钢结构设计经验

　随着国家经济水平的不断提高，钢结构房屋越来越多，广泛应用于工业和民用建筑中。下面是我整理钢结构设计经验的范文，欢迎阅读!

　钢结构设计经验篇一

　1设计时钢材、焊缝质量等级的正确选用

　在钢结构设计文件中，应当注明所用钢材的质量等级(包括相适应的焊接材料型号)，并对焊缝质量提出质量等级要求。钢结构房屋所使用的钢材应当具有抗拉强度、屈服强度、伸长率、冷弯试验和硫、磷含量的合格保证;对于焊接钢结构，尚应具有含碳量的合格保证。在地震区，钢结构所使用的钢材，除了具有上述合格保证外，《建筑抗震设计规范》(gb5001l-2001)还要求它们具有冲击韧性的合格保证。为保证结构有必要的安全储备和足够的塑性变形能力，《建筑抗震设计规范》(gb5001l-2001)还对钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值、伸长率的限值和良好的可焊性等物理力学指标做出了明确的规定，并要求写入设计文件中。通常，钢结构的主要受力构件宜采用q235b 及以上等级的碳素结构钢和q345b 及以上等级的低合金高强度结构钢。不建议使用质量等级为a 级的钢材，原因是这种类型的钢材不保证冲击韧性和延性性能，q235a级钢材还不保证焊接要求的含碳量限值。在钢结构中，焊接连接已成为钢结构连接的最基本方法，焊缝质量的好坏直接影响到结构安全，所以应当根据结构或构件的重要性和受力性能及焊缝的受力情况，确定焊缝的质量等级。一般来说，板材的对接焊缝，承受动力荷载构件(如吊车梁)的较重要的焊缝，需作疲劳验算的焊缝，以及须与钢材等强的受拉、受弯对接焊缝(如框架梁、柱及其连接节点的对接焊缝，工字形截面与其端板的对接焊缝)，其焊缝应采用坡口全熔透对接焊缝，其焊缝质量等级不得低于二级。其他部位的焊缝，一般均可采用角焊缝。角焊缝由于应力集中现象严重，内部探伤亦很困难其焊缝质量等级一般只能是三级，其中某些重要角焊缝可允许要求其外观缺陷符合二级的要求。

　2门式钢架房屋的温度区段内应按规范设置独立的空间稳定支撑体系

　(1)应将屋面横向水平支撑和柱间支撑布置在同一跨间内，形成独立的空间支撑体系，既利于抗震，又给施工安装带来方便。

　(2)将屋面横向水平支撑设在端部第二个开间的同时，应在端跨相应位置设置刚性纵向系杆，使山墙的风荷载等水平力能可靠传递。

　(3)屋面支撑的布置应与山墙抗风柱的位置相协调，使抗风柱的柱顶反力能直接传到屋面横向支撑的节点上，使山墙处屋面系统受力简单化，从而保证结构的安全。

　(4)屋面横向水平支撑的直腹杆(包括屋脊处和柱顶处)应按刚性系杆考虑。采用檩条兼做时，应对檩条的刚度和承载力进行验算。否则，檩条很难起到刚性系杆作用，因为常用的z 形或c 形冷弯薄擘型钢檩条侧向刚度很差，直接影响到房屋的纵向受力和传力性能。当檩条无法起到刚性直腹杆的作用时，通常应在屋脊处、柱顶处以及屋面设置横向水平支撑直腹杆，在刚架斜梁间设置钢管、h 型钢或其它截面形式的刚性杆件，以保证房屋纵向结构安全可靠地工作。在刚架转角处(边柱柱顶和屋脊，以及多跨房屋相应位置的中间柱柱顶)的刚性系杆应沿房屋全长设置。

　(5)屋面支撑和柱间支撑当采用柔性圆钢拉条时，宜设张紧装置(如花兰螺栓)，当荷载较大时，柔性圆钢拉条宜改为型钢。

　3实腹式门式刚架应按规范设置隅撑

　在檩条或墙梁与刚架的连接处，在斜梁下翼缘的受压区或刚架柱内侧翼缘的受压区，至少每隔一根檩条或墙梁应设置按受压构件设计的隅撑，将檩条或墙梁与翼缘受压区直接连接起来。采用双层屋面板时亦应设置隅撑。值得设计人员注意的是，隅撑虽小，但作用很大，它是用来保证斜梁下翼缘或刚架柱内侧翼缘受压稳定的重要措施。如果工程未按规范要求设置隅撑，或者设置得很少，或者设置得不当这都将影响刚架的整体稳定性，危及结构的安全。

　4压型钢板轻型屋面拉条的合理设置

　对于有檩体系的压型钢板轻型屋面，为了减少檩条在使用阶段和施工过程中的侧向变形和扭转，通常在檩条间要设置拉条和撑杆作为檩条的侧向支点，以保证檩条的侧向稳定。拉条按拉杆设计，撑杆按压杆设计。拉条和撑杆不大，但作用不小，设计人员必须十分重视。

　5楼面结构设计

　(1)钢结构房屋和混凝土结构房屋由于材料性质不同。温度伸缩缝区段长度差别很大。例如现浇混凝土框架结构房屋。温度伸缩缝区段长度最大为55m，钢框架结构房屋。温度伸缩缝区段长度约为120mm。为了防止或减轻混凝土楼板开裂钢框架结构房屋采用现浇混凝土楼板时，原则上仍应按混凝土结构的要求留设温度伸缩缝。只有当采用设置施工后浇带和其它减小混凝土温度变化或收缩的可靠措施时，才可以适当增大温度伸缩缝区段长度。

　(2)压型钢板组合混凝土楼板，除了按计算(并满足构造要求)在钢梁上焊接栓钉外，为了保证混凝土和压型钢板共同工作，它们之间应有连接措施。其连接措施可以依靠压型钢板的纵向波槽或依靠压型钢板上的压痕、开的小洞或冲成的不闭合孔眼，也可以依靠压型钢板上焊接的横向钢筋。由于产品规格的限制，目前国内带纵向波槽的压型钢板和带压痕或开小洞的压型钢板不多。所以，当无法采用上述这两种板型时，要实现压型钢板和混凝土的连接，可在压型钢板上焊接横向钢筋。

　钢结构设计经验篇二

　一、轻型厂房： 这里主要指门式钢架，通常我们能做到的跨度大概就是15-36米的样子，其实做到36米的时候用钢量已经不小，基础也比较大(钢架比较小(如24米以内)的时候柱底铰接，比较大的时候用刚接)。当然，即使9米跨度，也可以做成钢架，而且这种情况还不少，主要用于不能打支撑又需要承受水平力的情况。其实门刚很简单，可以说是最简单的钢结构，因为有标准图集。这里我简单说一下;门刚的组成--门刚(骨架)，檩条，系杆，支撑，墙檩，抗风柱。基本上就这几样，下面一一说明。门刚，可用pkpm或者其它软件建模计算，导入荷载即可，恒载就是自重(檩条，支撑，屋面压型钢板及保温层等)，活荷载按荷载及门刚规范取即可(地震荷载通常不起控制作用)。这里要注意一点，门刚要注意尽量用较薄的杆件，这里是采用屈曲后的强度，在需要的时候设置构造加劲肋。其实这些书上都有的。通常屋面非轻钢专业户设计的这种门刚，30米跨以内的，应该控制用钢量在30kg左右。檩条，门刚图集上都有，根据荷载选取即可。檩条之间构造连接教科书或者图集上均有，通常选用C型或者Z型檩条(Z型檩条有个好处是可方便连接，并将檩条做成连续跨)。然后是系杆，系杆这个东西很重要，就是保证整体稳定的，保证整体稳定其实非常简单，就是每隔一段距离，我们要做一个稳定的结构，其它跨通过系杆与这一跨稳定的东东连接在一起就可以了，所以这一跨稳定的结构，我们要设置柱间支撑，同时要设置屋面支撑(还有一种轻钢就是采用桁架式，这个时候需要设置上下弦支撑)，以保证这一跨的静定结构。下面说支撑，其实上一条已经说明，就是那几招。墙檩：基本上同屋面檩条，由风荷载控制，抗风柱，按下端固结，上端铰接计算，其实是类似于梁来考虑的(pkpm中有专门计算抗风柱的一个工具)，这里注意一点即可，如果选用桁架式图集，这个时候抗风柱一定要同时跟上下弦连接，并在布置的时候考虑对齐(与桁架节点对齐)。

　二，多层钢结构(包括钢平台) 这种东西其实也比较简单，就是一个梁柱的连接过程，无非就是考虑一下梁柱的大小，其实主要是梁，通常情况，对于H或者工字钢，对于9米以内的梁，一般荷载(活荷载4以内)，梁高可以取到跨度的1/30,对于槽钢，可以1/25，对于柱子，通常情况用长细比控制，保证弱轴方向在100以内一般验算均可满足。对于国内普通厂房，通常采用设置支撑的方式来进行设计，因为这样一来简单，而来经济(梁柱其实可以采用刚性节点，但不光是节点费力费钱，整体计算的时候也要复杂-费材料一些)，当然，很多情况还是需要做成刚节点。但，通常如果设置了支撑以后，结构可按无侧移计算，(国内采用pkpm稍微麻烦一点，因为pkpm不能单侧选择无侧移或者有侧移，只能整体)相对来说很多指标均很好控制。另外，钢结构楼面一般选用花纹钢板或者格栅板，从刚度上来说，格栅板有优势，但格栅板上面走动肯定会掉灰下来。 其实钢结构设计，说到底长细比是一个很重要的概念，拉杆，压杆，都不一样。通过长细比的概率，再计算应力及稳定，重点其实是稳定。然后就ok了 总结：钢结构最重要的是支持体系，即保证稳定，所以，我们通常做成超静定体系，这样发生问题以后不至于倒塌。特别说明，钢结构虽然也可以悬挑，但通常我们都要增加支撑，特别是高层，主要是保证其为超静定体系。

　钢结构设计经验篇三

　(一) 判断结构是否适合用钢结构

　钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、雕塑、仓棚、工厂、住宅、山地建筑和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。

　(二) 结构选型与结构布置

　结构选型及布置是对结构的定性，由于其涉及广泛,应该在经验丰富的工程师指导下进行。此处仅简单介绍 详请参考相关专业书籍

　在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是"概念设计",它在结构选型与布置阶段尤其重要 对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部构造措施。 在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择，所得结构方案往往易于手算、力学行为清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

　林同炎教授在《结构概念和体系》一书中介绍了用整体概念来规划结构方案的方法，以及结构总体系和个分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。

　钢结构通常有框架、平面桁架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构形式。

　其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决,或没有简单实用的设计方法，比如网壳的稳定等。

　结构选型时，应考虑不同结构形式的特点。在工业厂房中，当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50度外不需考虑雪载 )，如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳，总雪载和坡屋面相比释放近一半。降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。我国半数以上的此类高层为前者，对抗震不利。 结构的布置要根据体系特征,荷载分布情况及性质等综合考虑一般的说要刚度均匀力学模型清晰尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围,使其以最直接的线路传递到基础 柱间抗侧支撑的分布应均匀其形心要尽量靠近侧向力(风、震)的作用线 否则应考虑结构的扭转 结构的抗侧应有多道防线 比如有支撑框架结构,柱子至少应能单独承受1/4的总水平力 框架结构的楼层平面次梁的布置,有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高,顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子

　(三) 预估截面

　结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。

　钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。 确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

　柱截面按长细比预估 通常50<λ<150, 简单选择值在80附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等

　对应不同的结构，规范对截面的构造要求有很大的不同，如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题，在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。

　除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。

　(四) 结构分析

　目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-Δ,p-δ

　新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件:

　典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形

　简单结构通过手算进行分析

　复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析

　(五) 工程判定

　要正确使用结构软件，还应对其输出结果的做"工程判定"。比如，评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据"工程判定"选择修改模型重新分析,还是修正计算结果

　不同的软件会有不同的适用条件初学者应充分明了此外,工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离, 为了获得实用的设计方法,有时会用误差较大的假定, 但对这种误差, 会通过"适用条件、概念及构造"的方式来保证结构的安全 钢结构设计中,"适用条件、概念及构造"是比定量计算更重要的内容

　工程师们过分信任与依赖结构软件有可能带来结构灾难，注重概念设计、工程判定和构造措施有助于避免这种灾难

　(六) 构件设计

　构件设计首先是材料的选择 比较常用的是Q235和Q345 当强度起控制作用时,可选择Q345; 稳定控制时,宜使用Q235通常主结构使用单一钢种以便于工程管理 经济考虑,也可以选择不同强度钢材的焊接组合截面(翼缘Q345，腹板Q235) 另外，焊接结构宜选择Q235B或Q345B。

　当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。部分软件可以将不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级自动重新验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一，它减少了很多工作量。 但是，我们至少应注意两点：

　1软件在做构件(主要是柱)的截面验算时,计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以,尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件,我们应该逐个检查

　2当上面第(三)条中预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。

　(1) 强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度，其中,抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。

　(2) 变形超限，通常不应加大板件厚度而应考虑加大截面的高度，否则会很不经济。 使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上，除常用于网架设计外，其他结构形式常常并不合适。

　(七) 节点设计

　连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定有时出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，如果你不能确信这种不一致带来的偏差差在工程许可范围内(5%)，就必须避免。 按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接 初学者宜选择可以简单定量分析的前两者常用的参考书有丰富的推荐的节点做法及计算公式

　连接的不同对结构影响甚大比如,有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题,但会产生较大转动, 不符合结构分析中的假定 会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果

　连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法, 初学者可偏安全选用前者设计手册[2]中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用,比较方便 也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成

　具体设计主要包括以下内容:

　1焊接: 对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守 焊条的选用应和被连接金属材质适应E43对应Q235,E50对应Q345 Q235与Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50

　焊接设计中不得任意加大焊缝 焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定

　2栓接:

　铆接形式,在建筑工程中，现已很少采用

　普通螺栓抗剪性能差, 可在次要结构部位使用

　高强螺栓,使用日益广泛常用88s和109s两个强度等级根据受力特点分承压型和摩擦型两者计算方法不同 高强螺栓最小规格M12 常用M16~M30 超大规格的螺栓性能不稳定,应慎重使用。

　自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接 在低层墙板式住宅中也常用于主结构的连接 难以解决的是自攻过程中防腐层的破坏问题。

　3连接板: 需验算栓孔削弱处的净截面抗剪等 连接板厚度可简单取为梁腹板厚度加4mm，则除短梁或有较大集中荷载的梁外，常不需验算抗剪。

　4梁腹板: 应验算栓孔处腹板的净截面抗剪承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压

　5节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。

　6节点设计还应考虑制造厂的工艺水平 比如钢管连接节点的相贯线的切口可能需要数控机床等设备才能完成

　(八) 图纸编制

　钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图由设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。

　1设计图: 是提供制造厂编制施工详图的依据 深度及内容应完整但不冗余 在设计图中,对于设计依据、荷载资料(包括地震作用)、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求(包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等)、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚，以利于施工详图的顺利编制，并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。

　2施工详图:又称加工图或放样图等深度须能满足车间直接制造加工不完全相同的另构件单元须单独绘制表达，并应附有详尽的材料表

　设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位

　之间及其与钢结构公司之间不尽相同。 初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。

　概念设计的一个方面：

　当你在设计中，能够把结构看作构件，把构件看作结构，你就已经走近概念设计了。

　把结构当作构件，比如，一栋大厦的结构就是一根悬臂梁， 一座桁架大铁桥就是一根连续梁。

　把构件看作结构，比如，一个H型钢构件是由3块板组成的结构，一个钢管相贯的节点就是一个空间结构。

　对构件特性的把握：

　比如，钢管适合做二力(压)杆，不适合做抗弯构件。它做两端铰接柱或支撑很出色，但是很少用作梁。 当一个受弯构件被选成钢管截面，且程序计算不通过时，你不应通过加大截面来满足，而是应该改用有强弱轴的截面。

　如此等等，是基本的概念。

　概念设计能力，不单生成于丰富的经历与经验，更是来源于对基本的力学、材料等概念掌握。同时要求结构师有开阔的视野。

摘　要：随着社会的发展与进步，我们越来越重视房屋钢结构设计，钢结构设计对于现实生活具有重要的意义。本文主要介绍大跨度房屋钢结构设计的有关内容。

关键词：

引言

与其他材料的结构相比,钢结构具有材料强度高、结构重量轻;结构的塑性韧性较好;钢结构的制造简单施工周期短等优点。我们在进行钢结构设计时,应当从工程实际出发,合理选用钢材,选择高强度、具有较好经济指标的钢材;在结构方案选择上,应尽可能采用标准化、模数化的结构布置;在连接设计中,应选用构造简单、传力直接的节点形式,并应满足构造要求;另外,在钢结构设计中,还应保证钢结构在加工、运输、安装和使用过程中的强度、刚度和稳定性要求,并应针对钢结构的实际,满足防火、防腐的要求。宜优先选用通用的和标准化的结构和构件,减少制作、安装工作量。

1、存在的问题

门式刚架轻型房屋结构用于大跨度的单层工业厂房，其优越性越来越被业主接受，跨度也越做越大，30米以上跨度已屡见不鲜。然而由于钢材市场的价格波动，钢柱的用钢量大于钢梁的用钢梁，加上防火涂料价格的昂贵，不少业主提出采用传统的钢筋混凝土柱，H钢梁的结构形式，实际上，这已给设计人员提出了一种新的结构体系，由于目前现有的国家规范、规程没有针对这种结构进行专门的规定，譬如受力分析、变形限值等等，加上一些设计人员将其与门式刚架结构混淆，从而使设计导入误区，留下安全隐患，造成了较严重的后果，诸如钢粱挠度大大超过限值要求，甚至脱落砸伤人，因此有必要对这种结构体系有一个明确的描述，对它的受力特点有一个明确的认识，才能使设计做到合理，防患于未然

2、结构体系的描述

上述的结构形式如果钢筋混凝土柱顶与H人字形铜梁刚接，仍可定性为门式刚架体系，参照门式刚架的受力特点进行计算和设计。然而由于其柱顶与钢梁的结合上由两种完全不同的材料组成，其传力是否可靠，至关重要，钢梁为弹性材料，钢筋混凝土柱为弹塑性材料，钢筋混凝土柱顶混凝土节点区作为刚性节点，受力十分复杂，因此柱项节点的构造也较为复杂，这就给设计和施工造成了一定的难度，也增加了造价。实际上该类节点要做到完全刚性节点，也难以做到，设计时仍应适当提高钢梁跨中的弯矩系数。上述的结构形式，如果钢筋混凝土柱项与H人字形刚梁铰接，则不能定性为门式刚架体系，从其受力特点来分析，对H钢人字形钢梁应定性为两铰折线拱，应按照拱的受力特点进行计算和设计，拱脚提供的反力应能阻止拱的位移变形，在小跨度的情况下(一般为跨度18米及18米以下)，拱脚提供的反力取决于钢筋混凝土柱的抗推力(侧位移刚度)，在大跨度的情况下(一般为跨度18米以上)，则应设置拉杆或在梁、柱间采用刚接节点。对钢筋混凝土柱而言，应定性为跨变结构排架柱，按跨变排架进行受力分析和设计。

上述结构形式，如果H人字形钢梁接近于平拱或做成平拱，钢筋混凝土柱项仍与钢梁铰接，则结构体系演变为排架结构体系(无跨变排架)，可按排架进行受力分析和设计．

3、结构计算应考虑的问题

对于上述的双铰折线拱H钢屋梁和跨变钢筋混凝土排架柱的结构体系，若未设置拉杆，其计算较为繁琐，如果未予以认真对待或认识不清，仅采用通常平面杆系计算软件电算了事，不管其跨度多大都一样，则是一种不负责任的做法，也给结构留下安全隐患。实际上，目前通用的平面杆系计算软件是基于两个基本假设的基础上进行受力分析的，其一是平截面假设，即结构受力后杆件的截面保持不变，其二是杆件与杆件之间的夹角不变，即结构受力后梁，柱之间或折梁之间的夹角不变。这种假设对门式刚架而言，是符合其计算简图的，但这种假设对本文所针对的结构则不适用，也不符合实际受力的计算简图，首先人字型钢梁由于拱脚推力较大(跨度越大，推力就越大)，如果拱脚不设置拉杆或柱的抗推力(侧向刚度)不足，将产生较大水平位移，势必造成钢梁屋脊处夹角的改变，即杆件与杆件之间夹角的改变，不符合计算软件的基本假设，其次由于拱脚水平位移的加大，给钢筋混凝土柱增加了附加弯矩，即存在二阶效应问题，而软件计算又未考虑二阶效应，再者由于悬索效应，屋面钢梁内力将急剧增加，柱项的剪力也急剧增加．反过来又造成更不利的情况，这些都是目前计算软件没有考虑和解决的问题，因此电算的结果将产生较大的误差，直接用电算结果进行设计显然是不合理和错误的，势必留下安全隐患，要解决这个问题，首先应解决好计算问题。

4、大跨度房屋钢结构的设计要点

大跨度房屋主要按照荷载类型进行设计,其荷载主要分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。对于永久荷载,应采用标准值作为代表值。对于可变荷载,应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对于偶然荷载,应按照建筑结构使用的特点确定其代表值。

41 永久荷载

对大跨度房屋结构,永久荷载主要包括屋盖结构自重和屋面覆盖材料自重。屋盖结构的自重计算可采用经验公式或由计算机自动完成,在有擦体系中,还应计入擦条的自重。屋面覆盖材料自重主要是指屋面板、屋面保温层、找坡层及防水层等的自重。若有吊顶等装修构造或设备管道,按实际情况采用。

42 可变荷载

作用在大跨度房屋钢结构上的可变荷载有以下几种。

(1)屋面活荷载。屋面均布活荷载一般按屋面的水平投影面计算。对于大跨度房屋钢结构,不上人屋面,屋面均布活荷载标准值采用05kN/m2,但当施工或维修荷载较大时,应按实际情况采用,或在施工中采取特殊措施;上人屋面,屋面均布活荷载标准值采用20kN/m2。

(2)雪荷载。屋面雪荷载的大小主要与屋面的几何形状、朝向和风向等有关。大多数情况下,屋面雪荷载小于荃本雪压。这是因为雪可从坡度较大的曲面屋顶滑落,风可将松散的雪从平屋顶刮下,有时雪还可能被屋顶外皮的散热所融化。然而,有时也会产生积雪,如双坡屋面的背风一侧、双跨或多跨曲面屋顶的交接处等。此时必须考虑采用较大的雪荷载。

(3)风荷载当空气的流动受到建筑物的阻碍,就会在建筑物表面的法向形成压力或吸力,这些压力或吸力称为建筑物所受的风荷载。风荷载具有静力和动力作用的双重特点,其静力部分称为平均风或稳定风,动力部分称为脉动风。平均风对结构的作用可用静力学的方法求得;脉动风对结构的作用应采用动力学的随机振动理论求得。

(4)温度作用。

跨度房屋钢结构在因温度变化而出现温差时,由于杆件不能自由变形,会在杆件中产生应力,即温度应力。温差的大小与结构合拢时的温度与当地年最高或最低气温相关,在设计中应考虑。关于温度应力的计算原则按空问结构的相关规程执行。

(5)支座位移。大跨度房屋钢结构由于位移的不均匀沉降而引起结构杆件内附加应力。

43 偶然荷载

在大跨度房屋钢结构分析中,偶然荷载主要是指地震作用。地震作用是建筑物因地面运动而产生的一种惯性作用,属于动力作用。它的大小既与结构的固有振动特性有关,又与地面运动的特性有关。地震作用与风荷载的区别在于:① 地震作用完全属于动力作用,而风荷载具有静力和动力作用的双重特点。②地震作用与建筑物的重量直接相关,重量越大,地震作用也越大;而风荷载主要与体型(或流形)和开洞情况关系较大。③建筑物的自振周期越长,对承受地震作用越有利,而对承受风荷载却是很不利的。地震作用包括水平地震作用和竖向地震作用两类。一般情况下,应在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用,对于8度和9度区,还应计算大跨度房屋钢结构的竖向地震的作用。大跨度房屋钢结构的地震作用一般可采用振型分解反应谱法计算;对于某些规则的网架和网壳结构还可采用简化计算方法;对特别重要或体型特别复杂的空间结构,应采用时程分析法进行补充计算。

结束语

钢结构虽然相对简单，但设计中仍有很多需要注意的问题，只有熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。

平面杆件结构根据其组成特征和受理特点可以分成：梁、刚架、桁架、拱以及组合结构。

梁是一种受弯构件，其轴线通常为直线。梁可以是单跨的或多跨的。

拱的轴线为曲线，其力学特点是在竖向荷载作用下有水平支座反力（推力）。

桁架由直杆组成，所有节点都为铰接点。

钢架也由直杆组成，其节点通常为刚结点。

组合结构是桁架和梁或钢架组合在一起形成的结构，其中含有组合节点。

结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科，它是土木工程专业和机械类专业学生必修的学科。

结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在各种效应（外力，温度效应，施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力（轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算，位移（线位移，角位移）计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应（自振周期，振型）的计算等。

结构力学通常有三种分析的方法：能量法，力法，位移法，由位移法衍生出的矩阵位移法后来发展出有限元法，成为利用计算机进行结构计算的理论基础。

大跨度索支承实腹式门式钢架钢结构应用研究

 

提要：本文针对普通大跨度实腹式门式刚架随着跨度的增大经济性指标下降的问题，提出了索支承实腹式门式刚架结构体系。索支承实腹式门式刚架只须通过伸长撑竿施加预应力，比较于其他需要张拉钢索的预应力钢结构它是一种节点构造简单、施工简便，预应力效果明显的结构。本文详细分析了这种结构的受力性能，施工工艺和主要结点构造。通过对某72m跨度的粮食仓库采用索支承门式刚架的实例计算，得出了一些有实用意义的结论和建议，为工程设计和施工提供了参考。

关键词：大跨度 索支承实腹式门式刚架

 

一、概述 

 

  我国有多例跨度60~72米的实腹式轻钢门式刚架工程，包括湛江港从美国引进的60米跨的保税仓库、北京西郊机场从美国引进的一座跨度72米的飞机库，和国内自行设计大连72米门式刚架粮仓储备库，跨度再大的就非常少见。这是因为随着跨度的增大，刚架梁的挠度和梁柱节点弯矩显著增加，对刚架起控制作用的往往是刚架梁的跨中挠度，这时候采用较高强度的钢材不能解决问题，须要加大刚架截面。此时，增大截面是为了控制变形，没有充分利用钢材的强度。

  因此普通大跨度实腹式门式刚架用钢量大幅度增加，经济性指标大大下降，削弱了轻钢结构自重轻这一优势。国内自行设计的大连72米门式刚架粮仓储备库，最大截面已达到1800Ⅹ300Ⅹ12Ⅹ14，用钢量（仅刚架部分，不包括围护结构）达到497kg/m2[9]。

  针对上述问题，目前有几种解决方法，例如采用预应力格构式门式刚架、在普通实腹式门式刚架柱顶布置直线式预应力钢索。但是预应力格构式刚架对部分杆件施加预应力，预应力钢索的布置比较复杂，节点构造繁琐给施工带来不便。门式刚架柱顶布置直线式钢索须待刚架整体安装完毕后张拉钢索施加预应力，无法避免高空作业。而且刚架中直线式预应力索的效率往往不能充分发挥作用，而且预应力对梁的平面内稳定非常不利。

  为了增加斜梁刚度，并降低结构用钢量，本文提出了索支承实腹式门式刚架这种新型预应力钢结构形式。 

 

二、索支承实腹式门式刚架的结构形式和施工工艺 

 

  索支承门式刚架梁下的拉索通过三根竖撑杆与刚架梁发生作用，此时的拉索不仅仅是给结构施加预应力的手段，而且成为刚架横梁的下弦杆，较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度。钢拉索两端锚固在刚架柱顶，梁跨中屋脊位置设置一道撑竿，视刚架跨度和所需预应力大小可在半跨内再各设一道，其中拉索采用高强度钢绞线，撑竿采用双层的套丝钢套管，通过旋动钢套管的外管使撑竿伸长（图1和图2）。 

  索支承实腹式门式刚架的特点在于施加预应力的方法有两种：可以直接张拉钢索施加预应力，也可以通过伸长撑竿施加预应力。后一种预应力施加方法是靠旋长撑杆来实现的，给索支承刚架施加预应力就是通过人为伸长撑竿来张紧和拉长钢索使钢索中产生预应力的过程。拉索预先锚固在柱顶的连接牛腿中（图5），旋长撑竿必然撑紧拉索，也就给拉索施加了预拉力。由于撑竿所受的力是拉索预应力的竖向分力，而拉索于竖直方向夹角接近90度，所以此分力相比于拉索预应力非常小。而旋转撑竿本身又是利用杠杆原理，这样施加预应力是便不需要张拉设备，采用电动扳手甚至于人工便可完成。

  由于预应力的大小随钢索的伸长量变化，而钢索的伸长量可以通过撑竿的伸长来控制，因此预应力水平易于控制，同时改变撑竿的数目和位置就可以控制加在刚架梁上的向上的顶力。

  索支承刚架的梁柱节点构造与普通刚架相同，但是撑竿和钢索、撑竿和梁以及钢索和刚架的连接节点需要作特殊处理。两端带有反向螺纹的钢管撑杆一端通过焊接与钢梁相连（图4），另一端焊接在槽形夹片上通过螺栓与拉索相连（图3）。钢索通过多孔夹片锚具锚固在柱牛腿上（图5）。撑竿和梁下翼缘以及槽形夹片的焊接都应采用工厂焊接以保证质量。 

 

三、索支承大跨度门式刚架的力学性能

 

  与一般预应力结构一样预应力调整了刚架梁、柱受力状态，降低了外荷载作用下的内力峰值和刚架梁的跨中挠度，从而使预应力刚架比普通刚架的内力和变形有大幅度下降，提高了刚架的承载力、增大了结构刚度。从刚架梁柱节点和梁跨中弯矩在受力全过程三个阶段的变化（图7）不难看出索支承刚架三个阶段的受力就是加载——卸载——再加载的过程。

  索支撑门式刚架除了具有传统预应力结构增强结构刚度、降低柱顶弯矩及柱脚反力的优点外，还具有一些自身的特点：

  （1） 较传统预应力门式刚架预应力效果更明显、具有更大的承载能力

  施加预应力后，不难从刚架内力图（图3）上看出，不仅钢拉索对柱顶产生向内的拉力，同时与传统预应力结构比较撑竿还对刚架产生向上的顶力。向上的顶力能够抵消很大一部分竖向外荷载，因此施加了预应力后的索支撑门式刚架承受外荷载后，梁柱中最终弯矩减小甚至反号。

  预应力钢索和撑竿的内力随着外荷载的施加而变化（图8和图9），在起控制作用的竖向荷载作用下钢索和撑竿的内力有显著增加，对整个刚架承受更大的外荷载起到很大作用。

  （2） 较传统预应力门式刚架结构具有更大的结构刚度

  拉索不仅仅给结构施加了预应力，而且成为刚架横梁的下弦杆，无疑较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度。

此外，在竖向荷载作用下，索支承刚架的撑竿和钢拉索分别对刚架梁和柱起到弹性支撑的作用，增强了刚架特别是梁的刚度。

  （3）避免刚架梁在平面内失稳

  对于一般屋面坡度较小的实腹刚架来说，刚架横梁的轴向力较小，所以设计时不需验算横梁的平面内稳定承载力，而横梁的平面外的稳定性则靠檩条和隅撑来保证。预应力门式刚架中的横梁面外稳定性同样靠檩条和隅撑来保证，但其面内的力学性能与一般刚架不同。因为拉索中的预拉力在使刚架梁产生上拱变形的同时，还给斜梁施加了一个较大的轴向压力，这样斜梁就成为一个典型的压弯构件，其稳定问题不容忽视。而索支承门式刚架结构则很好的解决了这一问题：索支承结构中的拉索通过竖撑竿杆不仅给刚架施加了预应力，而且竖杆端部也成为了刚架梁在刚架平面内的一个弹性支承点，这样刚架横梁在平面内的稳定计算长度便可大为折减。布置若干个这样的竖杆便可保证了刚架梁平面内的稳定性[2]。 

 

四、实例分析 

 

  为分析索支撑实腹式门式刚架的受力性能，本文对跨度72m，檐口高度24m，柱距9m，屋面坡度1：20的某粮食仓库采用索支撑门式刚架进行了计算。

考虑到撑竿在施加预应力过程中伸长量很大，计算时应考虑大变形。本文采用几何非线性方法进行计算，以一榀刚架为单元，按平面结构处理。

施工过程中刚架的实际受荷过程分三个阶段：

第一阶段——刚架在现场拼装完成后，此时刚架只承受自重。

第二阶段——刚架拼装后，安装钢拉索和撑竿，然后旋撑竿施加预应力，此时刚架同时承受自重和预应力。

第三阶段——刚架在正常使用阶段承受全部使用荷载。

因此，刚架受力性能分析计算按照以上三个阶段进行。

  刚架在正常使用阶段的荷载最不利组合考虑以下几种计算工况：

  （1）1 2恒荷载+14活荷载

  （2）10恒荷载+14风荷载(向右)

  （3）12恒荷载+14风荷载（向右）

  （4）12恒荷载+14×085（活荷载+风荷载(向右)）

  通过仔细分析表1中数据和不同阶段刚架内力变化图可以看出，施加了预应力后的梁柱节点弯矩由自重作用下的-50367KNm增至21703KNm，梁跨中弯矩由31378KNm减至-36596KNm（图7）。此时刚架梁柱的内（应）力几乎与竖向荷载作用下的内（应）力反号，预应力对刚架起到了很好的卸载作用，而且刚架梁柱的应力均不大（表1）。刚架承受外荷载作用时，虽然2、3两种荷载组合作用下由于风荷载对屋盖向上的吸力作用，刚架的内力在施加预应力后的内力基础上略有增加，但结果表明这两种工况引起的最终内力都不起控制作用。在竖向荷载作用下，刚架梁柱节点和跨中内力分别由第二阶段的21703KNm和-36596KNm逐渐变到-127312KNm和11605KNm（图7）。

  施加预应力后刚架梁的跨中挠度由自重作用下的1802mm（向下）变为2632mm（向上），柱顶侧移由72mm（向外）变为188mm（向内）（表1）。

  对截面进行进一步优化后，上述72m跨度的粮仓采用索支承预应力门式刚架用钢量（仅为刚架部分，未包括钢拉索和撑竿）为322 kg/m2，比原来用普通门式刚架（文献[8]）节省用钢量约35％左右。即采用撑竿和钢索施加预应力可以提高大跨度门式刚架的经济指标，从而增大门式刚架的经济适用跨度。

 

五、小结

 

  索支承实腹式门式刚架增大了实腹式门式刚架的实用经济跨度，改善了梁柱的受力性能，提高了承载能力，增大了整体刚度。与直线式布索的普通预应力刚架比较索支承刚架的预应力效果更明显，整体刚度更大，施加预应力的方法施工简便，容易实现