《轻钢结构设计》PPT课件.ppt

1轻钢结构设计轻钢结构设计2轻钢结构设计轻型钢结构体系是指轻型钢结构体系是指“结构构件采用较薄结构构件采用较薄板件，设计时考虑板件局部失稳后的后继板件，设计时考虑板件局部失稳后的后继强度的钢结构体系强度的钢结构体系”。材料：材料：轻型冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高频焊型钢轻型冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高频焊型钢薄钢板、薄壁钢管、轻型热轧钢薄钢板、薄壁钢管、轻型热轧钢连接：连接：拼接、焊接、拼接、焊接、大量采用轻质维护材料的单层或多层轻型大量采用轻质维护材料的单层或多层轻型钢结构建筑钢结构建筑3轻钢结构设计优点：优点：适用范围广，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂适用范围广，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅工厂制作现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需需45天至天至2个月，而若采用钢筋混凝土结构则需要个月，而若采用钢筋混凝土结构则需要812个月左右。个月左右。综合经济效益好综合经济效益好,我国的市场价格，轻钢结构的造价已经我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构低于钢筋混凝土结构抗震性能好抗震性能好,由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。宜于拆卸搬迁。宜于拆卸搬迁。有利于环保，钢结构建筑是对城市环境影响最小的一种有利于环保，钢结构建筑是对城市环境影响最小的一种结构之一，在西方已被广泛采用，有结构之一，在西方已被广泛采用，有“绿色建筑绿色建筑”之称。之称。4轻钢结构设计通常采用通常采用门式结构门式结构以以H形钢，采用焊接连接作为梁柱，形钢，采用焊接连接作为梁柱，以以C形或形或Z形轻钢板作檩条，形轻钢板作檩条，屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也也可以再配钢筋。可以再配钢筋。墙面围护也采用单层或夹层压型钢板，夹层板内墙面围护也采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。部可充填各种保温层。5轻钢结构设计6轻钢结构设计3.1材料材料3.2轻钢屋架的设计轻钢屋架的设计3.3钢管屋架设计钢管屋架设计3.4门式刚架设计门式刚架设计3.5金属拱形波纹屋面金属拱形波纹屋面73.1 轻钢结构采用的材料1.彩色涂层钢板彩色涂层钢板1.压型钢板压型钢板2.H型钢型钢1.形式形式HW、HM、HN2.种类种类热轧、高频焊热轧、高频焊3.冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢83.1 轻钢结构采用的材料93.1 轻钢结构采用的材料103.1 轻钢结构采用的材料113.1 轻钢结构采用的材料123.1 轻钢结构采用的材料133.1 轻钢结构采用的材料143.1 轻钢结构采用的安装153.1 轻钢结构采用的安装163.1 轻钢结构采用的安装173.1 轻钢结构采用的安装参考书目门式刚架轻型房屋钢结构技术规程门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102:2002轻型房屋钢结构应用技术手册轻型房屋钢结构应用技术手册魏潮文魏潮文中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社轻型门式刚架轻型门式刚架张其林张其林山东科学技术出版社山东科学技术出版社18193.2 轻钢屋架设计1.设计规定：设计规定：1.形式与应用形式与应用2.屋架荷载屋架荷载3.屋架内力分析屋架内力分析4.屋架杆件截面的选用屋架杆件截面的选用5.屋架杆件的连接屋架杆件的连接类似普通钢屋架设计203.2 轻钢屋架设计1.设计规定：设计规定：4.屋架杆件截面的选用屋架杆件截面的选用（1）选用原则）选用原则1）截面尺寸确定）截面尺寸确定2）压杆优先选用回转半径大、厚度较薄的截面）压杆优先选用回转半径大、厚度较薄的截面3）受压构件容许长细比要求；）受压构件容许长细比要求；4）三角形屋架）三角形屋架5）一榀屋架中，构件截面规格不宜超过）一榀屋架中，构件截面规格不宜超过67种；种；213.2 轻钢屋架设计1.设计规定：设计规定：4.屋架杆件截面的选用屋架杆件截面的选用（2）截面形式）截面形式1）双角钢组成）双角钢组成T型钢型钢2）大跨屋架中主要杆件可选用热轧）大跨屋架中主要杆件可选用热轧H型钢或高频焊接型钢或高频焊接轻型轻型H型钢型钢3）冷弯薄壁型钢；）冷弯薄壁型钢；223.2 轻钢屋架设计1.设计规定：设计规定：5.屋架杆件的连接屋架杆件的连接（1）喇叭形焊接）喇叭形焊接（2）抽芯铆钉、自攻螺栓、射钉）抽芯铆钉、自攻螺栓、射钉233.2 轻钢屋架设计2.采用角钢或采用角钢或T型钢的三角形屋架型钢的三角形屋架3.采用薄壁型钢的三角形屋架采用薄壁型钢的三角形屋架4.三角拱屋架三角拱屋架5.棱形屋架棱形屋架243.3 钢管屋架设计杆件形式为钢管；杆件形式为钢管；壁薄、强度低；壁薄、强度低；设计应遵循设计应遵循冷弯薄壁型钢结构设计规范冷弯薄壁型钢结构设计规范分析方法同普通钢屋架分析方法同普通钢屋架难点：节点计算与施工，一般可采用卡板连接难点：节点计算与施工，一般可采用卡板连接253.4 门式刚架结构设计主刚架由边柱、刚架梁、中柱等构件组成。主刚架由边柱、刚架梁、中柱等构件组成。边柱和梁通常根据门式刚架弯矩包络图的形边柱和梁通常根据门式刚架弯矩包络图的形状制作成变截面以达到节约材料的目的；状制作成变截面以达到节约材料的目的；263.4 门式刚架结构设计根据门式刚架横向平面承载、纵向支撑提供根据门式刚架横向平面承载、纵向支撑提供平面外稳定的特点，要求边柱和梁在横向平平面外稳定的特点，要求边柱和梁在横向平面内具有较大的刚度，一般采用焊接工字型面内具有较大的刚度，一般采用焊接工字型截面。截面。中柱以承受轴压力为主，通常采用强弱轴惯中柱以承受轴压力为主，通常采用强弱轴惯性矩相差不大的宽翼缘工字钢、矩形钢管或性矩相差不大的宽翼缘工字钢、矩形钢管或圆管截面。圆管截面。刚架的主要构件运输到现场后通过高强度螺刚架的主要构件运输到现场后通过高强度螺栓节点相连。栓节点相连。273.4 门式刚架结构设计283.4 门式刚架结构设计特点特点：1）重量轻，减小构件截面尺寸，降低基础造价）重量轻，减小构件截面尺寸，降低基础造价2）空间布置灵活；）空间布置灵活；3）侧向刚度有保证；）侧向刚度有保证；4）依据弯矩包络图采用变截面设计；）依据弯矩包络图采用变截面设计；5）允许腹板局部失稳；）允许腹板局部失稳；6）竖向荷载为主要控制荷载，可不计地震作用，）竖向荷载为主要控制荷载，可不计地震作用，但需考虑风载作用；但需考虑风载作用；7）可采用张紧圆钢作为支撑；）可采用张紧圆钢作为支撑；8）工厂化制作，工业化程度高。）工厂化制作，工业化程度高。293.4 门式刚架结构设计适用范围适用范围：1）跨度）跨度936m2）柱距）柱距6m3）柱高）柱高4.512m4）吊车起重量小）吊车起重量小303.4 门式刚架结构设计2.结构形式、尺寸、布置结构形式、尺寸、布置：2.1结构形式：结构形式：1）按体系分类：实腹与格构；）按体系分类：实腹与格构；2）按截面分类：等截面与变截面；）按截面分类：等截面与变截面；3）按材料分类：普通型钢、薄壁型钢、钢管等）按材料分类：普通型钢、薄壁型钢、钢管等以实腹变截面为最常用；以实腹变截面为最常用；一般横梁与柱刚接，一般横梁与柱刚接，柱脚与基础铰接柱脚与基础铰接变截面可以适应弯矩变化，节约材料，但加变截面可以适应弯矩变化，节约材料，但加工与制造不便，仅用于大跨结构。工与制造不便，仅用于大跨结构。313.4 门式刚架结构设计2.2建筑尺寸：建筑尺寸：1）跨度：横向框架柱轴线距离。）跨度：横向框架柱轴线距离。936m2）高度：地坪至柱轴线与梁轴线交点高度；）高度：地坪至柱轴线与梁轴线交点高度；3）间距：相邻横向框架柱轴线的间距；）间距：相邻横向框架柱轴线的间距；69m4）门刚尺寸：檐口高度，最大高度，宽、长度）门刚尺寸：檐口高度，最大高度，宽、长度5）屋面坡度：）屋面坡度：1/201/86）柱轴线：柱下段截面中心；工业建筑以外皮）柱轴线：柱下段截面中心；工业建筑以外皮7）梁轴线：最小端中心与横梁上表面平行的轴）梁轴线：最小端中心与横梁上表面平行的轴线线323.4 门式刚架结构设计2.3结构布置：结构布置：1）温度区段长度：）温度区段长度：屋面或墙面采用压型钢板，要求降低；屋面或墙面采用压型钢板，要求降低；一般纵向不大于一般纵向不大于300m，横向不大于，横向不大于150m温度伸缩缝可通过设置双柱，或设置次结构温度伸缩缝可通过设置双柱，或设置次结构及檩条的可调节构造来实现及檩条的可调节构造来实现 333.4 门式刚架结构设计2.3结构布置：结构布置：2）结构构件布置：）结构构件布置：局部抽柱后，应设托架或托梁；局部抽柱后，应设托架或托梁；檩条的布置同单层厂房；檩条的布置同单层厂房；山墙处可以设置斜梁、抗风柱和墙梁及其支山墙处可以设置斜梁、抗风柱和墙梁及其支撑组成山墙墙架撑组成山墙墙架 3）墙架布置：）墙架布置：同单层厂房同单层厂房343.4 门式刚架结构设计2.3结构布置：结构布置：4）支撑布置）支撑布置：使每个温度区段或分期建设的区：使每个温度区段或分期建设的区段建筑能构成稳定的空间结构骨架。段建筑能构成稳定的空间结构骨架。主要原则主要原则：（1）同普通钢结构厂房结构）同普通钢结构厂房结构（2）支撑的间距一般为）支撑的间距一般为30m-40m，不应大于，不应大于60m（3）支撑可布置在温度区间的第一个或第二个开间，）支撑可布置在温度区间的第一个或第二个开间，当布置在第二个开间时，第一开间的相应位置应设当布置在第二个开间时，第一开间的相应位置应设置刚性系杆；置刚性系杆；353.4 门式刚架结构设计2.3结构布置：结构布置：4）支撑布置）支撑布置：（4）当柱子较高导致单层支撑构件角度过大时当柱子较高导致单层支撑构件角度过大时应考虑设置双层柱间支撑；应考虑设置双层柱间支撑；（5）刚架柱顶、屋脊等转折处应设置刚性系杆。）刚架柱顶、屋脊等转折处应设置刚性系杆。结构纵向于支撑桁架节点处应设置通长的刚结构纵向于支撑桁架节点处应设置通长的刚性系杆；性系杆；（6）轻钢结构的刚性系杆可由相应位置处的檩）轻钢结构的刚性系杆可由相应位置处的檩条兼作，刚度或承载力不足时设置附加系杆条兼作，刚度或承载力不足时设置附加系杆。363.4 门式刚架结构设计3内力和侧移计算：内力和侧移计算：1、变截面门刚：、变截面门刚：（1）内力：）内力：一般采用弹性方法，不考虑蒙皮效应；一般采用弹性方法，不考虑蒙皮效应；按平面结构计算，采用结构力学或有限元按平面结构计算，采用结构力学或有限元如要考虑地震作用，采用底部剪力法如要考虑地震作用，采用底部剪力法。（2）侧移：需注意刚架柱顶等效水平力计算）侧移：需注意刚架柱顶等效水平力计算单跨刚架；单跨刚架；多跨钢架；多跨钢架；373.4 门式刚架结构设计3内力和侧移计算：内力和侧移计算：2、等截面门刚：、等截面门刚：对不直接承受动荷载时，应考虑内力重分布，即采对不直接承受动荷载时，应考虑内力重分布，即采用塑性方法设计；（逐级加载找出可能的破坏机构，用塑性方法设计；（逐级加载找出可能的破坏机构，即承载力极限状态即承载力极限状态结构力学）结构力学）静力法静力法逐级加载逐级加载机动法机动法虚位移原理虚位移原理383.4 门式刚架结构设计4杆件截面选择杆件截面选择变截面构件：变截面构件：（1）最大宽厚比）最大宽厚比防止失稳（按规范）防止失稳（按规范）屈曲后的强度利用屈曲后的强度利用中翼缘属于三边支承一边自由板件，一旦发生屈中翼缘属于三边支承一边自由板件，一旦发生屈曲局部失稳，其屈曲后的后继强度不明显；腹板曲局部失稳，其屈曲后的后继强度不明显；腹板属于四边支承板件，局部失稳后的后继强度提高属于四边支承板件，局部失稳后的后继强度提高较多。设计时，一般不允许翼缘发生局部失稳，较多。设计时，一般不允许翼缘发生局部失稳，容许腹板局部失稳并利用其屈曲后强度容许腹板局部失稳并利用其屈曲后强度 393.4 门式刚架结构设计4杆件截面选择杆件截面选择变截面构件：变截面构件：平面内荷载在构件设计中起控制作用平面内荷载在构件设计中起控制作用抗弯能力与强弱轴有关抗弯能力与强弱轴有关稳定设计中，平面内外的稳定性为主稳定设计中，平面内外的稳定性为主（2）变截面柱在刚架平面内稳定计算）变截面柱在刚架平面内稳定计算（3）变截面柱在刚架平面外稳定计算）变截面柱在刚架平面外稳定计算（4）刚架构件强度计算和加劲肋设置规定）刚架构件强度计算和加劲肋设置规定（5）变截面柱柱端受剪承载力验算）变截面柱柱端受剪承载力验算403.4 门式刚架结构设计4杆件截面选择杆件截面选择变截面构件：变截面构件：（6）隅撑设计）隅撑设计防止翼缘受压时失稳，应在受压翼缘两侧设置隅撑防止翼缘受压时失稳，应在受压翼缘两侧设置隅撑413.4 门式刚架结构设计4杆件截面选择杆件截面选择檩条设计：檩条设计：一般选用实腹式构件，需验算下翼缘稳定性一般选用实腹式构件，需验算下翼缘稳定性宜采用卷边槽钢或斜卷边宜采用卷边槽钢或斜卷边Z形冷弯薄壁型钢或直卷形冷弯薄壁型钢或直卷边边Z型冷弯薄壁型钢型冷弯薄壁型钢当屋面坡度大于当屋面坡度大于1/10，或檩条跨度大于，或檩条跨度大于4m，应在，应在跨中设置拉条；当檩条跨度大于跨中设置拉条；当檩条跨度大于6m，应在跨度三，应在跨度三分点处个设置一道拉条。分点处个设置一道拉条。423.4 门式刚架结构设计4杆件截面选择杆件截面选择墙架构件（墙架构件（墙面檩条）墙面檩条）设计：设计：墙面檩条的布置与屋面檩条的布置有类似的考虑原墙面檩条的布置与屋面檩条的布置有类似的考虑原则。则。墙檩的布置首先应考虑门窗、挑檐、遮雨蓬等构件墙檩的布置首先应考虑门窗、挑檐、遮雨蓬等构件和围护材料的要求，综合考虑墙板板型和规格，以和围护材料的要求，综合考虑墙板板型和规格，以确定墙檩间距。确定墙檩间距。墙檩的跨度取决于主刚架的柱距。当柱距过大，引墙檩的跨度取决于主刚架的柱距。当柱距过大，引起墙檩使用不经济时，可设置墙架柱。墙檩的放置起墙檩使用不经济时，可设置墙架柱。墙檩的放置方式一般与门窗匹配。方式一般与门窗匹配。宜采用卷边槽钢或斜卷边宜采用卷边槽钢或斜卷边Z形冷弯薄壁型钢形冷弯薄壁型钢433.4 门式刚架结构设计5节点构造节点构造：拼接拼接443.4 门式刚架结构设计5节点构造节点构造：1）端板连接应按所受最大内力计算；）端板连接应按所受最大内力计算；2）主钢架构件连接应采用高强螺栓（承压、摩擦）；）主钢架构件连接应采用高强螺栓（承压、摩擦）；3）栓距应满足施工要求；）栓距应满足施工要求；4）受压翼缘螺栓不少于两排；）受压翼缘螺栓不少于两排；5）与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚）与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚453.4 门式刚架结构设计5节点构造节点构造：节点域剪力验算节点域剪力验算节点域是指弯剪共同作用的应力情况比较复杂节点域是指弯剪共同作用的应力情况比较复杂的节点区域。节点域板件的过度变形会影响节的节点区域。节点域板件的过度变形会影响节点刚度，从而降低计算模型的准确性，对构件点刚度，从而降低计算模型的准确性，对构件强度和结构变形造成不利影响；未经加强的节强度和结构变形造成不利影响；未经加强的节点域板件在复杂应力下甚至会发生破坏。一般点域板件在复杂应力下甚至会发生破坏。一般通过增加节点域加劲板或额外增加该区域板件通过增加节点域加劲板或额外增加该区域板件厚度来加强节点域承载能力厚度来加强节点域承载能力 463.4 门式刚架结构设计5节点构造节点构造：刚架柱脚刚架柱脚能抵抗弯矩作用的柱脚称为刚接柱脚，相反不能抵抗弯矩作用的柱脚称为铰接柱脚，刚接与铰接的区别在于是否能传递弯矩，在实际工程中，绝对刚接或绝对铰接都是不可能的，确切地说应该是一种半刚接半铰接状态 铰接柱脚一般采用两个锚栓，以保证其充分转动，但有时考虑锚栓质量问题，若一个锚栓质量不保证，会对整个结构受力产生较大影响，所以为安全起见，也可布置四个锚栓，但锚栓尽量接近，以保证柱脚转动。刚接柱脚一般采用四个或四个以上锚栓连接 473.4 门式刚架结构设计5节点构造节点构造：刚架柱脚刚架柱脚锚栓采用Q235或Q345钢制作，分为弯钩式和锚板式两种。直径小于M39的锚栓，一般为弯钩式，直径大于M39的锚栓，一般为锚板式 483.4 门式刚架结构设计5节点构造节点构造：刚架柱脚刚架柱脚对于铰接柱脚，锚栓直径由构造确定，一般不小于M20；对于刚接柱脚，锚栓直径由计算确定,一般不小于M30。锚栓长度由钢结构设计手册确定，若锚栓埋入基础中长度不能满足要求，则考虑将其焊于受力钢筋上。为方便柱安装和调整，柱底板上锚栓孔为锚栓直径的1.5倍，或直接在底板上开缺口。底板上须设置垫板，厚度根据计算确定，垫板上开孔较锚栓直径大12mm，待安装、校正完毕后将垫板焊于底板上。493.4 门式刚架结构设计5节点构造节点构造：刚架柱脚刚架柱脚在工程上经常会提出这样一些问题：锚栓能否抗剪？垫板是否要与底板焊牢？在施工时锚栓是否拧紧？我国钢结构设计规范是不允许锚栓抗剪的，剪力是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的，若不满足要求则须设抗剪键 503.4 门式刚架结构设计5节点构造节点构造：牛腿牛腿柱上设置牛腿以支承吊车梁、平台梁或墙梁 513.5 金属拱形波纹屋盖 大跨度拱形屋面结构体系大跨度拱形屋面结构体系 由预涂层卷板经轧制后形成的一种外形呈拱型的由预涂层卷板经轧制后形成的一种外形呈拱型的屋盖构体系屋盖构体系 我国于1992年通过引进美国的施工设备引进了金属拱型波纹屋盖结构体系。用料省、施工速度快、跨越能力大、防水性能好等突出的优点523.5 金属拱形波纹屋盖 533.5 金属拱形波纹屋盖 543.5 金属拱形波纹屋盖 主要特征主要特征：结构由薄钢板轧制而成结构由薄钢板轧制而成强度指标在强度指标在210550MPa之间，极限使用寿命可达之间，极限使用寿命可达4050年年目前常用的预涂层卷板基板的厚度在目前常用的预涂层卷板基板的厚度在0.61.5mm之间，之间，可实现的最大跨度可实现的最大跨度40m材料机加工性能优良且薄钢板之间难以实现栓焊连接，材料机加工性能优良且薄钢板之间难以实现栓焊连接，因此这种结构构件之间的连接采用锁边连接形式因此这种结构构件之间的连接采用锁边连接形式结构刚度结构刚度波纹波纹槽形波纹极大地提高了钢板的横向刚度，是结构承载槽形波纹极大地提高了钢板的横向刚度，是结构承载力的根本所在，力的根本所在，横向的小波纹则可提高钢板的局部稳定的承载力，增横向的小波纹则可提高钢板的局部稳定的承载力，增强结构纵向的抗弯刚度，突出结构的壳体受力特征强结构纵向的抗弯刚度，突出结构的壳体受力特征553.5 金属拱形波纹屋盖 主要特征主要特征：结构呈拱型结构：结构呈拱型结构：金属拱型波纹屋盖呈拱型（或筒壳）结构受力机理，金属拱型波纹屋盖呈拱型（或筒壳）结构受力机理，内力分布较均匀，故而可在无梁无檩的情况下独立实内力分布较均匀，故而可在无梁无檩的情况下独立实现很大的跨度现很大的跨度施工速度非常快施工速度非常快一般情况下一个台班可制作安装一般情况下一个台班可制作安装500800m2，1万万m2的屋盖结构可在的屋盖结构可在20天内完成天内完成造型单一、截面形式固定造型单一、截面形式固定563.5 金属拱形波纹屋盖 主要特征主要特征：结构呈拱型结构：结构呈拱型结构：金属拱型波纹屋盖呈拱型（或筒壳）结构受力机理，金属拱型波纹屋盖呈拱型（或筒壳）结构受力机理，内力分布较均匀，故而可在无梁无檩的情况下独立实内力分布较均匀，故而可在无梁无檩的情况下独立实现很大的跨度现很大的跨度施工速度非常快施工速度非常快一般情况下一个台班可制作安装一般情况下一个台班可制作安装500800m2，1万万m2的屋盖结构可在的屋盖结构可在20天内完成天内完成造型单一、截面形式固定造型单一、截面形式固定