm，与梁受压翼缘宽度之比；因此梁的整体稳定有保证。4) 梁的截面改变本例题采用改变翼缘宽度的方法以改变梁的截面。截面改变处离支座距离x取为：截面改变处的弯矩M1和剪力V1为：需要的截面抵抗矩需要的翼缘面积取翼缘宽度16cm，厚度2cm，面积，大于25.6cm。变截面处强度验算支座处剪应力验算5) 刚度验算近似地按等截面梁计算。集中荷载标准值：均布荷载标准值：图4主梁的剪力和弯矩图 图5主梁施工图6) 翼缘和腹板的连接焊缝采用直角角焊缝。所需焊脚尺寸采用。7) 腹板局部稳定验算和加劲肋设计（图4、5）： 参考教材例题。 梁的支座采用突缘支座形式，支承加劲肋截面采用。计算支承加劲肋在腹板平面外的稳定性，其有效截面积如图6中阴影线所示。图6 加劲肋布置图，查表得 支座加劲肋端部刨平顶紧。其端面承压应力：支座加劲肋与腹板用直角角焊缝连接，焊缝的焊脚尺寸取 。主梁的施工图如图5示。例2：详教材例2-4。五、思考题及习题 1、平台钢结构中梁格布置的形式和特点？2、平台铺板中采用压型钢板和混凝土组合楼板时，各有几种构造形式？如何受力？3、如何确定组合梁的截面高度？4、试述组合梁的设计步骤。5、组合梁腹板加劲肋有哪几种形式，如何设置？要满足哪些构造要求？6、试分析实腹轴压柱截面设计的步骤及截面验算内容。7、试分析格构轴压柱截面设计的步骤及截面验算内容。8、一钢平台主梁为两端简支组合工字梁，荷载形式如下图所示，梁材料选用Q235，l=15m，均布荷载设计值q=10kN/m，集中荷载设计值F=350kN，梁上有4个侧向支撑点在集中荷载作用处，梁允许挠度为l/400。试设计梁截面，并进行梁强度、刚度和整体稳定验算。9、一钢结构平台次梁为两端简支型钢梁，截面形式为工字钢，梁材料选用Q235，跨度l=5m，梁上作用均布荷载，其中永久荷载标准值gk=4kN/m，活荷载标准值qk=10kN/m，允许挠度为l/250。试选择梁截面，并进行强度、刚度和整体稳定验算。10、设计一平台钢结构轴心受压实腹柱，柱截面采用焊接组合H形，翼缘为火焰切割边，钢材为Q345，已知柱轴心压力N2000kN（包括自重），计算长度l0x=8m，l0y=4m。第三章 轻型门式刚架设计一、目的和要求1、了解门式刚架特点及适用范围。2、掌握门式刚架的结构体系和支撑体系的作用、具体布置及构造。3、掌握实腹式檩条的计算和构造要求。4、掌握门式刚架的具体设计过程。5、了解维护结构的连接构造和计算。二、重点和难点1、门式刚架结构支撑体系的作用及其种类和具体布置。2、门式刚架的设计和计算。三、内容提要1、门式刚架结构形式及支撑体系门式刚架分为单跨、双跨、多跨以及带挑檐的和带毗屋的刚架等形式。刚架支撑体系包括柱间支撑和屋面支撑，其布置要满足相应的构造要求，具体详教材。2、檩条设计钢檩条一般采用单跨简支，有实腹式和桁架式两大类，前者构造简单，安装及制造方便，常用于36m跨度的情况；后者多用于跨度较大（6m）的情况下。薄壁型钢是最常用的实腹式檩条，通过檩托与屋架上弦连接，垂至于屋架坡度放置，在竖向荷载作用下为双向受弯构件，其强度验算公式为冷弯薄壁型钢： 热轧型钢： 当屋面与檩条有可靠连接，能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可不计算整体稳定性，否则按下式验算檩条整体稳定性热轧型钢：冷弯薄壁型钢： 同时还要满足挠度要求，当有拉条时，验算公式为为给檩条提供侧向支承，减小檩条沿屋面坡度方向的跨度，减少檩条在施工和使用阶段的侧向变形和扭转，在檩条间设置拉条或撑杆，其布置原则如下：当檩条跨度大于4m时，应在檩条间跨中位置设置拉条。当檩条跨度大6m时，应在檩条跨度三分点处各设置一道拉条。应在屋脊或檐口处设置斜拉条和直撑杆，当屋盖有天窗时，应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆。拉条通常用圆钢做成，圆钢直径不宜小于10mm。圆钢拉条可设在距檩条上翼缘13腹板高度范围内。当在风吸力作用下檩条下翼缘受压时，屋面宜用自攻螺钉直接与檩条连接，拉条宜设在下翼缘附近。为了兼顾无风和有风两种情况，可在上、下翼缘附近交替布置。3、刚架设计步骤和过程 荷载计算永久荷载：包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。 可变荷载：屋面活荷载:0.5kN/m2(A60m2)；0.3kN/m2(A60m2) 屋面雪荷载和积灰荷载吊车荷载:竖向荷载和（横向、纵向）水平荷载地震作用风荷载：垂至于建筑物表面 荷载组合刚架荷载组合分为无震组合和有震组合，具体详见教材。 刚架截面设计 内力计算原则： 根据不同荷载组合下内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。 刚架控制截面的内力组合主要有：最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值。 最大弯矩Mmax和同时出现的V及N的较大值。 最小轴压力Nmin和相应的M及V，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M=0。 构件验算 节点设计 梁柱连接及拼接节点：梁柱连接可采用端板竖放、端板横放和端板斜放三种形式，按其所受最大内力设计，一般采用高强度螺栓连接，通常采用M16M24。斜梁拼接处应采用将端板两端伸出截面高度范围以外的外伸式连接，并使得翼缘内外的螺栓中心和翼缘中心重合或接近，与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。 门式刚架柱脚 宜采用平板式铰接柱脚，必要时，可采用刚接柱脚。柱脚螺栓不宜用于承受柱底剪力，应另外设置抗剪键承受。四、思考题1、轻钢结构的适用范围? 2、轻钢结构的支撑体系有哪些组成？3、轻型门式刚架适用范围如何？4、轻型门式刚架的柱间支撑如何布置？5、轻型门式刚架的屋面水平横向支撑如何布置？6、隅撑的设置及设计？7、在檩条间设置拉条或撑杆，有哪些的布置原则？ 8、轻型门式刚架设计时，荷载组合应考虑哪些原则？9、刚架设计的主要内容及过程？10、刚架节点设计的内容包括哪些？各有哪些构造要求？11、轻型围护结构按构造做法可分为几类？各有什么特点？第四章 多层框架钢结构设计一、目的和要求1、了解钢框架体系的组成，掌握钢框架结构形式的分类及其特点和适用情况。2、了解单层钢框架体系的平面及支撑布置。3、掌握钢框架的设计内容和设计步骤。4、掌握压型钢板混凝土板组合楼盖的设计及构造要求。5、掌握多层多跨框架的设计。6、掌握钢框架结构中压弯构件的设计。二、重点和难点1、钢框架的设计内容和设计步骤。2、多层多跨框架构造及节点计算。3、钢框架结构中压弯构件的设计。4、压型钢板混凝土板组合楼盖的设计及构造要求。三、内容提要1、钢框架结构形式的分类钢框架结构多数由横梁与立柱刚接而成，横向刚度较好，横梁高度也较小，是一种比较经济的结构形式。根据结构受力特征，钢框架结构可设计成静定三铰框架、超静定双铰框架和无铰框架；根据结构构件形式不同，钢框架结构有实腹式框架、格构式框架和混合式框架；根据结构的几何外形特征可分为矩形框架、拱形框架、折线形框架、悬臂框架和特殊形框架；根据结构抗侧力体系的不同，钢结构框架可分为纯框架、中心支撑框架、偏心支撑框架和框筒结构。2、钢框架的设计内容和设计步骤 准备设计资料：主要确定工程性质和建筑物安全等级、荷载和作用等。 确定结构平面布置 确定支撑体系的布置 确定框架梁柱截面形式并初估截面尺寸 框架梁、柱线刚度计算及计算长度确定 荷载计算 风荷载和地震作用下的水平侧移验算 荷载作用下的框架内力分析 荷载组合和内力计算 构件及连接设计3、多层多跨框架支撑的类型及布置多层框架结构的支撑体系主要有刚架式支撑和桁架式支撑，前者就是将梁和柱连接全部或局部做成刚接，支撑结构平面布置灵活，但是刚度较小且材料较浪费，一般用于高度较小的多层框架结构中；后者指在多层框架结构中适当布置各种形式的支撑，当对于侧移要求较高时采用。多层框架支撑布置原则是：承受各个方向的水平荷载，保证结构的整体稳定和安装过程中的局部整体稳定，避免结构出现较大的次应力和温度应力；布置时最好与框架主轴对称；当结构平面为正方形时，桁架式支撑可布置在房屋中央和四角，当为长方形时，衣布置在短边两端及中部；沿高度布置时最好上下贯通，若无法贯通时可将支撑移到相邻区格，并搭接一层以利于水平力的传递。4、实腹式压弯构件设计 初选截面（采用试算法）由假定的以及计算 由查附表得，则 计算 由平面内失稳公式计算 计算 由平面外失稳公式计算 由反查出，则 验算强度： 整体稳定 平面内整体稳定： 平面外整体稳定： 单轴对称截面受拉一侧：局部稳定： 翼缘： 工字型：（）；（）箱 型： 腹板：当时， 当时， 刚度：5、楼盖设计楼盖系统由楼面板和梁体系组成，按照楼板形式不同，可分为三种类型：现浇钢筋混凝土组合楼盖、预制钢筋混凝土板组合楼盖和压型钢板钢筋混凝土板组合楼盖。组合梁设计组合梁由钢梁与钢筋混凝土板或组合板构成，钢梁可以采用工字型实腹式截面梁和蜂窝梁，板称作组合梁的翼缘。其基本特点是要求混凝土翼缘板与钢梁共同受力，通过在钢梁上翼缘焊一系列特殊的抗剪连接件保持两者的变形协调，使之作为一个整体受弯构件共同工作。组合梁的主要优点：A、节省钢材；B、降低钢梁的截面高度，提高建筑净高；C、提供梁的刚度；D、有良好的抗震性；E、混凝土楼板或组合板对钢梁形成防绣保护。 组合梁的基本设计原则A、 组合梁按全截面塑性设计，一般不宜承受直接动力荷载；B、 应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计；C、 对于施工时钢梁下不设置临时支撑的组合梁，应分别按施工阶段和正常使用阶段进行两阶段设计；D、 设置混凝土板托的组合梁，计算截面时可近似不考虑板托影响；E、 组合梁必须设置抗剪连接件；F、 组合梁应满足相应的构造要求。 完全抗剪连接组合梁设计A、 组合梁截面尺寸确定混凝土翼板有效宽度bce ： bce=b0+bc1+bc2B、 抗弯强度验算a 正弯矩作用梁段时，；时，b 负弯矩作用梁段， C、 抗弯强度验算假定组合梁截面上全部剪力仅有钢梁腹板承担，则D、 稳定验算组合梁腹板与上翼缘连续地连接成一体，板面内刚度一般较大，可不验算整体稳定。对局部稳定可偏安全地按塑性设计规定验算。E、 抗剪连接件计算连接件主要传递钢筋混凝土板与钢梁之间的纵向水平剪力，并承受当组合梁弯曲时，由于钢梁和混凝土板刚度差异导致在垂至于梁长度方向的掀起作用所产生的向上拉力，从而时其成为一个整体，共同发挥结构作用。连接件形式主要有栓钉、槽钢和弯起钢筋等。主要掌握栓钉连接件的设计。a 栓钉连接件受剪承载力设计值计算b 求承载力折减系数c 连接件数量计算F、 挠度验算 连接组合梁的构造要求 组合板设计保证压型钢板与混凝土能够共同作用，可采取下列措施使压型钢板与混凝土之间的交界面有足够传递纵向剪力而不发生相对滑移：A、依靠压型钢板板面上的压痕或冲压孔；B、依靠压型钢板上焊接的横向钢筋；C、依靠压型钢板的纵向波槽；D、依靠压型钢板板端的焊接锚固件。设计时，应对压型钢板混凝土组合板分别进行施工阶段和使用阶段计算，这两阶段的计算均应按承载能力极限状态验算组合板的强度和按正常使用极限状态验算组合板的变形。此外，压型钢板混凝土组合板应满足相应的构造要求。6、框架节点构造及计算 梁与梁的拼接连接梁的拼接节点一般设在内力较小的位置，工厂拼接时多采用翼缘和腹板完全焊透的对接焊缝连接，工地拼接时采用翼缘和腹板借助拼接板的角焊缝连接，也可采用翼缘和腹板的高强度螺栓连接。计算时，梁翼缘承担弯矩，腹板承担弯矩和剪力，弯矩的分配按各自刚度成比例分配；实际应用中采取简化设计，弯矩由翼缘承担，剪力由腹板承担。 主次梁的连接为了最大程度保持建筑的净空高度，主次梁连接多采用侧面连接，分为铰接和刚接两种形式。 次梁与主梁的叠接（铰接） 次梁与主梁的叠接（刚接）次梁与主梁的平接（铰接）次梁与主梁的平接（刚接） 柱与柱的拼接连接柱与柱的拼接连接节点一般位于距楼板顶面1.11.3m处，型钢和H形截面柱的连接方式由两种：一是翼缘采用完全焊透的坡口对接焊缝连接，腹板采用高强度螺栓连接，二是翼缘和腹板均采用高强度螺栓连接；箱形或管形截面采用完全焊透的坡口对接焊缝连接。柱拼接计算方法有等强度设计法和实用设计法两种。前者是按被连接的柱翼缘和腹板净截面面积的等强度条件来设计，多用于抗震设计或按弹塑性设计中柱的连接，以确保结构的连续性、强度和刚度，如采用完全焊透的坡口对接焊缝；后者是以连接处柱翼缘和腹板各自的截面面积分担作用在拼接连接处的轴心压力，柱翼缘同时承受轴向压力和绕强轴的全部弯矩，而腹板同时承受轴向压力和全部剪力来设计。 梁柱连接梁柱连接采用柱贯通型连接形式，按梁对柱的约束刚度可分为三类：铰接连接、半刚性连接和刚性连接，简化计算是假定完全铰接和完全刚性两种。梁支承于柱顶的铰接连接梁支承于柱侧面的铰接连接梁与柱的半刚性连接梁与柱的刚性连接铰接形式构造同平台梁柱的连接相同；刚性连接节点构造详见教材，设计要满足以下要求：一是柱承受梁传来的M和V要有足够承载力，二是节点不能产生局部破坏，三是连接节点板域要有足够的承载力和变形能力，四是抗震设计和塑性设计的节点要有充分的塑性变形和吸震能力。刚性连接计算方法有常用计算方法和精确计算法。 支撑与梁柱的连接支撑主要承受侧向水平荷载，通常采用双角钢或双槽钢组合截面、H型截面或箱形截面，可通过节点板与梁柱连接，也借助于焊接在梁柱上的悬臂支撑杆与梁柱连接。支撑与梁柱连接时应按截面等强度条件确定。 柱脚柱脚分为铰接和刚接两类，铰接柱脚仅传递垂直力和水平力，刚接柱脚同时传递垂直力、水平力和弯矩。 铰接柱脚设计铰接柱脚构造铰接柱脚的构造如图所示，其设计内容有底板平面尺寸和厚度、靴梁和肋板尺寸以及连接焊缝，具体如下：A底板尺寸由基础混凝土抗压强度确定式中：N 柱的轴心压力基础所用钢筋砼的局部承压强度设计值锚栓孔的面积B底板厚度由底板抗弯强度确定式中：M1四边支承板弯矩：其中a、 b为短边和长边长度；是系数，由查表求得。M 2三边支承，一边自由板或两邻边支承板弯矩： 其中、为自由板的自由边长或两邻边支承板的对角线长度，两相邻的固定边顶点到的垂直距离；系数，由查表求得。当时，按悬臂长为的悬臂板计算。 M 3一边支承，三边自由板弯矩：其中C为悬臂长度。C焊缝计算焊缝承受柱内力，可采用角焊缝，计算时分成两部分，一是柱与靴梁连接的竖直焊缝，另一是靴梁与底板的水平焊缝，均按柱的轴心力计算。D靴梁计算a靴梁高度由靴梁与柱身间的连接焊缝长度确定，即：由 得 且b靴梁厚度t靴梁通过靴梁与底板的连接焊缝将轴力传给底板，同样靴梁边承受由底面焊缝传来的均布力，且支承于柱边，柱以外部分的靴梁作悬臂处理，计算简图如图所示 且 对上述简支梁，求出梁中最大弯矩和最大剪力，则由 得且同时还应验算抗剪强度，即： E隔板计算隔板所受的荷载为上图阴影部分，且两端支承于靴梁上，计算简图如图所示按上述荷载算出内力后进行抗弯和抗剪验算以及连接焊缝的计算。F锚栓计算 露出式刚接柱脚构造铰接柱脚中不需计算螺栓，按构造设置，一般取锚栓直径为2024mm。 刚接柱脚设计刚接柱脚按构造形式分为露出式柱脚、埋入式柱脚和包脚式柱脚三种，露出式柱脚由底板、加劲肋、锚栓及锚栓支承托座组成；埋入式柱脚直接将钢柱买入钢筋混凝土基础或基础梁的混凝土；包脚式柱脚指按一定的要求将钢柱脚用钢筋混凝土包裹起来。重点掌握露出式刚接柱脚的设计和构造。A底板尺寸假定底板下的压应力成直线分布（见图）式中：N ，M 柱的轴心压力和弯矩。B底板厚度计算同铰接柱脚取C锚栓计算当时，底板与基础开始脱离，从而产生拉应力，而该拉应力的合力正好由锚栓来承担。 得式中：；则锚栓所需要的净截面面积为：式中： 锚栓的抗拉强度设计值。D焊缝计算：同铰接柱脚E靴梁计算a靴梁高度由受力较大一侧柱与靴梁的两条连接焊缝确定得b 靴梁厚度t一般情况下，在受力较大一侧靴梁的悬臂部分比较不利，所以靴梁可按悬臂梁进行计算，计算简图如图所示，从而可求出M 和V抗弯验算： ；抗剪验算： 则靴梁厚度F隔板计算：同铰接柱脚四、典型例题例1：详教材例4-1。例2：详教材例2-3。例3：详教材例2-7。五、思考题及习题 1、钢结构框架根据抗侧力体系的不同，可分为哪几类？各有什么特点？2、钢框架体系中梁间、柱间支撑有哪些主要作用？ 3、在分析计算钢框架结构时，应如何考虑荷载和内力组合？4、在平面钢框架体系中，单榀框架上作用的主要荷载有哪些，一般都采用什么方法分析每种荷载下的内力5、多层多跨框架支撑体系有哪些？各有什么特点？有哪些布置原则？6、多层框架结构的楼盖有哪几种形式？各有什么特点？7、简述多层框架支撑布置原则？8、框架柱计算长度的近似计算有哪些基本假定？9、梁柱设计为刚性连接节点时，应满足什么要求？10、多层多跨钢框架中，梁柱连接一般采用什么样的连接形式，按梁对柱的约束刚度可分为哪三类，试选择一类做构造图。11、柱脚按传力方式可分为哪两类，各有什么特点？试选择其中一类做构造图。12、用分层法计算竖向荷载作用下框架的内力时，其主要计算要点有哪些？13、压型钢板组合楼板中，压型钢板和混凝土之间水平剪力的传递有哪几种形式？14、多层钢框架结构平面不规则的类型有哪些？如何定义？15、多层钢框架结构竖向不规则的类型有哪些？如何定义？16、考虑钢梁和钢筋混凝土板共同作用的梁称为组合梁，其共同受力主要通过连接件来传递，试用简图表示连接件采用栓钉时的组合梁构造要求。17、框架梁长18m，两端铰接，弯矩作用平面外支承点设置如图所示，承受轴心压力N=1000kN，横向荷载F=200kN。材料为Q345，要求选该梁的截面尺寸。第五章 普通钢屋架单层厂房设计一、目的和要求1、了解单层厂房钢结构的组成，掌握其受力体系。2、掌握厂房结构横向框架主要尺寸的确定；了解单层厂房钢结构横向框架梁、柱的形式和应用范围。3、掌握厂房支撑体系的作用和具体设置。4、掌握普通钢屋架的具体设计。5、了解吊车梁的类型和应用范围；掌握吊车梁的荷载计算和内力分析。6、掌握实腹式吊车梁的截面选择和截面验算。7、了解吊车梁的制动结构、支撑和梁柱连接。二、重点和难点1、厂房结构横向框架主要尺寸的确定。2、厂房支撑体系的作用和具体设置。3、吊车梁的设计。三、内容提要1、厂房结构横向框架横向框架体系是厂房最常用也最基本的承重结构，确定框架的主要尺寸有跨度和高度，前者由吊车跨度决定，后者由吊车在厂房运行所需的净高决定。跨度：主要由吊车的跨度确定式中lk吊车跨度；d吊车桥架尾部长度；m吊车与柱之间必要空隙；b框架边柱或中柱的截面高度。高度：指基础顶面到屋架下弦的距离，由吊车所需的净空确定式中h1轨顶至吊车顶的高度，考虑100mm空隙；h2地面至轨顶高度；h3地面至基础高度。横向框架横梁可采用实腹式和桁架式两种，实腹式横梁由三块钢板焊接成工字形截面，两端与柱顶刚接形成门架，其高度约为跨度的1/251/45；桁架式横梁可采用平行弦、梯形和多边形的桁架，端部高度约为跨度的1/101/16；中部高度约为1/81/10。厂房横向框架柱可根据厂房吊车吨位、柱高度分别选用工字形截面柱、均匀变截面柱、台阶式柱和分离式柱。等截面柱及台阶式柱下段的截面高度为车间高度的1/151/20（重级工作制吊车为1/111/17）；上段柱截面高度约为该柱段柱高的1/101/12（重级工作制吊车为1/81/10），若腹板中设有人孔，截面高度800mm；分离式柱中的框架支柱的截面高度为车间高度的1/151/20，吊车支柱的截面高度约为其本身高度的1/15。2、支撑体系 单层厂房的支撑体系包括屋盖支撑和柱间支撑。 屋盖支撑主要是保证屋盖结构的整体稳定，增强屋盖刚度和侧向稳定，并承担和传递屋盖的水平荷载，还便于屋盖的安装与施工。屋盖支撑根据布置的位置分为：A、上弦横向水平支撑：布置在屋盖两端（或每个稳定区段的两端）的两榀相邻屋架的上弦杆之间，位于屋架上弦平面内沿屋架全垮布置，形成平行弦桁架。B、下弦横向水平支撑：与上弦横向支撑同一开间布置，位于屋架下弦平面，构造同上弦。C、下弦纵向水平支撑：位于屋架下弦两端节间处，位于下弦平面，沿房屋全长布置，与横向组成封闭的支撑框架。一般可不设置，仅在有振动荷载时和有托架时用。D、垂直支撑：在上、下弦横向水平支撑同一开间内，形成一个跨长为屋架间距的平行弦桁架。梯形屋架：l 30m，两端和跨中各设一道；l 30m，两端和1/3处共设4道。三角形屋架：l 18m，跨中设一道；l 18m，1/3处共设2道。E、系杆：在未设置横向支撑的开间，相邻屋架由系杆连接，通常在屋架两端，有垂直支撑位置的上下弦节点及屋脊和天窗侧柱位置，沿房屋纵向通长布置，对有檩体系可用檩条代替。 柱间支撑分为两个部分：在吊车梁以上的部分称为上层支撑，吊车梁以下部分称为下层支撑。 下层支撑一般布置在温度区段的中部，温度区段小于90m可在区段中央设置一道柱间支撑；区段长度超过90m，应在长度1/3处各设置一道支撑，支撑形式采用十字交叉形和门式支撑；上柱支撑一般布置在温度区段的两端及有下层支撑的开间中，支撑形式采用十字交叉形、八字形和人字形。柱间支撑在柱侧面上的位置确定如下：等截面柱的上下层柱间支撑以及台阶式柱的上层支撑应布置在柱的轴线上；若有人孔时，则移向两侧布置；在台阶式边列柱的下层支撑，若外缘有大型板材或墙梁等构件牢固连接时，支撑可只沿柱的内缘布置，否则两侧布置；中列柱中，柱两侧均布置下层支撑，之间用杆件联系起来。3、普通钢屋架设计普通钢屋架是指由两个角钢组成的T形和十字形杆件，在杆件汇交处（节点）通过节点板用焊缝连接而成的钢桁架。 屋架形式综合考虑房屋的用途、建筑造型、屋面材料的排水要求、屋架的跨度、荷载的大小等因素，使之符合适用、受力合理、经济和施工方便等原则来选取。 三角形屋架：适用于屋面坡度较大的有檩屋盖结构，i=1/21/3，l=1824m，屋架与柱铰接。 梯形屋架：适用于屋面坡度较小的无檩屋盖结构，i=1/81/6，l36m，屋架与柱可刚接也可铰接。 平行弦屋架：一般用于单坡屋面的屋架及托架或支撑体系。 屋架主要尺寸确定屋架主要尺寸包括屋架的跨度、高度和节间宽度。 跨度 标志跨度l：指柱网轴线间的横向间距，以3m为模数； 计算跨度l0：屋架两端支座反力间的距离。简支于柱上，柱网封闭式： 柱网非封闭式：刚接时：取钢柱内侧面距离。 高度应根据经济、刚度和建筑等要求，以及屋面坡度、运输条件。 最大高度由运输条件和建筑高度确定； 最小高度由屋架容许挠度确定； 经济高度由屋架杆件的总用钢量最少的条件确定。具体取值（估算）： 三角形（跨中）： 梯形（跨中）：梯形（端部）：注：跨度较大（15m的三角形屋架和24m的梯形屋架）的屋架，因较大挠度不满足要求时，可起拱（预先给屋架一个向上的反挠度），以抵消屋架受荷后的部分挠度，起拱高度为跨度的1/500。 屋架杆件的计算长度和l 屋架平面内计算长度普通钢屋架弦杆、支座竖杆和端斜杆的两端节点上压杆多拉杆少，杆件本身线刚度较大，节点的嵌固程度较弱，且考虑杆件的重要性，取；对于其它腹杆，由于一端与上弦杆相连，嵌固作用不大，另一端与下弦杆相连，受拉杆约束作用较大，取。 屋架平面外的计算长度上、下弦杆在屋架平面外的计算长度取屋架侧向支撑点间距离，即；而腹杆取其两端节点间距离，即。 斜平面计算长度对双角钢组成的十字形和单角钢截面，绕斜平面（最小主轴）失稳，取。 屋架杆件的截面选择一般采用两个角钢组成的T形截面和十字形截面，杆件通过夹在角钢中的节点板连接形成，常见的截面上弦杆：无弯矩时，因为，由，要求所以选不等边短肢相连的T形截面；有弯矩时，提高平面内的抗弯承载力，宜采用不等边长肢相连或等边相连组成的T形截面；下弦杆：由强度确定，优先采用不等边短肢相连或等边相连组成的T形截面，刚度大，便于连接；端斜杆：，宜采用不等边角钢长肢相连组成的T形；其它腹杆：，宜用等边角钢相连组成的T形截面。 杆件截面选择原则和节点板厚度确定选择屋架杆件截面时，应注意以下几点：相同A时，选用宽肢薄壁角钢；最小角钢规格：L454或L56364；角钢规格尽量统一；屋架弦杆沿全跨采用等截面，若要采用变截面时，半跨内宜改变一次，保持厚度不变。节点板厚度应有足够强度，以保证弦杆与腹杆的内力能安全地传递。其内力与所连构件内力大小有关，但一般不做计算，同一榀屋架中，取一种厚度，支座可比中间大2mm；梯形屋架根据受力最大腹杆内力确定，三角形屋架按弦杆最大内力确定。 屋架的节点设计节点设计应做到传力明确、可靠，构造简单和制造、安装方便。 节点设计步骤和一般设计原则A布置杆件时，其形心线与桁架几何轴线重合，以免偏心受力，为便于制造取5mm的整数倍；但有截面变化时，保持肢背齐平，两侧角钢形心线中线与桁架几何轴线重合，偏心矩不大（5）以内不考虑其引起的弯矩。B画出杆件的轮廓尺寸并截断：根据各杆轮廓间的最小间距c（焊接动荷载为50mm，静荷载时为20mm；非焊接时为510mm）。C由各杆与节点板的焊缝长度确定节点板尺寸：力求简单，宜优先采用矩形、梯形、平行四边形或至少一直角边的四边形；一斜杆和弦杆相交时，节点板外边缘的坡度要满足相应要求。D节点处的弦杆拼接：E绘制节点大样（比例为1/51/10），确定每一节点上都需标明的尺寸： 节点计算与构造腹杆内力 计算其与节点板的焊缝（hf和lw） 确定节点板形状和尺寸 验算弦杆与节点板的焊缝（具体计算和构造详教材）4、吊车梁的设计 吊车梁上的荷载吊车梁按结构体系分为实腹式、下撑式和桁架式。作用在吊车梁上的荷载有以下几种： 吊车竖向荷载：式中a1竖向轮压动力系数，对轻、中级工作制软钩吊车取1.05，对重级工作制的软钩吊车、硬钩吊车和其他特种吊车取1.1；gQ可变荷载分项系数，取1.4；Fmax吊车每个车轮的最大轮压 由吊车横向制动引起的吊车横向水平荷载式中a2横向水平制动力的动力系数；T1吊车每个车轮的横向水平制动力。吊车横向水平荷载作用在吊车梁顶面水平处，方向与轨道垂直，并考虑正、反两个方向。 由吊车纵向制动引起的吊车纵向水平荷载式中T2吊车每个制动轮的纵向水平制动力，取吊车纵向水平制动力的作用点位于制动轮与轨道的接触点，方向与轨道一致。 制动梁或制动桁架的平台板上的竖向荷载，按工艺资料取用 当吊车梁与辅助桁架还承受屋盖或墙架的荷载时，按实际情况计算注：吊车荷载组合时应考虑以下几点： 计算横向框架时，多台吊车的竖向荷载和水平荷载标准值应乘以折减系数； 考虑多台吊车竖向荷载的组合，对一层吊车的单跨厂房的每个横向框架，参与组合的吊车台数不多于两台；对一层吊车的多跨厂房的每个横向框架，不多于四台； 考虑多台吊车的水平荷载组合，对于单跨和多跨厂房的每个横向框架，参与组合的吊车台数不应多于两台，对于多层吊车的单跨或多跨厂房的每个横向框架，参与组合的吊车台数级荷载的折减系数应按实际情况考虑。 吊车梁的内力计算首先用力学方法确定使吊车梁最不利轮位；然后分别计算吊车梁的最大弯矩和剪力。 焊接实腹式吊车梁的截面选择吊车梁截面选择同一般组合梁，比一般焊接梁多验算了疲劳强度。 焊接实腹式吊车梁的截面验算吊车梁截面强度、刚度和稳定性验算同一般组合梁，除此之外，对重级工作制吊车，还应验算其疲劳强度，验算时只考虑一台荷载最大的吊车标准荷载，并不计动力系数。对梁受拉翼缘和腹板的连接焊缝及其附近的主体金属按下式验算：；式中smax 每次应力循环中最大拉应力（拉应力为+）；smin 每次应力循环中最小拉应力或压应力（拉为+，压为-）；c、b为疲劳计算系数，可查表。四、思考题及习题1、单层钢结构厂房中，其风荷载如何传到基础？2、单层钢结构厂房中，其吊车荷载如何传到基础？3、单层厂房横向框架的主要尺寸如何确定？4、单层厂房柱间支撑如何设置？5、柱间支撑在柱侧面上如何布置？6、钢屋盖支撑有哪些作用？7、钢屋盖支撑根据布置位置有哪几种？如何布置? 8、吊车梁上有哪些主要荷载？9、在梯形屋架中，杆件在屋架平面内的计算长度如何确定，为什么？10、普通钢屋架杆件的截面形式有哪些？如何选用较合理？11、钢屋架节点板厚度如何确定？12、钢管屋架节点应满足哪些要求？13、试分析屋架上弦一般节点设计的步骤，说明其受力情况并写出相应的计算公式。14、试分析屋架下弦拼接节点设计的步骤，并画出节点示意图。15、试分析屋架简支支座节点的传力，并介绍其计算内容和过程。16、做屋架简支支座节点构造图，并分析其传力路线。17、试分析实腹吊车梁截面设计的步骤及截面验算内容和公式。40