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建筑中钢结构的工程设计分享
浏览次数:66 次 发布日期:2015/10/31 15:17:59 来源:http://kchong.huishoushang.com/

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。

目前有很多企业在建筑工程建设中大量地使用了钢结构,基本上反应了钢结构的发展过程。如某工程的:

一期熔炼车间主厂房、硫酸车间净化电除雾系统等,受力构件全部为钢结构;

二期工程中新的结构型式网架的使用,提升了我厂的建设水平;

三期工程电解主厂房屋架采用钢管桁架代替了砼桁架,减轻了屋架重量,加快了施工速度。另外,大量的钢管架和钢平台、钢构筑物的使用,有效地缩短了建设工期,取得了较好的经济效益,同时也为我厂的建设者提供了较好的学习和锻炼机会。

就在三期工程设计中的一些体会,有相关人士来谈谈工业建筑中钢结构的设计,意在抛砖引玉,唤起大家对己在工业建筑中广泛使用的钢结构的进一步探索。

钢结构的设计准备主要有以下两个方面。

1、全面系统地熟悉工艺条件工艺条件为工艺设计人员向土建设计人员提供的工艺布置图和工艺荷载资料。工艺布置图中须明确各工艺流程之间的相互关系和平面、空间上的相对位置,它将直接决定结构布置和构件的计算长度,并对计算结果的正确与否产生重大影响。工艺荷载资料包括工艺荷载的类型、作用方式和大小,是结构计算的主要依据。在熟悉工艺条件的基础上,初步判定结构处理办法。如出现结构无法处理的工艺条件,则须迅速反馈给工艺设计人员,并与工艺设计人员商量修改办法。

2、收集掌握设计资料需要收集的设计资料包括当地的气象资料和建设场地的工程地质情况。气象资料包括当地的风荷载、雪荷载以及地震荷载,和建设场地的工程地质资料是结构计算的重要依据。对于己收集的设计资料须进行甄别,保留对本工程设计有用的资料。

钢结构设计钢结构设计程序归纳起来如:铜业工程工艺条件其他设计资料确定结构型式,明确传力方式明确结点约束关系,确定计算简图构件选型,结构计算根据计算结果和构造要求,选定各结构规格和型号绘制钢结构施工图钢结构设计程序。1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,传力方式即己确定,因而结构型式也得以确定。传力方式一般是板一梁一柱一基础。但荷载给哪根柱子须视梁的布置方式不同而定。

钢结构设计中要明确结点约束关系,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,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,柱也为两端简支。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。

门型钢架简支梁简支柱

3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选定型钢的型号,对于桁架则根据同样程序确定桁求。选择框架柱截面尺寸时也可在满足上述要求的架的挠度,作为刚度计算的依据。前提下,考虑类似的设计进行选择。

受压构件则分两种情况。一般受压构件根据类

2、结构计算。结构计算包括对各构件进行强吴新明:工业建筑中钢结构的设计度、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bi与厚度t之比: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。

腹板计算高度ho与其厚度tw之比:将计算结果与容许挠度比较,判断其是否满足刚度要求。

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(本文从略)。

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强度计算:整体稳定性计算(平面内):整体稳定性计算(平面外):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: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:当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. 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Nb和承压承载力设计值Nb中的较小者,且不得大于按摩擦型连接计算的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.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,国内己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。

3、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。

4、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。

各构件详图明确各构件的详细尺寸,是结构制作的依据。节点详图则表示各构件间连接详图,是构件组装的依据。

结语钢结构设计是非常复杂的工作,包含的内容很广。本文所涉及的仅为其中的一部分,却概括了钢结构设计的主要程序及各阶段应注意事项,不同工程的设计仅在某个过程深化或简化。

随着计算机技术的发展,电脑己广泛应用于钢结构设计中。计算过程趋于简单化,数据处理趋于复杂化。如:多次超静定结构的计算甚至空间结构的计算,采用传统方法计算的话,计算工作量是十分庞大的,计算非常困难且很容易出现错误,但应用近年来比较普遍使用的钢结构计算软件将使计算变得简单、准确。因而一些新的结构型式相继应用在各种行业,推动了钢结构的发展。

因此对于非常复杂且不断发展的钢结构,我们必须认真扎实地掌握并应用相关的知识,才能做好设计工作。

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