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一、本课程主要内容
1、钢结构材料的选择;
2、钢结构构件的加工与制作;
2、钢结构施工安装方法,编制钢结构工程施工方案和各种专项方案;
3、钢结构工程制作和施工安装过程中的资料管理和质量控制;
钢结构制作和施工安装过程中常见的工程质量事故;
4、钢结构工程制作和施工安装过程中使用到的机具、设备相关知识。
二、钢结构基本结构形式及选型
1、轻钢门式刚架结构
单层钢结构厂房一般为轻钢门式刚架结构。
刚架结构通常是指由直线形杆件(梁和柱)通过刚性节点连接起来的结构。
工程中习惯把梁与柱之间为铰接的单层结构称为排架,多层多跨的刚架结构则常称为框架。
我们讨论的刚架是单层刚架,因单层单跨或多跨刚架“冂”字型的外形之故,习惯上称为门式刚架。
单层刚架结构的杆件较少,一般为大跨度结构,内部空间较大,便于利用。
且刚架一般由直杆组成,制作方便,因此,在实际工程特别是工业建筑中应用非常广泛。
当跨度与荷载一定时,门式刚架结构比屋面大跨梁(或屋架)与立柱组成的排架结构轻巧,可节省钢材约10%以上。
斜梁为折线形的门式刚架类似于拱的受力特点,更具有受力性能良好、施工方便、造价较低和造型美观等优点。
由于斜梁是折线形的,使室内空间加大,适于双坡屋顶的单层中、小型建筑,在工业厂房、体育馆、礼堂和食堂等民用建筑中得到广泛应用。
但门式刚架刚度较差,受荷载后产生跨变,因此用于工业厂房时,吊车起重量一般不超过10t。
图1.1对比了门式刚架与外形相同的排架在垂直均布荷载作用下的弯矩图。
刚架由于横梁与立柱整体刚性连接,节点B和C是刚性节点,能够承受并传递弯矩,这样就减少了横梁中的跨中弯矩峰值。
排架由于横梁与立柱为铰接,节点B、C为铰接点,故在均布荷载作用下,横梁的弯矩图与简支梁相同,跨中弯矩峰值比刚架大得多。
但与拱结构相比,刚架仍然属于以受弯为主的结构,材料强度不能充分发挥作用,这就造成了门式刚架结构与拱相比自重大,用料多,适用跨度受到限制。
图1.1刚接刚架与铰接刚架的弯矩比较
门式刚架按结构组成和构造的不同,可分为无铰刚架、两铰刚架和三铰刚架等三种(图1.2)。
在相同荷载作用下,这三种刚架的内力分布和大小是有差别的,其经济技术效果也不相同。
门式刚架结构的受力优于排架结构,因刚架梁柱节点处为刚接,梁柱互为约束。
在竖向荷载作用下,由于柱对梁的约束作用而减小了梁跨中的弯矩和挠度。
在水平荷载作用下,由于梁对柱的约束作用减少了柱内的弯矩和侧向变形,如图1.3所示。
因此,门式刚架结构的承载力和刚度都大于排架结构。
(a)单跨梁(b)连续梁
(c)排架(d)无铰刚架(e)双铰刚架(f)三铰刚架
(g)双铰刚架(h)三铰刚架
图1.2弯矩图对比
(a)排架(b)刚架
图1.3在水平荷载作用下刚架与排架弯矩图对比
无铰门式刚架(图1.4(a))的柱脚与基础固接,为三次超静定结构,刚度大,结构内力分布比较均匀,但柱底弯矩比较大,对基础和地基的要求较高。
因柱脚存在弯矩、轴向压力和水平剪力共同作用于基础,基础材料用量较大。
无铰门式刚架超静定次数高,刚度较大,当地基发生不均匀沉降时,在结构内产生附加内力,所以在地基条件较差时需慎用。
两铰门式刚架(图1.4(b))应用最为普遍,其柱脚与基础铰接,为一次超静定结构,在竖向荷载或水平荷载作用下,刚架内弯矩比无铰门式刚架大。
其优点是刚架柱脚铰接,基础无弯矩作用,计算和构造简单,省料省工;
当基础有转角时,对结构内力没有影响。
但当两柱脚发生不均匀沉降时,则将在结构内产生一定的附加内力。
三铰门式刚架(图1.4(c))在屋脊节点处设置永久性铰,柱脚铰接,为静定结构,温差、地基的变形或基础的不均匀沉降对结构内力没有影响。
三铰和两铰门式刚架材料用量相近,但三铰刚架的梁柱节点弯矩略大,刚度较差,不能用于有桥式吊车的厂房,仅用于无吊车或小吨位悬挂吊车的建筑。
(a)无铰刚架(b)两铰刚架;
(c)三铰刚架
图1.4三种不同型式的刚架弯矩图
图1.5多跨刚架的形式
实际工程中大多采用两铰刚架以及由它们组成的多跨结构,如图1.5所示。
无铰刚架很少使用。
门式刚架的高跨比、梁柱线刚度比、支座位移、温度变化等均是影响门式刚架结构内力的因素,门式刚架结构选型时应予以考虑。
2、钢框架结构(民用建筑)
钢框架结构住宅-可分为焊接箱形截面(常用)或H型钢柱-钢梁钢框架结构和钢框架加支撑结构两种类型。
钢框架结构不超过6层住宅。
其墙体可采用轻质材料。
结构自重小,抗震性能良好,施工速度快。
钢框架加支撑结构可实现7~15层住宅。
经济技术指标略高于钢筋混凝土结构。
(1)框架结构的受力特点
a.荷载作用
框架结构承受的作用包括竖向荷载和水平荷载。
竖向荷载包括结构自重及楼(屋)面活荷载,一般为分布荷载,有时也存在集中荷载。
水平荷载有风荷载和地震作用。
框架结构是一个空间结构体系,沿房屋的长向和短向可分别视为纵向框架和横向框架。
纵、横向框架分别承受纵向和横向水平荷载。
b.竖向荷载传递路线
现浇平板楼(屋)盖荷载主要向距离较近的梁上传递,然后在传递给钢柱。
c.受力分析
①在多层框架结构中,影响结构内力的主要是竖向荷载,而结构变形则主要考虑梁在竖向荷载作用下的挠度,一般不考虑结构侧移对建筑物的使用功能和结构可靠性的影响。
随着房屋高度增大,增加最快的是结构位移,弯矩次之。
②框架结构在水平荷载作用下。
其侧移由两部分组成:
一部分侧移由柱和梁的弯曲变形产生。
柱和梁都有反弯点,形成侧向变形。
框架下部的梁、柱内力大,层间变形也大,愈到上部层间变形愈小;
另一部分侧移由柱的轴向变形产生。
在水平力作用下,柱的拉伸和压缩使结构出现侧移。
这种侧移在上部各层较大,愈到底部层间变形愈小。
在两部分侧移中第一部分侧移是主要的,随着建筑高度加大,第二部分变形所占比例逐渐加大。
③一般将框架结构的梁、柱节点视为刚接节点,柱固结于基础顶面,所以框架结构为高次超静定结构。
(2)框架结构在竖向荷载和水平荷载作用下的内力图
图1.6框架结构在竖向荷载和水平荷载作用下的内力图
3、钢网架结构
网架结构是由很多杆件通过节点,按照一定规律组成的空间杆系结构。
网架结构根据外形可分为平板网架和曲面网架。
通常情况下,平板网架称为网架;
曲面网架称为网壳,如图1.7所示。
网壳结构是曲面型的网格结构,兼有杆系结构和薄壳结构的特性,受力合理,覆盖跨度大,是一种颇受国内外关注、半个世纪以来发展最快、有着广阔发展前景的空间结构。
网壳结构具有优美的建筑造型,无论是建筑平面、外形和形体都能给设计师以充分的创作自由。
建筑平面上,可以适应多种形状,如圆形、矩形、多边形、三角形、扇形以及各种不规则的平面;
建筑外观方面,可以形成多种曲面,如球面、椭圆面、旋转抛物面屋面,建筑的各种形体可通过曲面的切割和组合得到;
结构上,网壳受力合理,可以实现较大的跨度,由于网壳曲面的多样化,结构设计人员可以通过精心的曲面设计使网壳受力均匀;
施工上采用较小的构件在工厂预制,实现工业化生产,现场安装简便快速,不需要大型设备,综合技术经济指标较好。
本部分仅介绍平板网架和网壳结构。
(a)平板型网架(双层)(b)网壳(单层、双曲)(c)网壳(单层、单曲)
图1.7网架、网壳型式
网架、网壳结构为一种空间杆系结构,具有三维受力特点,能承受各方向的作用,并且网架结构一般为高次超静定结构,倘若一杆局部失效,超静定次数仅减少一次,内力可重新调整和分布,整个结构一般并不失效,具有较高的安全储备。
网架、网壳结构中的杆件,既为受力杆件,又互为支撑杆件,协同工作,整体性和稳定性好,空间刚度大,能有效承受非对称荷载、集中荷载和动荷载的作用,具有较好的抗震性能。
在节点荷载作用下,各杆件主要承受轴向的拉力和压力,能充分发挥材料的强度,节省钢材。
平板网架与网壳相比,它是一种无水平推力或拉力的空间结构,支座构造较为简单,一般简支支座即可,便于下部支承结构处理,而网壳结构由于其结构型式,受力更趋于合理,且可以实现更美观的建筑外形。
网壳结构的主要缺点在于:
杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的偏离对网壳的内力、整体稳定性和施工精度影响较大,给结构设计和施工带来了一定的困难。
为减小网壳结构初始缺陷,对于杆件和节点的加工精度要求较高,加工难度大。
此外,网壳的矢高很大时,增加了屋面面积和不必要的建筑内部空间,增加建筑材料和能源的消耗。
这些问题在大跨度网壳中显得更加突出。
由于网架、网壳结构组合有规律,大量杆件和节点的形状、尺寸相同,并且杆件和节点规格少,便于工厂成批生产,产品质量高,现场进行拼装较容易,施工速度快。
网架、网壳结构不仅实现了利用较小规格的杆件建造大跨度结构,而且结构占用空间较小,更能有效利用空间,如在网架和多层网壳结构上下弦之间的空间布置各种设备及管道等。
网架、网壳结构平面布置灵活,适用于矩形、圆形、椭圆形、多边形、扇形等多种建筑平面,建筑造型新颖、轻巧、壮观,极富表现力,深受建筑师和业主的青睐。
由于网架、网壳结构具有以上诸多的特点,我国从1964年以来已建成为数众多的不同类型、不同平面形式的网架结构。
目前我国已经成为网架生产大国,其年生产规模、建筑面积已为世界之最。
网壳结构在我国的发展和应用历史不长,但发展速度很快,应用范围在不断扩大,在网壳结构选型、计算理论、稳定性分析、节点构造、加工制作和施工安装等方面已做了大量的工作,取得了较多的成果。
由于网架、网壳结构能适应不同跨度、不同平面形状、不同支承条件、不同功能需要的建筑物,不仅中小跨度的工业与民用建筑有应用,而且被大量应用于中大跨度的体育馆、展览馆、大会堂、影剧院、车站、飞机库、厂房、仓库等建筑中。
网架、网壳多采用钢结构,也有钢筋混凝土结构网架和钢-混凝土组合网架结构(网架上弦采用预制或现浇混凝土平板代替上弦钢杆件),但目前很少应用,因此不作介绍。
4、索膜结构
索膜结构的连接必须要满足结构受力要求和耐久要求,具体连接构造见图1.8。
(a)(b)(c)
(d)(e)(f)
(g)(h)(i)
(j)(k)(l)
图1.8索-膜连接构造
5、管桁架结构
桁架结构是指由杆件在端部相互连接而组成的格子式结构,管桁架即是指结构中的杆件均为圆管杆件。
管桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力,应力在截面上均匀分布,因而容易发挥材料的作用,这些特点使得桁架结构用料经济,结构自重小。
易于构成各种外形以适应不同的用途,譬如可以做成简支桁架、拱、框架及塔架等,因而桁架结构在现今的许多大跨度的场馆建筑,如会展中心、体育场馆或其他一些大型公共建筑中得到了广泛运用。
管桁架结构中的杆件均在节点处采用焊接连接,而在焊接之前,需预先按将要焊接的各杆件焊缝形状进行腹杆及弦杆的下料切割,这就需要对腹杆端头进行相贯线切割及弦杆的开槽切割。
由于桁架结构中各杆件与杆件之
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