论文部分内容阅读
摘要：很长一段时间以来,我国的工业厂房建筑主要以钢筋混凝土为主，钢结构由于具有强度高、塑性好、自重小、施工工期短、制作方便、节能环保等优点，近几年来，在国内外钢结构新工艺、新技术的发展和推广的基础上，高强度板材、高效防火、防腐涂料在工业建筑中大量应用，从而使钢结构在工业建筑领域得到较快的发展。在工业建筑结构设计中,每个设计者的经验不同,对规范的理解不同,在处理某个设计问题时,也就会采取不同的处理方法。本文具体分析研究了工业建筑中钢结构设计步骤。
关键词：工业建筑钢结构设计步骤问题
中图分类号：TU391 文獻标识码：A 文章编号：
钢结构作为建筑结构型式之一, 因其具有材料的强度高、塑性和韧性好、材质均匀比较符合力学计算的假定、制造简便施工周期短、重量轻等优点, 在下列领域得到了广泛使用。大型体育馆、机场和车站候车室屋架等大跨度结构, 重型工业厂房, 受动力荷载( 如地震) 影响的结构, 高耸结构和高层结构( 高压输电线路的塔架和电视塔、通讯塔、气象塔等) , 容器和其它构筑物( 油罐、气罐、高炉等) , 轻型钢结构。近年来, 随着材料制造和结构加工水平的不断改进, 以及计算机在结构设计中的应用, 钢结构出现了许多新的结构型式。如网架结构以其受力合理、施工技术简单、适应性强、工厂化制作、施工速度快等特点正逐步取代悬索结构。预应力钢结构的出现, 大大减少了结构耗钢量, 也使高强钢材得到了充分利用。另外国外出现的簿钢板的组合件代替传统的型钢及组合件作为钢结构的受力构件, 大大减轻了构件重量和耗钢量。
钢结构设计程序归纳起来如图1:
图1钢结构设计程序图
一、确定结构型式, 确定传力方式
本阶段是在熟悉工艺条件的情况下, 根据荷载的类型、大小、作用方式等条件, 确定受力构件的布置,梁( 屋架) 、柱的布置。首先须尽量满足工艺要求; 其次应满足建筑和结构设计规范要求; 再次尽量将较大荷载直接传给主梁和立柱, 力求传力简洁、清晰, 各柱受力均匀。综合上述三个方面的因素, 作出梁、柱结构布置图, 如不能满足上述三个条件, 则须将信息反馈给工艺设计人员, 并与工艺人员协商修改。梁、柱布置完成后, 传力方式即已确定, 因而结构型式也得以确定。传力方式一般是板- 梁- 柱- 基础。但荷载给哪根柱子须视梁的布置方式不同而定。
二、明确结点约束关系, 确定计算简图
钢结构结点连接一般有三种方式: 一是高强螺栓连接, 二是普通螺栓连接, 三是焊接。高强螺栓连接既传递线性荷载, 又传递弯矩, 结构计算按刚性结点考虑, 后两种连接方式尽管也能传递部分弯矩, 但在计算中一般按铰结点考虑。
梁( 或屋架) 、柱布置完成后, 根据荷载类型和大小以及工艺条件对空间的需求、耗钢量的多少等, 决定结点连接方式。
重型工业厂房屋面梁( 或屋顶) 与钢柱以及连续梁、支撑系统与钢柱的连接一般为高强螺栓连接, 既节省了钢材又增强了整体刚度。如我厂熔炼车间主厂房构件连接就采用高强螺栓连接。而一般工业建筑中的承重钢平台和钢支架等常用普通螺栓和焊接连接。
结点约束关系明确后, 根据柱距、跨度和作用荷载不同选取典型的计算单元(计算单元的选取可参与相关资料选取) 进行计算。结合各构件节点的连接方式, 确定计算简图。如主厂房计算简图为门型钢架(图2) , 所有节点为刚性结点, 而一般承重钢平台和钢支架节点为铰结点, 因而梁的两端为简支(图3) , 柱也为两端简支(图4) 。若计算简图选择错误,无论结构计算多么正确, 都将导致南辕北辙的结果。
图2门型钢架
图3简支梁
图4简支柱
三、构件选型, 结构计算
1、构件选型
构件选型是根据各构件的跨度大小、支撑方式、荷载类型和大小初步选定构件的规格型号, 以便进行结构计算。
受弯构件一般根据其容许挠度值选定, 如单梁吊车梁的容许挠度值为L/ 500, 平台梁主梁的容许挠度值为L/ 400, 平台其它梁则为L/ 250, 平台板为L/ 150 等。由此可基本确定受弯构件的高度, 依此选定型钢的型号, 对于桁架则根据同样程序确定桁架的挠度, 作为刚度计算的依据。
受压构件则分两种情况。一般受压构件根据类似设计或根据荷载大小以及构件的长细比初步选定构件型号。框架柱的截面尺寸大小, 直接影响厂房的刚度和柱的用钢量。因此, 选择框架柱的截面尺寸时应满足下列要求: ( 1) 厂房刚度的要求, 柱的截面尺寸应根据厂房的高度、跨度、柱距、吊车起重量及工作制度等因素来确定, 以满足厂房刚度的要求;( 2) 构造上的要求, 考虑框架纵向轴线的合理划分以及满足吊车跨度和吊车桥架外边缘净空尺寸的要求。选择框架柱截面尺寸时也可在满足上述要求的前提下, 考虑类似的设计进行选择。
2、结构计算
结构计算包括对各构件进行强度、刚度计算和构件的连接强度进行计算。
( 1) 各构件计算: 构件计算遵循由上而下, 从次
要构件至主要构件循序渐进的原则。
a. 板的计算。
板的计算一般只需对其变形进行计算即可, 且两端均按简支计算, 计算结果可按结构力学的方法求得。
如:
均匀荷载
（1）
集中荷载
（2）
将计算结果与容许挠度比较, 判断其是否满足刚度要求。
b. 受弯构件。
受弯构件的计算一般包括强度和刚度计算两方面。计算时根据支座型式和荷载类型不同按结构力学方法计算。
将强度和变形计算的结果与规范所规定的容许强度和容许挠度进行比较, 判断所选构件截面能否满足强度和刚度要求, 如不满足, 则需重新选取构件型号后计算其是否满足强度和刚度要求。
c. 受压构件。
受压构件的计算包括强度和刚度计算两方面,刚度计算又须考虑整体失稳和局部失稳两方面。以实腹式压弯构件为例(图5) :
图5柱断面图
强度计算： (3)
整体稳定性计算( 平面内) ：
(4)
整体稳定性计算( 平面外)：
(5)
局部失稳主要是对实腹柱的腹板和翼缘板的控制, 翼缘板控制外伸宽度b1 与厚度t 之比：
(6)
腹板计算高度h0 与其厚度tw 之比:
(7)
(8)
一般受压构件除计算构件强度外, 尚应控制好构件的长细比, 使之满足刚度要求。
( 2) 构件的连接计算。各构件分别能满足要求, 还需计算各构件间的连接, 保证其足以传递结点荷载, 否则难以形成结构。
连接计算包括焊接、普通螺栓和高强螺栓连接三种, 本文以厂房受力构件连接较常使用的高强螺栓连接为例, 高强螺栓分别按摩擦型和承压型两种情况计算。
a. 每个摩擦型高强螺栓的承载力设计值应根据下列情况确定:
在抗剪连接中, 每个摩擦型高强螺栓的承载力设计值应按下式计算:
(9)
在杆轴方向受拉的连接中, 每个摩擦型高强螺栓的承载力设计值为:
（10）
當摩擦型高强螺栓连接同时承受摩擦面的剪切和螺栓杆轴方向的外拉力时, 每个摩擦型高强螺栓的受剪承载力设计值仍按公式( 9) 计算, 但应以P-1. 25Nt代替P。此处Nt 为每个高强螺栓在杆轴方向的外拉力, 其值不应大于0. 8P。
b. 每个承压型高强螺栓的承载力设计值应根据下列情况确定:
在抗剪连接中, 每个承压型高强螺栓的承载力设计值Nbmin, 应取受剪承压Nby和承压承载力设计值Nbc中的较小者, 且不得大于按摩擦型连接计算的1. 3 倍。
在杆轴方向受拉的连接中, 每个承压型高强螺栓的承载力设计值为Nt=0.8P
( 3) 支撑系统计算。支撑系统是保证结构整体性的重要部分, 杆件的计算和连接可参照上述方法计算。上述计算是按部就班进行的结构计算方法,这是钢结构设计中最基本的计算方法。随着计算机在结构设计中的使用和应用软件的不断开发, 国内已有几种结构计算软件可供使用。应用这些软件时, 必须将正确计算模型、结点约束关系、荷载类型和大小以及荷载作用位置输入才能得出正确的结果。
四、确定构件规格和型号
结构计算完成后, 初步选定的各构件均应能满足强度和刚度的要求, 而这些构件除满足强度和刚度要求外, 还应满足构造要求。构造要求从施工的角度考虑, 对钢板的厚度、受力杆件的型号作出了一些规定, 如不满足, 对施工会产生一些影响。“安全可靠、经济合理”是设计工作首先要考虑的问题。同时还应尽可能从美观上考虑整体协调的问题。如按结构计算中各构件均能满足承重要求, 但组合在一起后, 整体效果不佳时, 则须将个别构件作适当处理或重新选型。
五、绘制钢结构图
施工图纸是工程的语言, 是设计思想的体现, 是设计工作的最终成果, 是工程施工的主要依据。因此, 准确详实绘制施工图是设计者必须认真完成的工作。
绘制钢结构图包括绘制结构布置图、各构件详图、节点详图。结构布置图中须标明各构件的位置、名称及相互关系, 它是结构施工时安装的主要依据。
参考文献：
[1] 徐敏,李秋起.防止钢结构脆性破坏的措施[J]. 中国建筑金属结构. 2008(01)
[2] 陆荣海.钢结构厂房的雨水排水系统设计[J]. 给水排水. 2008(01)
关键词：工业建筑钢结构设计步骤问题
中图分类号：TU391 文獻标识码：A 文章编号：
钢结构作为建筑结构型式之一, 因其具有材料的强度高、塑性和韧性好、材质均匀比较符合力学计算的假定、制造简便施工周期短、重量轻等优点, 在下列领域得到了广泛使用。大型体育馆、机场和车站候车室屋架等大跨度结构, 重型工业厂房, 受动力荷载( 如地震) 影响的结构, 高耸结构和高层结构( 高压输电线路的塔架和电视塔、通讯塔、气象塔等) , 容器和其它构筑物( 油罐、气罐、高炉等) , 轻型钢结构。近年来, 随着材料制造和结构加工水平的不断改进, 以及计算机在结构设计中的应用, 钢结构出现了许多新的结构型式。如网架结构以其受力合理、施工技术简单、适应性强、工厂化制作、施工速度快等特点正逐步取代悬索结构。预应力钢结构的出现, 大大减少了结构耗钢量, 也使高强钢材得到了充分利用。另外国外出现的簿钢板的组合件代替传统的型钢及组合件作为钢结构的受力构件, 大大减轻了构件重量和耗钢量。
钢结构设计程序归纳起来如图1:
图1钢结构设计程序图
一、确定结构型式, 确定传力方式
本阶段是在熟悉工艺条件的情况下, 根据荷载的类型、大小、作用方式等条件, 确定受力构件的布置,梁( 屋架) 、柱的布置。首先须尽量满足工艺要求; 其次应满足建筑和结构设计规范要求; 再次尽量将较大荷载直接传给主梁和立柱, 力求传力简洁、清晰, 各柱受力均匀。综合上述三个方面的因素, 作出梁、柱结构布置图, 如不能满足上述三个条件, 则须将信息反馈给工艺设计人员, 并与工艺人员协商修改。梁、柱布置完成后, 传力方式即已确定, 因而结构型式也得以确定。传力方式一般是板- 梁- 柱- 基础。但荷载给哪根柱子须视梁的布置方式不同而定。
二、明确结点约束关系, 确定计算简图
钢结构结点连接一般有三种方式: 一是高强螺栓连接, 二是普通螺栓连接, 三是焊接。高强螺栓连接既传递线性荷载, 又传递弯矩, 结构计算按刚性结点考虑, 后两种连接方式尽管也能传递部分弯矩, 但在计算中一般按铰结点考虑。
梁( 或屋架) 、柱布置完成后, 根据荷载类型和大小以及工艺条件对空间的需求、耗钢量的多少等, 决定结点连接方式。
重型工业厂房屋面梁( 或屋顶) 与钢柱以及连续梁、支撑系统与钢柱的连接一般为高强螺栓连接, 既节省了钢材又增强了整体刚度。如我厂熔炼车间主厂房构件连接就采用高强螺栓连接。而一般工业建筑中的承重钢平台和钢支架等常用普通螺栓和焊接连接。
结点约束关系明确后, 根据柱距、跨度和作用荷载不同选取典型的计算单元(计算单元的选取可参与相关资料选取) 进行计算。结合各构件节点的连接方式, 确定计算简图。如主厂房计算简图为门型钢架(图2) , 所有节点为刚性结点, 而一般承重钢平台和钢支架节点为铰结点, 因而梁的两端为简支(图3) , 柱也为两端简支(图4) 。若计算简图选择错误,无论结构计算多么正确, 都将导致南辕北辙的结果。
图2门型钢架
图3简支梁
图4简支柱
三、构件选型, 结构计算
1、构件选型
构件选型是根据各构件的跨度大小、支撑方式、荷载类型和大小初步选定构件的规格型号, 以便进行结构计算。
受弯构件一般根据其容许挠度值选定, 如单梁吊车梁的容许挠度值为L/ 500, 平台梁主梁的容许挠度值为L/ 400, 平台其它梁则为L/ 250, 平台板为L/ 150 等。由此可基本确定受弯构件的高度, 依此选定型钢的型号, 对于桁架则根据同样程序确定桁架的挠度, 作为刚度计算的依据。
受压构件则分两种情况。一般受压构件根据类似设计或根据荷载大小以及构件的长细比初步选定构件型号。框架柱的截面尺寸大小, 直接影响厂房的刚度和柱的用钢量。因此, 选择框架柱的截面尺寸时应满足下列要求: ( 1) 厂房刚度的要求, 柱的截面尺寸应根据厂房的高度、跨度、柱距、吊车起重量及工作制度等因素来确定, 以满足厂房刚度的要求;( 2) 构造上的要求, 考虑框架纵向轴线的合理划分以及满足吊车跨度和吊车桥架外边缘净空尺寸的要求。选择框架柱截面尺寸时也可在满足上述要求的前提下, 考虑类似的设计进行选择。
2、结构计算
结构计算包括对各构件进行强度、刚度计算和构件的连接强度进行计算。
( 1) 各构件计算: 构件计算遵循由上而下, 从次
要构件至主要构件循序渐进的原则。
a. 板的计算。
板的计算一般只需对其变形进行计算即可, 且两端均按简支计算, 计算结果可按结构力学的方法求得。
如:
均匀荷载
（1）
集中荷载
（2）
将计算结果与容许挠度比较, 判断其是否满足刚度要求。
b. 受弯构件。
受弯构件的计算一般包括强度和刚度计算两方面。计算时根据支座型式和荷载类型不同按结构力学方法计算。
将强度和变形计算的结果与规范所规定的容许强度和容许挠度进行比较, 判断所选构件截面能否满足强度和刚度要求, 如不满足, 则需重新选取构件型号后计算其是否满足强度和刚度要求。
c. 受压构件。
受压构件的计算包括强度和刚度计算两方面,刚度计算又须考虑整体失稳和局部失稳两方面。以实腹式压弯构件为例(图5) :
图5柱断面图
强度计算： (3)
整体稳定性计算( 平面内) ：
(4)
整体稳定性计算( 平面外)：
(5)
局部失稳主要是对实腹柱的腹板和翼缘板的控制, 翼缘板控制外伸宽度b1 与厚度t 之比：
(6)
腹板计算高度h0 与其厚度tw 之比:
(7)
(8)
一般受压构件除计算构件强度外, 尚应控制好构件的长细比, 使之满足刚度要求。
( 2) 构件的连接计算。各构件分别能满足要求, 还需计算各构件间的连接, 保证其足以传递结点荷载, 否则难以形成结构。
连接计算包括焊接、普通螺栓和高强螺栓连接三种, 本文以厂房受力构件连接较常使用的高强螺栓连接为例, 高强螺栓分别按摩擦型和承压型两种情况计算。
a. 每个摩擦型高强螺栓的承载力设计值应根据下列情况确定:
在抗剪连接中, 每个摩擦型高强螺栓的承载力设计值应按下式计算:
(9)
在杆轴方向受拉的连接中, 每个摩擦型高强螺栓的承载力设计值为:
（10）
當摩擦型高强螺栓连接同时承受摩擦面的剪切和螺栓杆轴方向的外拉力时, 每个摩擦型高强螺栓的受剪承载力设计值仍按公式( 9) 计算, 但应以P-1. 25Nt代替P。此处Nt 为每个高强螺栓在杆轴方向的外拉力, 其值不应大于0. 8P。
b. 每个承压型高强螺栓的承载力设计值应根据下列情况确定:
在抗剪连接中, 每个承压型高强螺栓的承载力设计值Nbmin, 应取受剪承压Nby和承压承载力设计值Nbc中的较小者, 且不得大于按摩擦型连接计算的1. 3 倍。
在杆轴方向受拉的连接中, 每个承压型高强螺栓的承载力设计值为Nt=0.8P
( 3) 支撑系统计算。支撑系统是保证结构整体性的重要部分, 杆件的计算和连接可参照上述方法计算。上述计算是按部就班进行的结构计算方法,这是钢结构设计中最基本的计算方法。随着计算机在结构设计中的使用和应用软件的不断开发, 国内已有几种结构计算软件可供使用。应用这些软件时, 必须将正确计算模型、结点约束关系、荷载类型和大小以及荷载作用位置输入才能得出正确的结果。
四、确定构件规格和型号
结构计算完成后, 初步选定的各构件均应能满足强度和刚度的要求, 而这些构件除满足强度和刚度要求外, 还应满足构造要求。构造要求从施工的角度考虑, 对钢板的厚度、受力杆件的型号作出了一些规定, 如不满足, 对施工会产生一些影响。“安全可靠、经济合理”是设计工作首先要考虑的问题。同时还应尽可能从美观上考虑整体协调的问题。如按结构计算中各构件均能满足承重要求, 但组合在一起后, 整体效果不佳时, 则须将个别构件作适当处理或重新选型。
五、绘制钢结构图
施工图纸是工程的语言, 是设计思想的体现, 是设计工作的最终成果, 是工程施工的主要依据。因此, 准确详实绘制施工图是设计者必须认真完成的工作。
绘制钢结构图包括绘制结构布置图、各构件详图、节点详图。结构布置图中须标明各构件的位置、名称及相互关系, 它是结构施工时安装的主要依据。
参考文献：
[1] 徐敏,李秋起.防止钢结构脆性破坏的措施[J]. 中国建筑金属结构. 2008(01)
[2] 陆荣海.钢结构厂房的雨水排水系统设计[J]. 给水排水. 2008(01)