鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

郭小農(nóng)同濟大學(xué)建筑工程系第01章概念設(shè)計提綱1.建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.鋼結(jié)構(gòu)的特點和適用范圍3.建筑鋼結(jié)構(gòu)的材料選用4.建筑鋼結(jié)構(gòu)的荷載5.建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法6.建筑鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系7.建筑鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計第1節(jié)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1發(fā)展歷史20世紀50~70年代：應(yīng)用較少受鋼產(chǎn)量限制，僅用于重型廠房和大跨公建

20世紀80年代以來：飛速發(fā)展，廣泛應(yīng)用

1996年以后，鋼產(chǎn)量世界第一

如：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展如：輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展1.2發(fā)展現(xiàn)狀

應(yīng)用范圍擴張高層建筑體育場館機場航站樓會展中心劇院火車站飛機庫工業(yè)廠房

電視塔

結(jié)構(gòu)體系豐富純框架帶支撐框架框筒網(wǎng)架網(wǎng)殼空間桁架剛架、拱架懸索、張弦梁索膜結(jié)構(gòu)塔桅結(jié)構(gòu)1.2發(fā)展現(xiàn)狀高層建筑1.2發(fā)展現(xiàn)狀金貿(mào)大廈框筒結(jié)構(gòu)；地上88層；地下3層；結(jié)構(gòu)頂高420m；環(huán)球金融中心框筒結(jié)構(gòu)；地上101層；地下3層；結(jié)構(gòu)頂高492m；高層建筑1.2發(fā)展現(xiàn)狀上海中心框筒結(jié)構(gòu)；勁性混凝土柱；地上118層；地下5層；結(jié)構(gòu)頂高580m；高層建筑1.2發(fā)展現(xiàn)狀高層建筑央視大廈框筒結(jié)構(gòu)；兩座傾斜塔樓；懸挑75m；地上52層；地下3層；結(jié)構(gòu)頂高234m；1.2發(fā)展現(xiàn)狀高層建筑同濟綜合樓帶支撐框架；鋼管混凝土柱；粘滯阻尼支撐；地上21層；地下1層；結(jié)構(gòu)頂高98m；1.2發(fā)展現(xiàn)狀多層建建筑同濟土土木樓樓帶支撐撐框架架；H型鋼柱柱；粘滯阻阻尼支支撐；；地上8層；地下1層；1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀體育場場館上海八八萬人人體育育館馬鞍形形；長長軸288m；短軸軸274m；最大大懸挑挑73.5m；空間間結(jié)構(gòu)構(gòu)1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀體育場場館南京奧奧林匹匹克體體育中中心360m跨鋼拱拱+空間梁梁格體體系1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀體育場場館鳥巢馬鞍型型；長長軸332m；短軸軸296m；空間間桁架架結(jié)構(gòu)構(gòu)1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀體育場場館鳥巢結(jié)結(jié)構(gòu)骨骨架24跟桁架架柱；；22榀桁架架梁；；1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀體育場場館水立方方長寬177m；高度度31m；空間間剛架架結(jié)構(gòu)構(gòu)1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀體育場場館水立方方結(jié)構(gòu)構(gòu)體系系1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀機場航航站樓樓浦東國國際機機場張弦梁梁結(jié)構(gòu)構(gòu)；最最大跨跨度83m1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀機場航航站樓樓浦東國國際機機場1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀機場航航站樓樓浦東國國際機機場張張弦梁梁吊裝裝1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀機場航航站樓樓重慶江江北機機場桁架結(jié)結(jié)構(gòu)；；最大大跨度度90m1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀機場航航站樓樓重慶江江北機機場1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀機場航航站樓樓成都雙雙流機機場曲線型型空間間鋼管管桁架架1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀會展中中心上海國國際會會議中中心單層網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)；；大球直直徑48m；小球直直徑37m；桿件為為矩形形管；；鑄鋼節(jié)節(jié)點；；1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀會展中中心廣州國國際會會展中中心張弦立立體桁桁架結(jié)結(jié)構(gòu)，，跨度度127m1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀會展中中心1.2發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀會展中中心世博軸軸陽光光谷單層網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)；；倒喇叭形；高度約42m；1.2發(fā)展現(xiàn)狀劇院平面尺寸100m*90m；正交空間桁架結(jié)結(jié)構(gòu)；上海大劇院1.2發(fā)展現(xiàn)狀劇院橢球面雙層空腹肋肋環(huán)形網(wǎng)殼；長軸軸212m；短軸142m；國家大劇院1.2發(fā)展現(xiàn)狀劇院1.2發(fā)展現(xiàn)狀火車站草帽形空間結(jié)構(gòu)；；圓形平面；直徑徑270m；上海南站1.2發(fā)展現(xiàn)狀火車站新武漢火車站1.2發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)廠房中國船舶館1.2發(fā)展現(xiàn)狀電視塔廣州電視塔結(jié)構(gòu)高450m；總高度610m；1.2發(fā)展現(xiàn)狀電視塔廣州電視塔結(jié)構(gòu)體體系1.3發(fā)展趨勢第2節(jié)特點和適用范圍2.1特點1.輕質(zhì)高強，材性均均勻穩(wěn)定；2.工業(yè)化程度高，施施工周期短；3.密閉性好；4.塑性好；抗震及抗抗動力性能好；5.穩(wěn)定性問題突出；；6.耐火性較差；7.易腐蝕；8.單價高。2.1特點1.輕質(zhì)高強2.1特點4.塑性變形能力好2.1特點7.耐火性較差2.1特點7.耐火性較差2.1特點7.耐火性較差2.2適用范圍A）恒載占比越大，采用鋼鋼結(jié)構(gòu)越合理。B）強震地區(qū)（地震作用小小，延性好）C）勞動力價格高（（工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)現(xiàn)場勞動力少）D）軟土地基（基礎(chǔ)礎(chǔ)耗資小）E）大跨、超高結(jié)構(gòu)構(gòu)（結(jié)構(gòu)效應(yīng)函數(shù)數(shù)值大）第3節(jié)材料選用3.1結(jié)構(gòu)用鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q235低合金高強度結(jié)構(gòu)構(gòu)鋼：Q345、Q390、Q420高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼鋼：GJZ向鋼：Z15、Z25耐候鋼：NH鋼材代號屈服強度數(shù)值(MPa)質(zhì)量等級(四級)脫氧方法Q235屈服強度2350~16mm:23516~40mm:22540~60mm:21560~100mm:195A無沖擊韌性規(guī)定冷彎試驗需方要求時提供F

(沸騰鋼)b

(半鎮(zhèn)靜鋼)Z

(鎮(zhèn)靜鋼)B規(guī)定20℃沖擊功Ak≥27J提供冷彎試驗合格證書C規(guī)定0℃沖擊功Ak≥27J提供冷彎試驗合格證書Z

(鎮(zhèn)靜鋼)D規(guī)定-20℃沖擊功Ak≥27J提供冷彎試驗合格證書TZ

(特殊鎮(zhèn)靜鋼)3.1結(jié)構(gòu)用鋼3.1結(jié)構(gòu)用鋼鋼材代號屈服強度數(shù)值(MPa)質(zhì)量等級(五級)脫氧方法Q345屈服強度3450~16mm:34516~35mm:32535~50mm:29550~100mm:275A級無沖擊韌性規(guī)定冷彎試驗需方要求時提供Z(鎮(zhèn)靜鋼)B級規(guī)定20℃沖擊功Ak≥34J提供冷彎試驗合格證書C級

規(guī)定0℃沖擊功Ak≥34J提供冷彎試驗合格證書TZ(特殊鎮(zhèn)靜鋼)D級

規(guī)定-20℃沖擊功Ak≥34J提供冷彎試驗合格證書E級

規(guī)定-40℃沖擊功Ak≥27J提供冷彎試驗合格證書3.1結(jié)構(gòu)用鋼鋼材代號屈服強度數(shù)值(MPa)質(zhì)量等級(五級)脫氧方法Q345GJ0~16mm:34516~35mm:34535~50mm:33550~100mm:325B級規(guī)定20℃沖擊功Ak≥34J提供冷彎試驗合格證書Z

(鎮(zhèn)靜鋼)C級規(guī)定0℃沖擊功Ak≥34J提供冷彎試驗合格證書D級規(guī)定-20℃沖擊功Ak≥34J提供冷彎試驗合格證書TZ

(特殊鎮(zhèn)靜鋼)E級規(guī)定-40℃沖擊功Ak≥34J提供冷彎試驗合格證書3.1結(jié)構(gòu)用鋼【例01】某車間用鋼牌號選選擇某工業(yè)廠房生產(chǎn)車車間；重型吊車；強腐蝕環(huán)境；柱截面為H型；翼緣厚度為50mm；梁柱連接節(jié)點如下下圖；最低溫度零下20度；最終設(shè)計選用的鋼鋼種：Q345GJCNHZ253.1結(jié)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)的重要性荷載特征結(jié)構(gòu)形式應(yīng)力狀態(tài)連接方法鋼材厚度工作環(huán)境鋼材選用應(yīng)考慮的因素3.2強度選擇1）變形控制選低強度等級如跨度大荷載輕的的簡支梁；2）強度控制選高強度等級如樓面梁，有鋪板板時，強度可充分分發(fā)揮；3）長細比控制或應(yīng)力水平較低選選低強度等級如網(wǎng)架的腹桿；4）施工條件差選較低強度等級3.3沖擊韌性選擇影響因素結(jié)構(gòu)重要性μ1荷載狀況μ2連接狀況μ3使用溫度μ4選擇因子數(shù)值類別三類靜力全螺栓、無焊接不低于0℃1二類一般動力大部分工廠焊、工地螺栓不低于-20℃2一類疲勞動力大部分現(xiàn)場、高空焊不低于-40℃3表1-1選擇鋼材沖擊韌性性指標的影響因素素及選擇因子μ=μ1×μ2×μ3×μ4選擇因子之積μ23～1618～2424～54>54材料等級ABCDE表1-2選擇因子之積μ與材料沖擊韌性指指標的關(guān)系表3.3沖擊韌性選擇【例02】呼倫貝爾藝術(shù)館重要建筑；鋼框架架結(jié)構(gòu)；梁柱節(jié)點為栓焊連連接；承受靜力荷載；最低溫度零下50度；第4節(jié)荷載與荷載組合4.1風(fēng)荷載主體結(jié)構(gòu)圍護結(jié)構(gòu)【注意點1】陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)振系系數(shù)【思考】陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)振系系數(shù)有何不同？計計算墻板和墻梁時時，應(yīng)采用陣風(fēng)系系數(shù)還是風(fēng)振系數(shù)數(shù)？4.1風(fēng)荷載【注意點2】對風(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)四面開敞及雙面開開敞的屋面外挑雨棚等要考慮體型系數(shù)變變號的情況4.1風(fēng)荷載4.1風(fēng)荷載4.1風(fēng)荷載4.2雪荷載【注意點】積雪的不均勻分布布雙坡屋面四坡屋面4.2雪荷載【例03】不均勻積雪對某門門式剛架結(jié)構(gòu)的影影響雙坡單脊；門式剛剛架結(jié)構(gòu)；柱腳鉸鉸接；柱頂剛接；；不均勻積雪的影響響？4.2雪荷載【例04】某兩連跨網(wǎng)殼的積積雪某雙跨拱形網(wǎng)殼；；兩跨間積雪分布系系數(shù)如何取值？4.2雪荷載4.2雪荷載4.2雪荷載4.2雪荷載4.3覆冰荷載出現(xiàn)在濕度大、風(fēng)風(fēng)速低、溫度低的的區(qū)域覆冰后構(gòu)件截面增增加，加大擋風(fēng)面面積《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范范》GB50135-20064.4溫度作用建筑結(jié)構(gòu)的絕對溫度作用工作環(huán)境溫度與結(jié)結(jié)構(gòu)合龍溫度之最最大差值溫度分區(qū)與溫度應(yīng)應(yīng)力釋放（與約束束的關(guān)系）結(jié)構(gòu)合龍溫度的選選擇預(yù)應(yīng)力構(gòu)件（索））對溫度的敏感性性建筑結(jié)構(gòu)的相對溫度作用同一結(jié)構(gòu)或部件、、同一結(jié)構(gòu)同時處處于不同的溫度場場（室內(nèi)外、向陽與與背陽）4.4溫度荷載【例05】柱間支撐布置某門式剛架的縱向向柱列，柱間支撐撐布置方式如下，，哪種方式更好？？4.4溫度荷載【例06】某大尺寸平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)某平臺鋼結(jié)構(gòu)，長長150m，次梁兩端鉸接；；工作溫差較大；；計算發(fā)現(xiàn)，兩邊主主梁應(yīng)力比超限，，加大截面也不能能降低應(yīng)力比；試分析其原因和解解決辦法？4.4溫度荷載【例07】某空間結(jié)構(gòu)某空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，，周邊支承；工作溫差較大；計算發(fā)現(xiàn)，底邊鋼鋼圈梁應(yīng)力比超限限，加大截面也不不能降低應(yīng)力比；；試分析其原因和解解決辦法？4.5地震作用盡可能減小非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重量提高鋼結(jié)構(gòu)的延性變形（材料、節(jié)點點）能力利用一切附加因素素加大阻尼，提高耗能能力第5節(jié)設(shè)計方法5.1設(shè)計方法5.2極限狀態(tài)表達式1）非抗震設(shè)計承載能力極限狀態(tài)表達式2）抗震設(shè)計小震大震可變荷載控制永久荷載控制5.2極限狀態(tài)表達式1）非抗震設(shè)計正常使用極限狀態(tài)表達式2）抗震設(shè)計小震標準組合準永久組合【例08】列出高層結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的常見荷荷載組合5.2極限狀態(tài)表達式1）非抗震設(shè)計1.2*恒+1.4*活+1.4*0.6*風(fēng)1.2*恒+1.4*0.7*活+1.4*風(fēng)1.35*恒+1.4*0.7*活+1.4*0.6*風(fēng)2）抗震設(shè)計：小小震1.2*重力荷載代表值+1.4*0.2*風(fēng)+1.3*水平地震3）抗震設(shè)計：大大震第6節(jié)結(jié)構(gòu)體系6.1常見結(jié)構(gòu)體系空間桁架剛架、拱架懸索、張弦梁索膜結(jié)構(gòu)塔桅結(jié)構(gòu)門式剛架純框架帶支撐框架框筒網(wǎng)架網(wǎng)殼6.2優(yōu)化設(shè)計方向（1）框架結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)以梁受彎彎，柱受壓彎為主主，它的優(yōu)化主要要是選擇合適的截面；（2）門式剛架結(jié)構(gòu)可以根據(jù)制造分段段及內(nèi)力狀況分段段，每段均為直線線變坡，優(yōu)化構(gòu)件的折線外外形；（3）空間結(jié)構(gòu)使單個構(gòu)件全截面面應(yīng)力趨于均勻，提高強度利用率率。6.2優(yōu)化設(shè)計方向【例09】討論下列各種結(jié)構(gòu)構(gòu)體系的受力性能能。6.3輔助結(jié)構(gòu)與主體結(jié)結(jié)構(gòu)1）兩者共同抵御水水平荷載；2）輔助結(jié)構(gòu)可減小小主體結(jié)構(gòu)的計算算長度；3）輔助結(jié)構(gòu)提高主主體結(jié)構(gòu)的整體性性和剛度；4）輔助結(jié)構(gòu)維持主主體結(jié)構(gòu)在施工過過程中的穩(wěn)定；5）兩者可相互轉(zhuǎn)換換；6）主體結(jié)構(gòu)為輔助助結(jié)構(gòu)提供支座。。第7節(jié)節(jié)點設(shè)計7.1單元的劃分與結(jié)合合1）計算單元元劃分要考考慮計算算精度要要求；2）制作單元元劃分要考考慮便于于制作分分工；3）運輸單元元劃分要考考慮提高高運輸效效率；4）安裝單元元劃分要考考慮安裝裝順序、、安裝設(shè)設(shè)備的能能力和安安裝效率率；5）所有單單元都要要用節(jié)點連接；7.1單元的劃劃分與結(jié)結(jié)合【例10】框架柱的的現(xiàn)場拼拼接點方案A方案B拼接節(jié)點點思考：哪哪種分段段點方案案更合理理？7.1單元的劃劃分與結(jié)結(jié)合【例11】門式剛架架屋面梁梁分段點點某輕型門門式剛架架結(jié)構(gòu)；；跨度24m；屋面梁劃劃分為3段；7.2節(jié)點分類類1）剛接節(jié)節(jié)點A）能可靠靠傳遞內(nèi)內(nèi)力；B）具有連連續(xù)的剛剛度；C）內(nèi)力重重分布能能力（塑塑性鉸））。7.2節(jié)點分類類2）鉸接節(jié)節(jié)點A）對變形形不敏感感；B）桿端可可轉(zhuǎn)動；；7.2節(jié)點分類類【例12】剛架的沉沉降兩種剛架架；坐落于軟軟土地基基；兩柱腳有有不同沉沉降；哪種結(jié)構(gòu)構(gòu)對沉降降更為敏敏感？7.2節(jié)點分類類【例13】某拱形連連廊的設(shè)設(shè)計兩個單體體建筑之之間設(shè)置置有拱形形連廊。。設(shè)計時時，按兩兩鉸拱的的計算簡簡圖進行行