毕业设计 - 钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究.doc

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1、 网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计）题 目：钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究学习中心： 河南省建设技术发展中心奥鹏 层 次： 专科起点本科 专 业： 土木工程 年 级： 学 号： 学 生： 指导教师： 钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究内容摘要目前所有建筑工程的建设中均采用钢材作为建筑材料。随着钢结构工程在建筑上的广泛应用，钢结构的设计及钢结构的防腐、防火保护问题也在建筑工程中被日益重视。作为钢结构工程的设计、施工人员，必须对防腐、防火涂料的类别、性质、适用性等有相当的了解，以便高建筑钢结构的使用性能。因此在实际建设中如何提高钢结构的性能与质量十分之关键。本文主要以实例采光顶的

2、屋顶设计形式及方法研究了钢结构在建筑中的普遍使用形式。研究了钢结构工程中防腐与防火的处理方法，旨在延长钢结构的使用寿命，提高建筑的安全稳定性。关键词：钢结构工程； 设计；防腐；防火；钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究目 录内容摘要 .2引 言 .11 设计基本资料及任务 .21.1 设计资料 .21.2 荷载资料 .21.3 计算屋架的上弦杆 AB.21.4 计算屋架的下弦杆 ac.31.5 计算屋架的腹杆 aB.42 建筑钢结构的防腐与防火 .52.1 建筑钢结构防腐 .52.2 建筑钢结构防腐的主要方法 .52.3 建筑钢结构防火 .62.4 建筑钢结构防火的主要方法 .73 工程实例 .

3、93.2、双坡采光顶设计计算书 .143.2.1 计算引用的规范、标准及资料 .143.2.1.1 幕墙及采光顶设计规范： .143.2.1.2 建筑设计规范： .143.2.1.3 玻璃规范： .143.2.1.4 钢材规范： .143.2.1.5 相关物理性能等级测试方法： .153.2.1.6建筑结构静力计算手册 ( 第二版) .153.2.2.1 基本参数 .163.2.2.2 采光顶所在地区 .163.2.2.3 地面粗糙度分类等级 .16采光顶荷载计算 .163.2.2.4 玻璃采光顶的荷载作用说明 .16钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究3.2.2.5 风荷载标准值计算 .163

4、.2.2.6 风荷载设计值计算 .203.2.2.7 雪荷载标准值计算 .213.2.2.8 雪荷载设计值计算 .213.2.2.9 采光顶构件自重荷载设计值 .213.2.2.10 采光顶坡面活荷载设计值 .22选取计算荷载组合 .223.2.2.11 采光顶计算中的荷载组合方法 .223.2.2.12 风荷载标准为 wk+情况下的荷载组合 .233.2.2.13 风荷载标准为 wk-情况下的荷载组合 .243.2.2.14 极限状态的荷载确定 .25双坡采光顶主龙骨计算 .253.2.2.15 主龙骨荷载计算 .263.2.2.16 主龙骨的强度计算 .273.2.3、采光顶玻璃的计算 .

5、293.2.3.1 玻璃板块荷载计算 .293.2.3.2 玻璃板块荷载组合 .323.2.3.3 玻璃的强度计算 .333.2.3.4 玻璃的挠度计算 .354 结论与展望 .37参考文献 .38钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究1引 言近期由于钢材在国际及国内市场价格较低达到“白菜价”又由于钢结构的优点在于施工快、强度高、抗震性强、结构占用面积小、工业化程度高、资金投入少等方面，因此广泛的应用在工业建筑及部分商业建筑工程中。一般情况下，普通的建筑用钢由于曝露在空气或者是潮湿的环境中则易出现腐蚀的现象。这是由于覆盖在钢材表面上的铁原子，在空气中被氧化变成铁锈，尤其是空气中含有丰富的盐碱酸类物

6、质时，就更易出现这种问题。钢结构被腐蚀的显现不仅表现在其表面出现不同程度的锈迹，并且由于部分的锈迹而产生的应力集中，破坏钢结构的基础，另外若出现冲击钢结构的情况，则进一步降低钢结构的抗疲劳强度，甚至形成脆性断裂。因此在实际建设过程中，采取有效的措施对钢结构尽享防腐处理，才能延长钢结构的寿命，保证建筑物的安全与稳定。除了钢结构易出现腐蚀之外，还会出现抗活性下降的状况。一般情况下钢结构在处于全负荷的状态时，若温度升高到 250450，其强度则会有所下降，温度升高到 500左右时，则会下降一半以上的强度。除此之外，钢结构的抗压强度、弹性模量、荷载能力、屈服点等方面的力学性能都会出现一定程度的下降。所

7、以在施工过程中就要采取有效的防火处理，以保证钢结构防火性能，确保钢结构在火灾中不被破坏。钢结构以其独特的优点，只要在施工中运用得当，是能确保其结构、使用及经济效果的。故钢结构在当今及以后会慢慢普及步入主流建筑的。钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究21 设计基本资料及任务1.1 设计资料某金工车间长 90m，跨度 24m，柱距 6m，屋面采用 1.5m6m 大型预应力混凝土屋面板，采用梯形钢屋架，屋架计算跨度 23.7m，屋面坡度 ,屋架端部高度 1.99m，跨中高度10i3.19m,跨中起拱 50mm。屋架简支在钢筋混凝土柱上，混凝土标号 C20，钢材采用 Q235，焊条采用 E43 型，屋架

8、及支撑布置如图 1.1 所示1.2 荷载资料上弦杆 AB 采用等截面，按内力 ， ， 。N830k015.8xlcm031.6ylc下弦杆 ac 采用等截面，按内力 ， ， 。5951 5 0 9ABac图 1.1 屋架计算简图腹杆 aB 采用 2 ，长肢相并。1580内力 ， 。N463.k253.xyllcm1.3 计算屋架的上弦杆 AB整个上弦不改变截面，按已知条件提供的内力进行设计， 。N830k上弦杆计算长度：在屋架平面内，为节间轴线长度 ；在屋架平面外，根据015.xlc支撑布置和内力变化情况取 （按大型屋面板与屋架保证三点焊，故取两块屋031.6ylcm面板宽度） 。因为 ，故截

9、面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。02yxl腹杆内力为 ，根据屋架节点板厚度参考表，节点板厚度选用 10mm，支座N463.8k节点板厚度选用 12mm。设 ，上弦杆为轴心受压的截面，该截面类型属于 b 类截面，已知 。75 0.72需要截面积：320156.8.72Amf需要的回转半径：，01584.7xlim0340.5yli根据 A， ， 查角钢规格表，选用 21409014，短肢相并， ，iy 26091.Am钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究3， 。25.1xim68.yi按所选角钢进行验算：轴心压杆的允许长细比为 150。150.8*10mm/40.2mm=37.51mm0xli3

10、01.6*10mm/68.6mm=43.97mm0yli已知 ，验算上弦杆中的应力是否满足要求，.87x830*1000N/0.807*6091.2=169215xNA所以上弦杆满足设计要求。1.4 计算屋架的下弦杆 ac整个下弦不改变截面，按已知条件提供的内力进行设计， 。N859k下弦杆计算长度：在屋架平面内，为节间轴线长度 ；在屋架平面外，根据03xlcm支撑布置和内力变化情况取 。0185ylcm计算所需下弦截面净面积： 32859.21NAf选用 21258012，短肢相并， ， ， 。24680A.4xim61.yi本连接中，螺栓孔对下弦截面的削弱不考虑， 。n按所选角钢进行验算：

11、轴心拉杆的允许长细比为 350。300*10/22.4=133.930xli1185*10/61.6=192.370yli859000/3995.3=215=215nNA所以下弦杆 ac 不满足设计要求，适当加大。钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究41.5 计算屋架的腹杆 aB按已知条件提供的内力进行设计， 。N463.8k计算长度： 0253.xyllcm选用 21258012，短肢相并， ， ， 。20A.4xim61.yi按所选角钢进行验算：轴心拉杆的允许长细比为 350。253.5*10/22.4=113.170xli253.5*10/61.6=41.150yli已知 ，验算上弦杆中的

12、应力是否满足要求，.78x463.8*1000/4680=99.1215nNA所以腹杆 aB 满足设计要求。钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究52 建筑钢结构的防腐与防火钢结构具有重量轻而强度高，塑性、韧性好，施工周期短等优点，因此在建筑工程中得到广泛的应用和发展。高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度建筑采用钢结构尤为理想，同时钢结构又是对城市影响最小的结构之一，是可重复利用的绿色环保材料。然而在钢结构的设计和使用中，建筑钢结构防腐和防火仍是钢结构应用的主要难题及阻碍。在此分别对钢结构防腐和防火的基本概念，主要方法等内容进行详细阐述。文中将分别讨论钢结构防腐和防火的基本概念，主要技术方法及其各

13、自的特点。2.1 建筑钢结构防腐钢结构在使用期间和它所处的环境介质之间发生化学、电化学或物理作用，引起材质的变质和钢结构的破坏失效，称为钢结构的腐蚀。钢材在空气或潮湿的环境中易于锈蚀，钢材表面的铁原子与空气中的氧气化合而成质地疏松的氧化铁锈，特别是当空气中含有酸碱盐类介质时情况更为严重，腐蚀不仅使钢材表面产生不均匀的锈蚀，而且局部的锈蚀引起应力集中，促使钢结构提前破坏，尤其是在反复冲击荷载的作用下，更加速了疲劳强度降低，出现脆性断裂。钢结构的腐蚀危害建筑物的安全，造成巨大损失，甚至引起灾难性事故，后果极其严重。据一些工业发达国家统计，每年由于钢结构的腐蚀而造成的经济损失约占国民生产总值的 2%

14、4%，全世界每年因此造成的经济损失已高达数千亿美元以上。只有在设计建造的同时，对其进行卓有成效的防腐，确保长效防腐才能确保钢结构的长久寿命。下面将讨论钢结构的各种防腐方法及特点。2.2 建筑钢结构防腐的主要方法2.2.1 耐候钢耐腐蚀性能优于一般结构用钢的钢材称为耐候钢，一般含有磷、铜、镍、铬、钛等金属，使金属表面形成保护层，以提高耐腐蚀性。其低温冲击韧性也比一般的结构用钢好，执行标准为焊接结构用耐候钢(GB 4172-84)。2.2.2 热浸锌热浸锌是将除锈后的钢构件浸入 600左右高温融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，锌层厚度对 5mm 以下薄板不得小于 65m，对厚板不小于钢结构屋架设

15、计及钢结构的耐久性研究686m，从而起到防腐蚀的目的。这种方法的优点是耐久年限长，生产工业化程度高，质量稳定。热浸锌的首道工序是酸洗除锈，然后是清洗。这两道工序不彻底均会给防腐蚀留下隐患，应避免设计出具有相贴合面的构件，以免贴合面的缝隙中酸洗不彻底或酸液洗不净。对于管形构件应该让其两端开敞，两端封闭会造成管内空气膨胀而使封头板爆裂，造成安全事故；一端封闭则锌液流通不畅，易在管内积存。2.2.3 热喷铝(锌) 复合涂层这是一种与热浸锌防腐蚀效果相当的长效防腐蚀方法。具体做法是先对钢构件表面作喷砂除锈，使其表面露出金属光泽并打毛。再用乙炔-氧焰将不断送出的铝(锌)丝融化，并用压缩空气吹附到钢构件表

16、面，以形成蜂窝状的铝(锌)喷涂层(厚度约 80 m100m)。最后用油漆等涂料封闭毛细孔，形成复合涂层。此法无法在管状构件的内壁施工，因而管状构件两端必须做气密性封闭，以使内壁不被腐蚀。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强，构件形状尺寸几乎不受限制。另一优点是这种工艺的热影响是局部的，受约束的，因而不会产生热变形。与热浸锌相比，这种方法的缺点是工业化程度较低，喷砂喷铝(锌)的劳动强度大，质量易受操作者的情绪变化影响2.3 建筑钢结构防火钢材的耐火性能较差，受热后强度下降很快，如钢材在 20时强度为450Mpa，在 485时为 278Mpa，几乎降到原来的 50%，而到 614时，钢材强度就只有

17、70Mpa，几乎失去承载能力。所以，钢材受热后，在强度下降和热应力的共同作用下很快出现塑性变形。在火烧 15min 左右，构件会如面条一样的软落下来，随着局部的破坏，造成整体失去稳定而破坏，而且破坏后的钢结构是很难修复的，有关方面的火灾教训是极其深刻和痛楚的。因此对钢结构进行防火设计具有重大意义，主要有：（1）减轻钢结构在火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散的困难；钢结构的防火保护的目的是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程，以争取时间灭火救人。（2）避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡。（3）减少火灾后钢结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。钢结构的防火保护有多种方法，这些方法有被动防火法：钢结构防火涂料保