華科土木建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計第一章-n PPT課件

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計 華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)教研室2018年2月 2 0課程介紹 一 結(jié)構(gòu) 由基本構(gòu)件組成 連接 的受力體系二 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程區(qū)別和聯(lián)系 區(qū)別 材料性能 連接 基本構(gòu)件 構(gòu)造要求 理念 知識 方法 對象 共性的節(jié)點和基本構(gòu)件 應(yīng)力設(shè)計 特點 局部 單個 零散 設(shè)計原理 3 結(jié)構(gòu)體系 特點 組成 結(jié)構(gòu)布置 荷載及計算 內(nèi)力計算及組合 理念 知識 方法 對象 具體的結(jié)構(gòu) 概念設(shè)計 特點 承載力 剛度 延性 整體局部整體 結(jié)構(gòu)設(shè)計 構(gòu)件 節(jié)點設(shè)計 施工圖設(shè)計 4 聯(lián)系 原理是從具體結(jié)構(gòu)中抽象出來的 是基礎(chǔ) 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計是設(shè)計原理的應(yīng)用和擴展 二者是設(shè)計中不可分割兩個方面 5 二 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程內(nèi)容 24學(xué)時 32學(xué)時 6 三 設(shè)計課程學(xué)習(xí)和思維方法 學(xué)什么 難點和重點 重視概念設(shè)計 方案設(shè)計 重視每一結(jié)構(gòu)體系的特點 特別是受力特點 組成 結(jié)構(gòu)布置 計算簡圖 設(shè)計步驟和方法 把結(jié)構(gòu)看成構(gòu)件 一棟大廈的結(jié)構(gòu)就是一根懸臂梁 梁的壓應(yīng)力相當(dāng)于柱子的壓力 梁的剪應(yīng)力相當(dāng)于樓中的橫梁的軸力 樓板相當(dāng)于加勁肋 內(nèi)力與應(yīng)力相照應(yīng) 一座桁架大鐵橋就是一根連續(xù)梁 7 8 鋼管適合做二力桿 不宜做抗彎構(gòu)件等 把構(gòu)件看成結(jié)構(gòu) 一個H型鋼構(gòu)件是由三塊板組成 一個鋼管相貫的節(jié)點就是一個空間結(jié)構(gòu) 把握結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的特性 在設(shè)計和生活中學(xué)習(xí)設(shè)計 看到一個建筑物 就要考慮它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系 傳力方式 受力特點 有何優(yōu)點和缺點 加深對結(jié)構(gòu)的理解 注重結(jié)構(gòu)知識的積累 9 蛋殼 海螺殼 燕窩 薄殼結(jié)構(gòu) 肥皂泡 沖氣薄膜結(jié)構(gòu)蜘蛛網(wǎng) 索網(wǎng)結(jié)構(gòu) 蜂窩 鳥巢 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 棕櫚樹 折板結(jié)構(gòu) 樹木 樹狀結(jié)構(gòu) 竹子 筒體結(jié)構(gòu) 向大自然學(xué)習(xí) 自然界是結(jié)構(gòu)大師 只有通過不斷探索 優(yōu)化的相對最優(yōu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有唯一解 10 1概念設(shè)計 概念設(shè)計 在結(jié)構(gòu)選型與布置階段 可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系 破壞機理 震害 試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設(shè)計思想 從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部構(gòu)造措施 主要針對水平荷載 是保證結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良抗震性能的一種方法 選擇對抗震有利的結(jié)構(gòu)方案和布置 采取減少扭轉(zhuǎn)和加強抗扭剛度的措施 設(shè)計延性結(jié)構(gòu)和構(gòu)件 分析結(jié)構(gòu)薄弱部位 并采取相應(yīng)的措施 避免薄弱層過早破壞 防止局部破壞引起連鎖效應(yīng) 避免設(shè)計靜定結(jié)構(gòu) 采取二道防線措施等等 11 什么是概念設(shè)計 1概念設(shè)計 概念設(shè)計 力學(xué)關(guān)系 破壞機理 震害 試驗現(xiàn)象 工程經(jīng)驗 結(jié)構(gòu)選型與布置 全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部構(gòu)造措施 設(shè)計思想 地震 風(fēng) 12 減少扭轉(zhuǎn) 增加抗扭剛度 延性結(jié)構(gòu)和構(gòu)件 避免薄弱層 多道設(shè)防 剛?cè)峤Y(jié)合 承載力 剛度 延性為主導(dǎo) 13 1 概念設(shè)計不僅用于一些大的原則 如確定結(jié)構(gòu)方案 結(jié)構(gòu)布置等 而是貫穿整個設(shè)計過程中 2 不可迷信電腦 應(yīng)做電腦的主人 人的設(shè)計 就是概念設(shè)計 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計不是 規(guī)范 計算 更不是 規(guī)范 一體化計算機結(jié)構(gòu)設(shè)計程序 正確理解 概念設(shè)計是在總體上把握抗震設(shè)計的主要原則 彌補由于地震作用及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的復(fù)雜性而造成抗震計算不正確的不足 抗震計算為建筑抗震設(shè)計提供定量保證 構(gòu)造措施則為保證抗震概念與抗震計算的有效性提供保障 它們是一個不可割裂的整體 概念設(shè)計 結(jié)構(gòu)計算 構(gòu)造措施關(guān)系 14 土木工程師不僅是可靠的應(yīng)力計算者 更應(yīng)該是一個有魄力 足智多謀 能正確判斷事物的設(shè)計者 設(shè)計概念 經(jīng)驗 悟性 判斷力 創(chuàng)造力 結(jié)構(gòu)師專業(yè)素質(zhì) 15 珍惜每一次的設(shè)計機會 無論大小 都是一個完整的有機結(jié)構(gòu) 都應(yīng)激發(fā)自我的挑戰(zhàn)感 創(chuàng)造感和樂趣感 概念 悟性 判斷力和創(chuàng)造力不會憑空而來 都是在每一各工程的概念設(shè)計中 通過自身不斷的反饋 比較 總結(jié)才能逐漸積累和充實 16 1 1鋼結(jié)構(gòu)的適用范圍 鋼結(jié)構(gòu)特點 輕質(zhì)高強 材質(zhì)均勻 穩(wěn)定 生產(chǎn)工業(yè)化程度高 施工周期短 塑性韌性好 密封性好 耐腐蝕性差 耐火性差 單價較高 鋼結(jié)構(gòu)的適用 高 大 重 動 輕 大跨度鋼結(jié)構(gòu)重型廠房鋼結(jié)構(gòu)受動力荷載影響的結(jié)構(gòu)可拆卸的結(jié)構(gòu)高聳結(jié)構(gòu)和高層建筑容器和其他構(gòu)筑物輕型鋼結(jié)構(gòu) 17 1 2鋼材選用 原則 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性 荷載性質(zhì) 靜載或動載 連接方法 焊接 鉚接或螺栓連接 工作條件 溫度及腐蝕介質(zhì) 鋼板的厚度 對于重要結(jié)構(gòu) 直接承受動載的結(jié)構(gòu) 處于低溫條件下的結(jié)構(gòu)及焊接結(jié)構(gòu) 應(yīng)選用質(zhì)量較高的鋼材 注意 焊接結(jié)構(gòu)選用B級以上的鋼材 如Q235B 鋼材強度 剛度控制時 選低等級 強度控制時 選高等級 桿系 如支撐 穩(wěn)定控制時 如長細比控制 選低等級 18 沖擊韌性 質(zhì)量等級 A B C D E Q235無 按選擇因子查表 最高選擇因子 3 3 3 3 81 溫度 20 C 0 C 20 C 40 C 在沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂時所吸收的能量 19 表1 1選擇鋼材沖擊韌性指標的影響因數(shù)選擇因子 表1 2選擇因子之積u與質(zhì)量等級關(guān)系 20 1 3鋼結(jié)構(gòu)荷載 風(fēng)荷載 一般指標準值 由基本風(fēng)壓 風(fēng)振系數(shù) 或陣風(fēng)系數(shù) 體型系數(shù) 及風(fēng)壓高度變化系數(shù)組成 鋼結(jié)構(gòu)對風(fēng)敏感 往往成為控制荷載 吸力和壓力 冰 雪荷載和積灰荷載 冰 雪 積灰的自重荷載 冰凌 是過冷卻的液態(tài)降水 凍雨 碰到地面物體后直接凍結(jié)而成的毛玻璃狀或透明的堅硬冰層 外表光滑或略有隆突 比重 8 8kN m3 注意 雪荷載與屋面活荷載不同時考慮 取兩者中較大者 積灰荷載與屋面活荷載或雪荷載兩者中較大者同時考慮 吊車荷載 豎向荷載應(yīng)乘以動力系數(shù)1 05 吊車工作制A1 A5 或1 1 A6 A8 水平荷載見規(guī)范 21 吊車等級 22 地震荷載 按 抗震設(shè)計規(guī)范 GB50011 2001采用 另見P4 概念措施 采用輕質(zhì)維護材料的板材 提高結(jié)構(gòu)的延性 提高結(jié)構(gòu)和附屬體整體抗震阻尼比 溫度作用 相對不敏感 大跨和超長結(jié)構(gòu)考慮 1 溫差大時 鋼結(jié)構(gòu)安裝要考慮施工時段 2 超出下表中數(shù)值時 應(yīng)考慮溫度應(yīng)力和溫度變形的影響 溫度收縮縫 23 24 1 4鋼結(jié)構(gòu)計算 1 鋼結(jié)構(gòu)的計算 概率極限狀態(tài)設(shè)計法 強度 穩(wěn)定 變形容許應(yīng)力法 疲勞 網(wǎng)殼穩(wěn)定2 承重結(jié)構(gòu)的驗算 25 1 鋼結(jié)構(gòu)的計算概率極限狀態(tài)設(shè)計法 強度 穩(wěn)定 變形容許應(yīng)力法 疲勞 網(wǎng)殼穩(wěn)定2 承重結(jié)構(gòu)的驗算 1 4鋼結(jié)構(gòu)計算 26 圖1 2極限狀態(tài)驗算公式關(guān)系圖 27 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 按1 2 3級取 1 1 1 0 0 9 活載組合系數(shù) 雪載 0 7 積灰 0 9 吊車 0 7或0 95 硬鉤和A8軟鉤 風(fēng)載 0 6 1 永久荷載分項系數(shù)當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時 對可變荷載效應(yīng)控制的組合 應(yīng)取1 2 對永久荷載效應(yīng)控制的組合 應(yīng)取1 35 當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時 一般情況下應(yīng)取1 0 對結(jié)構(gòu)的傾覆 滑移或漂浮驗算 應(yīng)取0 9 2 可變荷載的分項系數(shù) 一般情況下應(yīng)取1 4 對標準值大于4kN m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載標準值應(yīng)取1 3 28 3 結(jié)構(gòu)效應(yīng)一般滿足 1 1 1 3 常遇地震作用時取1 0 此時風(fēng)組合系數(shù)取0 2罕遇地震作用時所有的分項系數(shù)均為1 0正常使用極限狀態(tài)實為廣義變形 線位移 角位移 加速度 沉降 長細比等 4 結(jié)構(gòu)抗力R及正常使用限值C 1 鋼材強度變化 鋼材厚度不同 強度不同 單角鋼受力 整體按軸壓構(gòu)件計算時 強度修正 單角鋼單肢連接時 連接強度修正 地震作用時強度的提高修正 2 正常使用極限狀態(tài)下變形限值C 按GB50017 2003查找 預(yù)拱問題 樓面 屋面 曲梁 懸臂梁等取拱 荷載啟用合適 變形限值應(yīng)通知其它工種的設(shè)計人員 29 1 5結(jié)構(gòu)體系1 5 1結(jié)構(gòu)體系與使用要求結(jié)構(gòu)需滿足建筑功能和空間要求框架結(jié)構(gòu) 住宅 辦公樓門式剛架 輕工廠房空間結(jié)構(gòu) 拱 殼 索 膜或雜交結(jié)構(gòu) 公共建筑1 5 2主體鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方向框架結(jié)構(gòu) 選擇合適的截面 盡可能大的慣性矩和抗彎模量 同時滿足局部穩(wěn)定要求門式剛架 根據(jù)制造分段及內(nèi)力狀況分段確定各段兩端截面的高度和尺寸 一般直線變坡 空間結(jié)構(gòu) 單個構(gòu)件軸心受力 截面尺寸優(yōu)化 整體幾何尺寸或形態(tài)優(yōu)化 找形分析 30 1 5 3輔助結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系主體結(jié)構(gòu) 梁 柱 桁架 拱 殼 索 膜或雜交結(jié)構(gòu)輔助結(jié)構(gòu) 支撐關(guān)系 支撐與桁架或框架結(jié)構(gòu)共同受力 支撐減小主要受力構(gòu)件的計算長度提高結(jié)構(gòu)體系的整體性 提高結(jié)構(gòu)的整體剛度在施工過程中保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)換主體結(jié)構(gòu)是支撐結(jié)構(gòu)的支座 31 1 6節(jié)點設(shè)計1 6 1單元的劃分與結(jié)合計算單元 根據(jù)構(gòu)件的不同種類 計算精度要求制作單元 便于制作分工 提高標準化 機械化 提高工廠化及效率 運輸單元 提高運輸效率 節(jié)約運輸成本 安裝單元 考慮安裝時間過程 空間狀態(tài) 設(shè)備能力 效率 所有的單元用節(jié)點連接成整體 1 6 2節(jié)點分類受力分 剛接 半剛接 鉸接1 剛接 抵抗和傳遞M N V變形連續(xù)極限狀態(tài)下 有一定的塑性變形能力 產(chǎn)生內(nèi)力重分布和抗震耗能 梁與柱剛接 32 2 半剛性連接 有一定的抗彎能力 但抗彎剛度不連續(xù)處理 整體計算時 鉸接 局部分析時 取合適的計算模型 如剛接或承受一半的彎矩等 梁與柱半剛接 梁腹板與翼緣傳遞剪力和部分彎矩 33 梁與柱鉸接 3 鉸接 只承受和傳遞剪力 對結(jié)構(gòu)變形不敏感 類型 銷連接 支座端板的洗平頂緊 專用鉸支座 普通螺栓連接 固定鉸和滑動鉸 1 6 3焊接和螺栓連接1 選擇 塔架 螺栓連接其它 焊接和螺栓并用原則 工廠焊接 現(xiàn)場螺栓連接 盡量避免現(xiàn)場高空焊接 趨勢 工廠化生產(chǎn) 高效率安裝 節(jié)約資源和成本 34 2 焊接和螺栓連接中具體方法及質(zhì)量等級的選擇焊接 疲勞動力荷載 全熔透的一級對接焊縫一般動力荷載 全熔透的二級對接焊縫 并采用引弧板其他 三級對接焊縫或角焊縫螺栓焊接 疲勞 動力荷載 摩擦型高強螺栓一般動力荷載 較大靜力荷載 承壓型高強螺栓或高強度配套螺栓 加防松措施 其他 普通螺栓C級 加防松措施 A B級僅用于單個銷連接且長度可調(diào)的構(gòu)件連接 鑄鋼連接 復(fù)雜節(jié)點 35 補充 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單步驟和設(shè)計思路 1 判斷結(jié)構(gòu)是否適合鋼結(jié)構(gòu)高 大 重 動 輕 體形復(fù)雜 可持續(xù)發(fā)展住宅2 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置 結(jié)構(gòu)方案 1 對結(jié)構(gòu)定性 在經(jīng)驗豐富的工程師下進行 2 概念設(shè)計 在結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置階段尤其重要 3 可避免多次修改和試算 提高設(shè)計效率 36 3 預(yù)估截面 確定梁柱和支撐的斷面與尺寸 梁截面高度通常在跨度的1 20 1 40之間選擇 根據(jù)梁側(cè)向支撐點間的距離 l b 限值確定翼緣寬度 整體穩(wěn)定 根據(jù)局部穩(wěn)定確定翼緣厚度 柱 長細比預(yù)估 通常 簡單選擇在80左右 結(jié)構(gòu)分析 線彈性分析 可考慮二階效應(yīng) 電算或手算 37 工程判定 評估各向周期 總剪力 變形特征等 根據(jù)判定結(jié)果 確定選擇修改模型重新分析還是修正計算結(jié)果 不同的軟件會有不同的實用條件 初學(xué)者應(yīng)充分明了 此外 工程設(shè)計計算與精確的力學(xué)計算通常有一定誤差 為了獲得實用的設(shè)計方法 有時會用誤差較大的假定 但對這種誤差 要通過 適用條件 概念及構(gòu)造 的方式保證結(jié)構(gòu)的安全 這比定量計算更重要 注重概念設(shè)計 工程判定和構(gòu)造措施 38 構(gòu)件設(shè)計材料 強度控制是可選擇 穩(wěn)定和變形控制時 宜選擇 焊接時宜選擇選擇 或 軟件在做構(gòu)件 柱 的截面驗算時 計算長度系數(shù)的取定有時不符合規(guī)范的規(guī)定 對于節(jié)點連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件 應(yīng)該逐個檢查 截面不滿足 強度不足時 通常加大組成截面的板件厚度 其中 抗彎不足加大翼緣厚度 抗剪不足加大腹板厚度 變形超限 通常不應(yīng)加大板件厚度而應(yīng)考慮加大截面高度 39 7 節(jié)點設(shè)計 1 是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的內(nèi)容之一 在分析之前 應(yīng)該對節(jié)點形式有充分的思考和確定 最終設(shè)計的節(jié)點與模型中的形式不完全一致 應(yīng)控制在5 內(nèi) 否則應(yīng)避免 節(jié)點分剛結(jié) 鉸接和半剛接 連接節(jié)點的不同對結(jié)構(gòu)影響較大 有的剛接節(jié)點雖然承受彎矩沒問題 但會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動 不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定 會導(dǎo)致實際變形大于計算數(shù)據(jù)的不利結(jié)果 40 2 設(shè)計方法有等強設(shè)計和實際受力設(shè)計 初學(xué)者可偏安全選前者 3 焊接 對焊縫的尺寸及形式 質(zhì)量等級 規(guī)范有強制規(guī)定 應(yīng)該嚴格執(zhí)行 焊條的選用應(yīng)與被連接金屬材質(zhì)相適應(yīng) E43與Q235 E50對Q345 Q235與Q345連接是選用E43 設(shè)計中不得任意加大焊縫 焊縫重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件接近 質(zhì)量等級不宜要求太高 不要一律按一級或二級質(zhì)量要求 應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性 受力性質(zhì) 焊縫形式 工作環(huán)境及應(yīng)力狀態(tài)等情況區(qū)別對待 41 4 焊接 鉚接很少用 普通螺栓抗剪性能差用在次要結(jié)構(gòu)部位 高強螺栓使用廣泛 分8 8級和10 9級 設(shè)計分承壓型和摩擦型 計算方法不同 最小規(guī)格為M12 常用規(guī)格為M16 M30 自攻螺釘用于板材與薄壁型鋼間的次要連接 42 5 連接板 凈截面抗剪和抗拉計算 連接板厚度可簡單取為梁腹板厚度加4MM 除短梁或有較大集中荷載的梁外 常不須驗算抗剪 6 梁腹板 應(yīng)驗算栓孔處梁腹板的凈截面抗剪 承壓型型還須驗算孔壁局部承壓 7 必