钢结构塑性设计

第10章

钢结构的塑性设计和抗震设计

§10-1 塑性设计的基本概念

钢材具有良好的延性，在保证结构构件不丧失局部稳定和侧向稳定的情况下，可以在超静定结构中的若干部位形成具有充分转动能力的塑性铰，引起结构内力的重分配（redistribution of internal forces ），从而发挥结构各部分的潜能。这种以整个结构的极限承载力作为结构极限状态的塑性设计（plastic design ）方法具有如下的优点：

（1）与通常的弹性设计方法相比，可以节约钢材（10％～15％）和降低造价； （2）对整个结构的安全度有更直观的估计。通常的弹性设计方法在弹性范围内可以给出精

确的内力和位移，但给不出整个结构的极限承载能力； （3）对连续梁和低层框架的内力分析较弹性方法简便。

1914年匈牙利建立了世界上第一座塑性设计的建筑物，随后英、加、美等国均在本国建立了塑性设计的工程。英国在1948年第一个把塑性设计方法引进了BSS499规范。随后，以英国和美国为中心，迅速地普及塑性设计。现已公认，塑性设计简单、合理，而且可以节约钢材，所以英国和荷兰的低层建筑几乎全部采用塑性设计，美国和加拿大的大部分低层建筑也应用塑性设计。

我国1988年的《钢结构设计规范》（GBJ17-88）开始列入塑性设计，新修订的GB50017规范又进行了局部修改。

10.1.1 简单塑性分析方法

一、塑性铰的性质

本书§4-2和§7-2节分别介绍了受弯构件和压弯构件全截面屈服的条件，当其截面满足了屈服条件时，就认为在该截面形成了塑性铰。实际的塑性铰附近截面均发展了一定的塑性（见图10.1.1a ），形成了一个塑性区域。为了简化计算，认为塑性区仅集中在塑性铰截面，杆件的其它部分都保持弹性。

(a) (b)

图10.1.1 塑性铰及其性质

由图

10.1.1b 可见，当在外荷载作用下，杆件的某一截面达到塑性弯矩M p 以后，该截面除可以传递该弯矩外，在力矩作用方向上允许有任意大小的转动，但不能传递大于M p 的弯矩。当荷载反向作用（或卸载）时，塑性铰恢复弹性，可以传递反方向弯矩，但不能任意转动，只有当反方向弯矩达到塑性弯矩时，才会形成反向的塑性铰。

二、简单塑性分析的基本假设

M p s M

简单塑性分析（simple plastic analysis ）也称为极限分析（limit analysis ），其基本假设如下：

（1）结构构件以弯曲为主，且钢材是理想的弹塑性体，不考虑强化效应； （2）所有荷载均按同一比例增加，即满足简单加载条件；

（3）假设结构平面外有足够的侧向支撑，构件的组成板件满足构造要求，能保证结构中塑

性铰的形成及充分的转动能力（rotation capacity ），直到结构形成机构（mechanism ）之前，不会发生侧扭屈曲，板件不会发生局部屈曲。 （4）采用一阶分析方法，不考虑二阶效应。

分析时假设变形均集中于塑性铰处，塑性铰间的杆件保持原形。

三、极限分析方法

1. 极限分析定理

根据塑性力学，结构的极限分析定理如下：

（1）上限定理 对于一个给定的结构与荷载系，只要存在一个满足运动约束条件的机动场（运动可能场），使外荷载所做的功率不小于内部塑性变形所消耗的功率，由此所得的荷载值，总是大于或等于真正的极限荷载。

（2）下限定理 对于一个给定的结构与荷载系，只要存在一个满足平衡条件，且不破坏屈曲条件的内力场，由满足平衡条件的内外弯矩所求得的荷载值，总是小于或等于真正的极限荷载。

（3）极限分析的全解 在极限分析中，如所求的内力场和机动场能同时满足平衡条件、破坏机构条件和屈服条件，则所求得的解答，即为极限分析的全解。如果所求荷载既是极限荷载的上限，又是其下限，则该荷载便是真实的极限荷载。 2. 极限分析方法

针对上述极限分析定理，可有相应的二种分析方法：破坏机构法和极限平衡法。 （1）破坏机构法

当不考虑平衡方面的要求，而只考虑机动与屈服条件，用上限定理求出荷载的上限解，称为破坏机构法。其步骤为：

① 确定结构上可能出现塑性铰的位置，一般塑性铰出现在集中力作用处、嵌固支座处和均布荷载作用时剪力为零的地方；

② 画出可能的破坏机构，并找出各塑性铰处的位移关系； ③ 运用虚功原理逐一计算各破坏机构的破坏荷载，其中最小的即为极限荷载的上限值。虚功原理的公式为：

∑∑===m

j j pj n i i i M P 1

1

θδ (10.1.1)

式中：i P ，i δ为结构所受的第i 个外力和相应该外力方向的虚位移；

pj M ，j θ为某破坏机构中出现的第j 个塑性铰处的塑性弯矩和相应的虚转角。

④ 用平衡方程求出弯矩图，并检查是否满足pj pj M M M ≤≤-的塑性弯矩条件。 [例题10-1] 图10.1.2示门式刚架的所有杆件均具有相同的塑性弯矩M p ，求其极限荷载P u 。 [解] 可能出现塑性铰的位置是点1、2、3、4和5处。有三种可能的破坏机构如图10.1.2中的(b)、(c)和(d)所示。

运用虚功原理，对机构(1)有θθp M l

P

P 42

=?=?，则l

M P p 81=

。

图10.1.2 例题10-1图

对机构(2)有)(2

θθθθθ+++=?P M l

P

，则l

M P p 82=

对机构(3)有)22(21θθθθ+++=?+?P M P P ，即θθp M l P 6=，则l

M P p 63=

故l

M P P p u 63=

=

图10.1.2(e)为弯矩校核，对机构(3)，所有弯矩pj pj M M M ≤≤-，故u P 为该结构的极限荷载的上限。图中虚线是弯矩最大点（5点）的弯矩达到屈服弯矩M y =0.89M p 时弹性状态下结构

的弯矩图，由图中可以看出，塑性弯矩的出现顺序是5→4→3→1。 （2）极限平衡法（静力法）

当不考虑机动方面的要求时，只考虑平衡与屈服条件，用下限定理求出极限荷载的下限解，称为极限平衡法。其步骤为：

① 去掉多余约束，并用未知力代替，将超静定结构化为静定结构（基本体系）； ② 分别按外荷载和未知力在基本体系上画弯矩图；

③ 将弯矩图迭加，并使最大或最小弯矩达到塑性弯矩M p 或－M p ； ④ 解平衡方程组，并求出极限荷载； ⑤ 检查是否满足破坏结构条件。

[例题10-2] 试用极限平衡法，求例题10-1的极限荷载P u 。

[解] 取基本体系如图10.1.3(a)所示。外荷载和未知力引起的弯矩图如(b)、(c)所示。针对1、2、3、4、5各点弯矩迭加如下：

Pl Vl M M -+=1 ①

2

22Hl Pl Vl M M --

+= ②

(a) 门式刚架 (b) 梁机构(1) (c) 侧移机构(2) (d) 组合机构(3) (e) 弯矩图校核

M p

p =M y )

223Hl Vl M M -+

= ③ 2

4Hl

M M -= ④

M M =5 ⑤

由(b)、(c)判断M 5、M 4、M 3可能先达到塑性弯矩，即假设M 5=M p 、M 4=－M p 、M 3=M p ，分

别代入式⑤、④、③，并求解得：

p M M =

l M H p 4=

l

M V p 4=

将M 、H 、V 各值代入公式①、②得：

Pl M M p -=51

2

32Pl M M p -

= 若假设M 2=－M p ，可得： l

M P p 8=

、p p M M M -<-=31，显然是不对的。

若假设M 1=－M p ，可得：

图10.1.3 例题10-2图

(a) 基本体系

(b) 外荷载弯矩图

(d) 最终弯矩图

M P

M P

M P

M P

· ·

·

·

(c) 各未知力弯矩图

l

M P p 6=

、02=M ，此时最终弯矩图如图10.1.3(d)所示，由图可见满足破坏机构条

件。因此其极限荷载为：

l

M P p u 6=

回顾例题10-1，由于该解既是机构上限解，又是平衡下限解，故该解为真实的极限荷载。 由上述二个例题可以看出，对于一些简单的超静定结构，破坏机构法相对简捷些，常为人们采用。

10.1.2 塑性设计的试用范围

我国规范规定塑性设计适用于不直接承受动力荷载的固端梁、连续梁以及由实腹构件组成的单层和两层框架结构。

考虑到只采用简单的塑性理论进行分析，所以规定塑性设计只适用于形成破坏机构过程中能产生内力重分配的超静定梁和超静定实腹框架。由于变截面构件的塑性铰位置很难确定，目前的塑性设计仅适用于等直截面梁和等截面框架结构。

一、二层的实腹框架中，构件截面除受弯矩作用外，还有一定的轴心力，因而构件实为压弯构件或拉弯构件。轴心力的存在将降低截面所能承受的塑性弯矩。但一、二层框架构件中的轴心力一般不大，可以认为是以受弯为主，塑性分析时可略去轴力影响，仅在截面的强度验算中考虑轴力的作用。

对于两层以上的框架，我国的理论研究和实践经验都较少，所以没有包括在内。按简单塑性理论分析，不考虑二阶效应，对二层以上的框架将产生不利影响。如果设计者掌握了二阶理论的分析和设计方法，并有足够的依据时，也不排除在两层以上的框架设计中采用塑性设计。

由于动力荷载对塑性铰的形成和内力重分配等的影响，目前研究的还不够，故规范限制塑性设计法应用于直接承受动力作用的结构中。

§10-2 塑性设计的必要条件

10.2.1 对钢材的要求

钢结构塑性设计主要是利用在结构中的若干截面处形成塑性铰后，在该截面处发生转动而产生内力重分配，最后形成破坏机构，因此要求钢材必须具有良好的延性。规范规定按塑性设计的钢结构，其钢材必须满足三个条件：

(1) 强屈比f u /f y ≥1.2；

(2) 伸长率δ5≥15％； (3) 相应于f u 的应变εu 不小于20

倍的屈服点应变εy 。 这三个条件不但要求钢材具有良好的延性，而且要求具有足够的强化阶段，这是保证塑性铰具有充分的转动能力和

板件进入塑性后仍能保持局部稳定所需

要的。试验研究表明，由f u /f y ＝1.1的钢

材制作的连续梁不能实现塑性设计所求

得的承载极限，这是因为强屈比太小的ζf f y st u y 5图10.2.1 塑性设计对钢材性能的要求

钢材一旦屈服后，钢材的应变硬化模量E st 也将非常小，即使组成板件的宽厚比再小，也会过早地失去稳定，降低塑性铰处承受弯矩的能力。超静定次数越多的结构，在形成破坏机构时，要求先期出现的塑性铰处的转动角度越大，因此还必须满足δ5和εu 的要求（图10.2.1）。

10.2.2 对板件宽厚比的要求

塑性设计的前提是在梁、柱等构件中必须形成塑性铰，且在塑性铰处承受的弯矩等于构件的塑性弯矩，而且在塑性铰充分转动、使结构最终形成破坏结构之前，塑性铰承受的弯矩值不得降低。如果组成构件的板件宽厚比过大，可能在没达到塑性弯矩之前就发生了局部屈曲，或者虽然在达到塑性弯矩形成塑性铰之前没有发生局部屈曲，但是有可能在塑性铰没来得及充分转动，使结构内力重分配并形成机构之前，板件在塑性阶段就发生了局部屈曲，使塑性弯矩降低。

国内外的研究均证明，板件的宽厚比越小，板件在塑性屈服后失稳时的临界应变（反映了塑性变形能力）就越大。图10.2.2给出了纯弯工字梁试验中，试件翼缘外伸宽厚比235/)/(y f t b 与失稳时相对临界应变y cr εε/之间的相关关系试验点，图中实线为理论曲

线。因此，要保证塑性铰截面有充分的转动能力，就必须对板件的宽厚比给以较常规设计更严格的限制。表10.2.1是GB50017规范对塑性设计截面板件的宽厚比规定。

表10.2.1 塑性设计板件宽厚比限值

10.2.3 防止弯扭屈曲和其它构造要求

按塑性设计要求，已形成塑性铰的截面，在结构尚未达到破坏机构之前必须能继续变形，

为了使塑性铰在充分转动中能保持承受塑性弯矩M p 的能力，不但要避免板件的局部屈曲，而且

235

y f t b y

cr εε

图10.2.2 翼缘失稳与临界应变关系

必须避免构件的侧向弯扭屈曲，为此，应在塑性铰处及其附近适当距离处设置侧向支承点。试验证明：塑性铰与相邻侧向支承点间的梁段在弯矩作用平面外的长细比λy （简称侧向长细比）越小，塑性铰截面的转动能力θ/θy 就越强（图10.2.3），θy 为试验测定的塑性铰截面处的最大弹性转角。因此，可用限制侧向长细比λy 作为保证梁段在塑性铰处的转动能力的一项措施。GB50017规定，在构件出现塑性铰的截面处，必须设置侧向支承。该支承点与其相邻支承点间构件的长细比λy 应符合下列要求：

当5.011

≤≤

-f

W M px 时： y px y f

f W M 23540

601

???

? ?

?-≤λ (10.2.1) 当0.15.01

≤≤

f

W M px 时： y px y f f W M 23510451

??

?

? ?

?-≤λ (10.2.2)

式中：W px ——对x 轴的塑性毛截面模量；

λy ——弯矩作用平面外的长细比，λy ＝l 1/i y ，l 1为侧向支承点间距离，i y 为截面回

转半径；

M 1——与塑性铰相距为l 1的侧向支承点处的弯矩，当长度l 1内为同向曲率时M 1/(W px f )

为正，反之为负。

式(10.2.1)和(10.2.2)是以塑性铰处的最大转动能力θmax /θy ＝10为标准，按试验资料加以简化得到的经验公式。

不出现塑性铰的构件区段，其侧向支承点间距，应按非塑性设计时有关构件弯矩作用平面外的整体稳定计算确定。

除防止侧向弯扭屈曲的要求之外，塑性设计的结构尚应考虑下述构造要求：

(1) 为避免引起过大的二阶效应，受压构件的长细比不宜大于y f /235130。这比弹性设计的稍严。

(2) 所有节点及其连接应有足够的刚度，以保证节点处各构件间的夹角保持不变。为达此目的，采用螺栓的安装接头应避开梁和柱的交接线，或者采用加腋等扩大式接头。构件拼接和构件间的连接应能传递该处最大弯矩设计值的1.1倍，且不得低于0.25W px f ，

以便使节点强度稍

/θ

y

M/M 图10.2.3 侧向长细比与塑性铰转动能力关系

有余量，减少在连接处产生永久变形的可能性。

(3) 为了保证在出现塑性铰处有足够的塑性转动能力，当板件采用手工气割或剪切机切割时，应将预期会出现塑性铰部位的边缘刨平。当螺栓孔位于构件塑性铰部位的受拉板件上时，应采用钻成孔或先冲后扩钻孔。这是因为剪切边和冲孔周围带来的金属冷加工硬化，将降低钢材的塑性，从而降低塑性铰的转动能力。

§10-3 塑性设计的构件计算

因为塑性设计是以发挥构件截面的最大塑性强度为计算依据的，故其构件承载力的计算表达式均采用了内力表达形式。对规范中所规定的塑性设计适用范围，结构和构件的正常使用极限状态仍可采用荷载的标准值，并按弹性理论计算。

10.3.1 受弯构件的强度计算

弯矩M x （对H 形和工字形截面x 轴为强轴）作用在一个主平面内的受弯构件，其弯曲强度应符合下式要求：

f W M pnx x ≤ (10.3.1) 受弯构件的剪力V 假定由腹板承受，剪切强度应符合下式要求：

v w w f t h V ≤ (10.3.2) 上两式中：W pnx ——对x 轴的塑性净截面模量； h w 、t w ——腹板的高度和厚度；

f 、f v ——钢材的抗弯和抗剪强度设计值。

构件只承受弯矩M 作用时，截面的极限状态为M ≤M P ＝W pn f y ，考虑了抗力分项系数后，就得到公式(10.3.1)。

在受弯构件和压弯构件中，剪力的存在会加速塑性铰的形成。在塑性设计中，一般将最大剪力的极限规定为腹板截面的剪切屈服承载力，即V ≤V p ＝h w t w f vy ，考虑了抗力分项系数后，就得到公式(10.3.2)。由于钢材实际上并非理想弹－塑性体，而是有应变硬化阶段的，因此，塑性铰截面处的应变硬化部分对塑性弯矩的提高作用，抵消了剪力的存在对塑性铰弯矩的降低作用。也就是说在满足公式(10.3.2)的前提下，仍可采用公式(10.3.1)计算受弯构件的弯曲强度。

10.3.2 压弯构件的强度验算

由§7-2节中弯矩作用在一个主平面内的压弯构件全截面屈服准则得到的公式(7.2.10a)和(7.2.10b)，可以变换为下述的压弯构件强度验算公式：

当

13.0≤f

A N

n 时， f W M pnx x ≤ (10.3.3a) 当6.013.0≤<

f

A N

n 时，

f W f

A N

M p n x n x )1(15.1-

≤ (10.3.3b) 式中：A n ——净截面面积。

在应用上述公式计算时，其剪切强度仍应符合公式(10.3.2)的要求。

10.3.3 压弯构件的整体稳定验算

弯矩作用在一个主平面内的压弯构件，其稳定性应符合下列公式的要求： (1) 弯矩作用平面内：

1)

8.01('

≤-+Ex px x mx x N N f W M Af N

β? (10.3.4) 式中x ?、'

Ex N 和mx β应按§7-3节的有关规定采用。

(2) 弯矩作用平面外：

1≤+f

W M Af N

px b x tx y ?βη? (10.3.5) 式中y ?、b ?、η和tx β应按§7-4节的有关规定采用。

[例题10-3] 设例题10-1中的门式刚架轴线尺寸为l ＝6m ，所受荷载的设计值P ＝660kN ，试按塑性设计选择梁柱截面。钢材为Q235B 级钢。计算时可忽略梁、柱自重。 [解]

1. 求M P 及刚架内力

由例题10-1和10-2的塑性分析知l

M P P P

u 6=

=，则 m kN Pl M p ?=?==

6606

66606 根据内力平衡条件，求得形成机构时的刚架内力分布如图10.3.1所示。

2. 求所需W pnx,t

由公式(10.3.1)得：

366,1007.3

21510660mm f M W p t pnx ?=?==

m N

220kN 440kN 440kN

440kN

220kN

图10.3.1 形成机构时的刚架内力图

3. 试选焊接H 形截面（见图10.3.2）

翼缘面积

272801426022mm A f =??=

腹板面积

2720012600mm A w =?=

总面积

214480720072802mm A A A w f =+=+=

t pnx pnx W mm W ,3610315.33001230061414260>?=??+??=

4. 验算板件宽厚比

(1) 翼缘：986.814/124/<==t b

(2) 腹板：由图10.3.1知梁、柱均为压弯构件，且最大压力设计值相同，N max ＝440kN ，

因37.014.0215

1048.14104403

3

<=???=Af N 故

58)14.010072(5012

6000=?-<==w t h 均能满足局部稳定的要求。

5. 板件承载力验算

(1) 腹板剪切强度验算

梁、柱中的最大剪力设计值相同，V max ＝440kN ，

kN kN f t h v w w 44090012512600>=??=

(2) 梁、柱构件承载力验算

梁、柱均为压弯构件，且最大弯矩和压力的设计值分别相同，按压弯构件验算： 因13.014.0>=f

A N

n 故

m kN m kN f W f

A N

pnx n ?>?=???-?=-

66089.70421510315.3)14.01(15.1)1(15.16 6. 平面内整体稳定验算

(1) 刚架梁、柱计算长度确定

由于梁、柱均为压弯构件，均应按压弯构件验算弯矩作用平面内的整体稳定。

刚架柱平面内的计算长度应按附表6.2有侧移框架柱的计算长度系数确定。由于梁和柱的截面相同，因此梁上端的梁、柱线刚度比K 1就等于刚架的高跨比0.5，柱下端与基础刚接，取K 2＝10，由附表6.2查得柱计算长度系数μc ＝1.30，柱平面内计算长度等于l 0xc =μc l /2=1.3×300＝390cm 。

1图10.3.2 例题10-3图

刚架梁平面内的计算长度可按附表6.1无侧移框架柱的计算长度系数确定。此时可将刚架横置，以横梁为受压柱，将柱看成远端为嵌固的横梁，如图10.3.3所示。根据附表6.1的注1，应将横梁线刚度乘以2，因此柱（实际为梁）上、下端横梁(实际为柱)与柱的线刚度比K 1＝K 2＝4，由表查得实际梁的计算长度系数μb ＝0.611，梁平面内计算长度等于l 0xb =μb l =0.611×600＝366.6cm 。

(2) 计算参数确定

梁、柱毛截面绕x 轴的惯性矩

4483390225100225.9)6001242628260(12

1

cm mm I x =?=??-?=

梁、柱截面绕x 轴的回转半径

cm A I i x x 258

.14490225≈==

梁绕x 轴的长细比

7.1425

6.3660===

x xb xb i l λ 柱绕x 轴的长细比

6.1525

3900===

x xc xc i l λ 查附表4.2得梁、柱的轴心受压构件稳定系数分别为：983.0≈xb ?，982.0≈xc ?。 参数kN N EA N

xb Exb

5825222'10237.110237.17.141.1144801006.214.31.1?=?=????==λπ kN EA N

xc Exc

525222'

10098.16

.151.1144801006.214.31.1?=????==λπ 由§7-3节公式(7.3.8)的等效弯矩系数mx β的规定中可知： 柱①： 65.035.065.0121=+=M M mx β

柱②： 30.035.065.035.065.01

2

2=-=+=M M mx β

梁：

85.0=mx β（同号曲率为1.0，反号曲率为0.85）

(3) 平面内整体稳定验算

考虑轴力和弯矩的综合作用，以梁为最不利，梁的稳定：

图10.3.3 梁的无侧移框架模型

)

8.01('

Exb b px xb

mx xb b N N f W M Af N -+β?)10

237.1104408.01(21510315.31066085.0215

10448.1983.0104408

3

6

6

4

3???-?????+????=0.1933.0789.0144.0≤=+=

故刚架梁柱平面内的整体稳定，及其截面的局部稳定和强度承载力均满足要求。 建议读者自行完成侧向支承点设置和压弯构件弯矩作用平面外整体稳定的验算。

§10-4 钢结构抗震设计特点

地震（earthquake ）是一种自然现象，它带给世界人类的损失是巨大的。我国是地震多发国家，曾多次遭受大地震袭击，特别是1976年的唐山大地震，给人民的生命、财产造成了巨大损失。近年来，随着地震工程科学的发展，通过建筑的抗震设防（seismic fortification ），使得建筑物的耐震能力大大提高，有效地保证了人们的生命财产安全。

钢结构强度高、重量轻、延性和韧性好，综合抗震性能好，但也曾发生过在地震中倒塌的重大事故。在进行钢结构的抗震设计（seismic design ）时，应从历次震害中吸取教训，除了在强度和刚度上提高结构的抗力外，还要从如何增大钢结构在往复荷载作用下的塑性变形能力和耗能能力（energy absorbing capacity ），以及减小地震作用（earthquake action ）方面全面考虑，做到既经济、又可靠。

结构的抗震设计是一门专门的课程，本节只拟简要介绍与钢结构有关的抗震设计特点。

10.4.1 钢结构的震害特点

历次地震表明，在同等场地、地震烈度（seismic intensity ）条件下，钢结构房屋的震害要较钢筋混凝土结构房屋的震害小得多。以1985年9月墨西哥城大地震（里氏8.1级）的震害为例，其中倒塌和严重破坏的钢结构房屋为12栋，而钢筋混凝土房屋却有127栋。

钢结构的震害主要有节点连接的破坏、构件的破坏以及结构的整体倒塌三种形式。

一、节点连接的破坏

1. 框架梁柱节点区的破坏

1994年美国诺斯里奇（Northridge ）地震和1995年日本阪神地震均造成了很多梁柱刚性节点的破坏。

图10.4.1是诺斯里奇地震时，H 形截面的梁柱节点的典型破坏形式。由图中可见，大多数节点破坏发生在梁端下翼缘处的柱中，这可能是由于混凝土楼板与钢梁共同作用，使下翼缘应力增大，而下翼缘与柱的连接焊缝又存在较多缺陷造成的。图10.4.2示出了焊缝连接处的多种失效模式。保留施焊时设置的衬板，造成下翼缘坡口熔透焊缝的根部不

能清理和补焊，在衬板和柱翼缘板之间

图10.4.1 诺斯里奇地震中的梁柱连接裂缝

形成了一条“人工缝”，在该处形成的应力集中促进了脆性破坏的发生，这可能是造成破坏的重要施工工艺原因。

图10.4.2 诺斯里奇地震中梁柱焊接连接处的失效模式

(a)焊缝-柱交界处完全断开；(b)焊缝-柱交界处部分断开；(c)沿柱翼缘向上扩展，完全断开；

(d)沿柱翼缘向上扩展，部分断开；(e)焊趾处梁翼缘裂通；(f)柱翼缘层状撕裂；(g)柱翼缘裂通

(水平方向或倾斜方向)；(h)裂缝穿过柱翼缘和部分腹板

图10.4.3(a)是阪神地震中带有外伸横隔板的箱形柱与H型钢梁刚性节点的破坏形式，(b)图中的“1”代表了梁翼缘断裂模式；“2”及“3”代表了焊缝热影响区的断裂模式；“4”代表柱横隔板断裂模式。上述连接破坏时，梁翼缘已有显著的屈服或局部屈曲现象。此外，连接裂缝主要向梁的一侧扩展，这主要和采用外伸的横隔板构造有关。

图10.4.3 阪神地震中梁柱焊接连接的破坏模式

2. 支撑连接的破坏

在多次地震中都出现过支撑与节点板连接的破坏或支撑与柱的连接的破坏。1980年在日本的宫城县-大木地震中，一栋两层的框架-支撑结构（两层仓库），由于支撑节点的断裂，使仓库的第一层完全倒塌。

采用螺栓连接的支撑破坏形式如图10.4.4所示，包括支撑截面削弱处的断裂、节点板端部剪切滑移破坏、以及支撑杆件螺孔间剪切滑移破坏。

图10.4.4 支撑连接破坏

支撑是框架-支撑结构中最主要的抗侧力部分，一旦地震发生，它将首当其冲承受水平地震作用，如果某层的支撑发生破坏，将使该层成为薄弱楼层，造成严重后果。

二、构件的破坏

1. 支撑杆件的整体失稳、局部失稳和断裂破坏

在框架-支撑结构中，这种破坏形式是非常普遍的现象。支撑杆件可近似看成两端简支轴心受力构件，在风荷载和多遇地震作用下，保持弹性工作状态，只要设计得当，一般不会失去整体稳定。在罕遇地震作用下，中心支撑构件会受大巨

大的往复拉压作用，一般都会发生整体失稳现象，并

进入塑性屈服状态，耗散能量。但随着拉压循环次数

的增多，承载力会发生退化现象。图10.4.5是支撑杆

的拉压受力特征，由图中可以看出，支撑在压力作用

下一旦失去稳定，就会变成压弯杆，承载力迅速下降，

并在杆中央部位形成塑性铰。当随后承受拉力作用时，

由于存在残余的塑性弯曲变形，受拉刚度很小，只有

形成反向塑性铰后，支撑的抗拉刚度才逐渐恢复，直

至全截面受拉屈服。支撑在拉压循环荷载作用下的滞

回性能（hysteretic loops）如图10.4.6所示，由图中可

以看出，长细比大的支撑，整体失稳后的承载力退化

图10.4.5 支撑杆的受力特征

要比长细比小的严重得多。

图10.4.6 支撑杆件的滞回性能

当支撑构件的组成板件宽厚比较大时，往往伴随着整体失稳出现板件的局部失稳现象，进而引发低周疲劳和断裂破坏，这在以往的震害中并不少见。试验研究表明，要防止板件在往复塑性应变作用下发生局部失稳，进而引发低周疲劳破坏，必须对支撑板件的宽厚比进行限制，且应比塑性设计的还要严格。

2. 钢柱脆性断裂

在1995年阪神地震中，位于芦屋市海滨城高层住宅小区的21栋巨型钢框架结构的住宅楼中，共有57根钢柱发生了断裂，所有箱形截面柱的断裂均发生在14层以下的楼层里，且均为脆性受拉断裂，断口呈水平状，如图10.4.7所示。分析原因认为：(1)竖向地震及倾覆力矩在柱中产生较大的拉力；(2)箱形截面柱的壁厚达50mm，厚板焊接时过热，使焊缝附近钢材延性降低；(3)钢柱暴露于室外，当时正值日本的严冬，钢材温度低于零度；(4)有的钢柱断裂发生在拼接焊缝附近，这里可能正是焊接缺陷构成的薄弱部位。

图10.4.7 一幢19层钢结构建筑在第六层产生钢柱断裂、梁及支撑开裂、支撑屈曲

三、结构的倒塌破坏

1985年墨西哥大地震中，墨西哥市的Pino Suarez 综合大楼的三个22层的钢结构塔楼之一倒塌，其余二栋也发生了严重破坏，其中一栋已接近倒塌。这三栋塔楼的结构体系均为框架-支撑结构，细部构造也相同，其结构的平面布置如图10.4.8所示。

图10.4.8 塔楼结构平面布置

分析表明，塔楼发生倒塌和严重破坏的主要原因之一，是由于纵横向垂直支撑偏位设置，导致刚度中心和质量重心相距太大，在地震中产生了较大的扭转效应，致使钢柱的作用力大于其承载力，引发了三栋完全相同的塔楼的严重破坏或倒塌。由此可见，规则对称的结构体系对抗震将十分有利。

1995年阪神地震中，也有钢结构房屋倒塌，倒塌的房屋大多是1971年以前建造的，当时日本钢结构设计规范尚未修订，抗震设计水平还不高。在同一地震中，按新规范设计建造的钢结构房屋的倒塌数要少得多，说明震害的严重与否，和结构的抗震设计水平有很大关系。

10.4.2 抗震结构体系

在钢结构房屋中用的较多的结构体系有框架结构（图10.4.9a ）、框架-中心支撑结构（图10.4.9b ）和框架-偏心支撑结构（图10.4.9c ）等。

纯框架结构延性好，抗震性能好，但由于抗侧刚度较差，不宜用于层数太高的建筑。框架-中心支撑结构抗侧刚度大，适用层数较多的建筑，但由于支撑构件的滞回性能较差，耗散的地震能量有限，抗震性能不如纯框架。框架-偏心支撑结构可通过偏心连梁（link beam ）e 的剪切屈服，耗散地震能量，同时又能保证支撑不丧失整体稳定，抗震性能优于框架-

中心支撑结构。

(a) (b) (c) 图10.4.9 纯框架与框架-支撑结构

图10.4.10 各种支撑框架的滞回性能

图10.4.10中给出的中心支撑框架和偏心支撑框架在往复水平荷载作用下的滞回性能试验曲线就说明了这一点。

采用能与钢框架抗侧刚度相匹配的内藏钢板剪力墙（图10.4.11a）和带竖缝剪力墙（图10.4.11b）代替支撑，可构成框架-抗震墙板结构，其抗震性能优于框架-中心支撑结构。

(a)内藏钢板剪力墙与框架连接(b)带竖缝剪力墙与框架连接

图10.4.11 框架-抗震墙板结构

当房屋刚度更高时，可采用沿建筑周边设置密柱深梁框架构成的框筒结构。框筒结构抗侧刚度大，并具有较好的抗震性能。

各种钢结构体系房屋的适用高度和高宽比不宜大于表10.4.1和10.4.2的规定。

表10.4.1 钢结构房屋适用的最大高度(m)

注：1. 房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度（不包括局部突出屋顶部分）；

2. 超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。

表10.4.2 钢结构民用房屋适用的最大高宽比

10.4.3 抗震设计要求

一、对钢材性能的要求

钢结构的钢材应符合下列规定：

(1) 抗侧力结构的钢材宜采用等级为B级的Q235碳素结构钢和Q345低合金高强度结构钢，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1951的规定。当有可靠根据时，也可以采用其它钢种和钢号的钢材，其性能应符合下列要求：

①钢材的抗拉强度与屈服强度的实测值之比不应小于1.2；

②钢材的伸长率应大于20％，且应有明显的屈服台阶；

③钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧性；

④偏心支撑框架中的耗能连梁不得采用屈服强度高于345N/mm2的钢材。

(2) 采用焊接连接的节点，当板厚不小于40mm，且沿板厚方向承受拉力作用时，应对该部分钢材提出沿厚度方向受拉试件破坏后的断面收缩率的附加要求，该值不得小于现行国家标准

《厚度方向性能钢板》GB/T5313规定的Z15级的容许值。

(3) 用于抗震设计类别C 类以上的抗侧力体系钢结构中的所有坡口全熔透焊缝的填充金属，其零下30℃的夏比冲击功应大于或等于27焦耳。

二、对结构布置的要求

(1) 建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。即在进行房屋的平、剖、立面设计和结构体系布置时，应尽可能做到房屋体形简单、平面规则对称，同时房屋中抗侧力结构的布置应尽可能的均匀、对称，使房屋各楼层的总体刚度中心尽可能与楼层的质量中心相重合或相接近，并应尽可能使房屋的刚度和质量沿竖向均匀连续、没有突变。

(2) 钢结构房屋宜避免采用不规则建筑结构方案，不设防震缝。若房屋必须采用比较复杂的平面形状时，则宜用防震缝将房屋划分为几个平面规则、对称的独立单元，为了避免地震时各部分之间相互碰撞，防震缝的宽度应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。

三、对结构设计的要求

(1) 在进行结构设计时，应根据建筑的抗震设防类别、抗震设计烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较，选择合适的结构体系。

(2) 结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，可考虑多道抗震防线。宜使结构在两个主轴方向的动力特性相近，并尽量使其基本自振周期（fundamental period ）远离场地的特征周期（characteristic period of ground motion ），以防止共振，减小地震作用。

(3) 应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。例如，框架结构应设计成强柱弱梁型，以防止形成柱子倒塌结构。

(4) 结构应具有必要的抗震承载力、良好的变形能力和消耗地震能量的能力。例如，为避免传统的梁柱刚性节点发生脆性破坏，可采用图10.4.12所示的在节点附近削弱梁翼缘截面的办法，或采用图10.4.13所示在节点处设置加强梁段的办法，使梁中承受最大应力的截面离开梁柱接触表面，充分发挥塑性转动能力和消耗地震能量的能力。偏心支撑框架中的耗能连梁具有相似的能力。

(5) 对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。例如，应体现强节点弱构件的设

图10.4.12 用狗骨式翼缘板及翼缘钻

孔法使塑性铰外移

图10.4.13 采用加强短梁段的树状梁柱节点

计思想，避免诸如支撑的连接节点先于杆件破坏所引发的震害。

(6) 应体现大震不倒、小震不坏的抗震设计目标，采用多遇地震时按弹性设计、罕遇地震时按弹塑性进行变形验算的二阶段设计方法进行抗震设计。在进行小震设计时，钢结构均处于弹性，阻尼比较小，可取为0.02；大震验算时进入弹塑性状态，阻尼比增大，可取0.05。

10.4.4 抗震构造要求

我国《建筑抗震设计规范》(GB50011)的第8章、第9章和附录G ，针对不同的工业与民用建筑钢结构体系，规定了相应的抗震构造措施。这些措施虽不尽相同，但其目的和手段却是一样的，那就是通过限制受压构件的长细比、梁平面外的长细比、构件组成板件的宽厚比、采取措施增强连接节点的承载能力以及控制制作和施工质量等手段，达到结构在罕遇地震作用下能承受较大的往复塑性变形、吸收和耗散地震输入的能量而不倒塌的目的。有关具体规定，请参见GB50011规范，此处不再赘述。

习 题

10-1 试用简单塑性分析方法，求出图所示超静定梁的极限荷载。当0< <1时，试求最大极限

荷载的作用位置和数值（用M p 表示）。

10-2 试用简单塑性分析法，求出如图所示门式刚架的极限荷载，图中梁柱截面完全相等。 10-3 假设习题10-2图的刚架l =3m ，q =120kN/m （为荷载的设计值），试按塑性设计选择梁、柱

截面。计算时可忽略梁柱自重。

10-4 试述钢框架梁柱刚性节点的震害特点和原因。

10-5 结合第2章有关钢材低周疲劳的内容，试说明为什么由拉压滞回曲线丰满的钢材制成的支

撑杆件会出现滞回环的退化现象。

10-6 墨西哥大地震中Pino Suarez 综合大楼的主要倒塌原因是什么？ 10-7 房屋钢结构的抗震结构形式有哪些？它们的抗震性能如何？ 10-8 抗震设计时应注意哪些问题？

10-9 钢结构抗震构造措施的手段和目的是什么？

参 考 文 献

10.1 钢结构设计规范编制组，《钢结构设计规范》应用讲解，北京：中国计划出版社，

2003

习题10-2图

习题10-1图

10.2李和华等译，钢结构塑性设计指南，北京：中国建筑工业出版社，1981

10.3陈绍番，钢结构设计原理(第二版)，北京：科学出版社，1998

10.4中华人民共和国国家标准，建筑抗震设计规范(GB50011-2001)，北京：中国建筑工业出版

社，2001

10.5陈富生等，高层建筑钢结构设计，北京：中国建筑工业出版社，2000

10.6林若實，铁骨構造学詳論，東京：丸善株式會社，1985

10.7张耀春等，钢支撑杆件滞回特性的模拟与试验研究，“高层建筑钢结构成套技术”课题专

题报告之十三，哈尔滨建筑工程学院，1991

2011钢结构设计期末 复习题 考题 附答案 (7)

一、选择题（每题2分） 1.大跨度结构常采用钢结构的主要原因是钢结构（B） A.密封性好 B.自重轻 C.制造工厂化 D.便于拆装 2、钢材的设计强度是根据（C ）确定的。 A、比例极限； B、弹性极限； C、屈服强度； D、极限强度。 3.钢结构的承载能力极限状态是指（ C ） A.结构发生剧烈振动 B.结构的变形已不能满足使用要求 C.结构达到最大承载力产生破坏 D.使用已达五十年 4、某构件发生了脆性破坏，不经检查可以肯定下列问题中（ A ）对该破坏无直接影响。 A、钢材的屈服点过低； B、构件的荷载增加速度过快； C、存在冷加工硬化； D、构件有构造原因引起的应力集中。 5.钢材的抗拉强度fu与屈服点fy之比fu/fy反映的是钢材的（A ） A.强度储备 B.弹塑性阶段的承载能力 C.塑性变形能力 D.强化阶段的承载能力 6、Q235钢按照质量等级分为A、B、C、D四级，由A到D表示质量由低到高，其分类依据是（C ）。 A、冲击韧性； B、冷弯试验； C、化学成分； D、伸长率。 7. 钢号Q345A中的345表示钢材的（ C ）

A.fp值 B.fu值 C.fy值 D.fvy值 8.钢材所含化学成分中，需严格控制含量的有害元素为( C ) A.碳、锰 B.钒、锰 C.硫、氮、氧 D.铁、硅 9、同类钢种的钢板，厚度越大，（A ）。 A、强度越低； B、塑性越好； C、韧性越好； D、内部构造缺陷越少。 10.对于普通螺栓连接，限制端距e≥2d0的目的是为了避免( D ) A.螺栓杆受剪破坏 B.螺栓杆受弯破坏 C.板件受挤压破坏 D.板件端部冲剪破坏 11、以下关于应力集中的说法中正确的是（ B ）。 A、应力集中降低了钢材的屈服强度 B、应力集中产生同号应力场，使塑性变形受到限制 C、应力集中产生异号应力场，使钢材变脆 D、应力集中可以提高构件的疲劳强度 12.Q235与Q345两种不同强度的钢材进行手工焊接时，焊条应采用( C ) A.E55型 B.E50型 C.E43型 D.H10MnSi 13.在搭接连接中，为了减小焊接残余应力，其搭接长度不得小于较薄焊件厚度的( A )

2021年钢结构住宅设计论文

2021年钢结构住宅设计论文 1钢结构的优点 一般来说，材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比，钢结构有如下一些特点。 1.1材料的强度高，塑性和韧性好钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。 1.2材质均匀，与力学计算的假定比较符合钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波动的范围小。 1.3钢结构制造简便，施工周期短钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼装，可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要

进行拆迁。 1.4钢结构的重量轻钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3至1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，如建造在交通不便的山区和边远地区的工程，重量轻也是一个重要的有利条件。 当然任何一种材料都不是十全十美的，钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺，在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用，并取得了良好的效果。钢材长期经受100℃辐射热时，强度没有多大变化，具有一定的耐热性能，但温度达150℃以上时，就须用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。 2钢结构住宅的特点 钢结构住宅与传统结构相比，在使用功能、设计、施工以及综合经济方面具有优势，主要体现在以下方面。 2.1设计制造周期短，设计生产一体化现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件，使得设计周期大大缩短，设计中的修改和调整非常方便。同时，由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点，

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钢结构设计期末复习

第一章 1.轻型门式刚架结构的定义及适用范围。 2.门式刚架的结构形式 3.门式刚架结构支撑和刚性系杆的布置原则 4.门式刚架的计算方法 5.门式刚架变截面柱的验算内容 6.门式刚架变截面斜梁的验算内容 7.门式刚架变截面柱计算长度的确定方法 8.门式刚架隅撑的作用及其布置原则？ 9.门式刚架结构节点的连接形式 10.门式刚架梁柱端板连接节点设计时所需验算的内容 11.实腹式檩条的内力计算有什么特点？ 12.檩条的验算内容。 13.檩条布置的拉条起什么作用？如何布置。为什么要设置檩托？ 14.绘图示意门式刚架柱上桥式吊车支承牛腿的构造，并简要说明其传力过程。 15.某轻型门式刚架结构，轴线尺寸为120×48m，两连跨，每跨双坡，跨度24m,柱距6m, 檐口高度8m,试布置支撑体系。（画屋面支撑平面布置示意图、柱间支撑立面示意图）16.某工业厂房平面尺寸为320m×54m，采用两连跨，每跨双坡，跨度为27m，柱距为8m， 高7m，试布置其柱网及支撑体系。 17.写出门式刚架结构体系中10种构件的名称。 18.摇摆柱、抗风柱、锚栓、刚性系杆、柱脚 第二章 1.厂房结构的组成 2.柱网布置应考虑哪些方面 3.为什么要对厂房结构设置温度伸缩缝？常用的做法有哪些？ 4.框架柱类型 5.厂房结构的支撑体系有何作用？ 6.柱间支撑的作用和布置原则 7.厂房结构柱间支撑应如何布置？它是否与屋盖支撑布置在同一开间？为什么？ 8.厂房屋盖支撑有哪几种形式？ 9.简述屋盖支撑的作用？ 10.简述屋盖支撑的布置原则？ 11.各种屋面支撑宜取什么形式？怎样计算？ 12.常见屋架的形式及适应范围 13.简单对比三角形钢屋架与梯形钢屋架的特点？ 14.简支屋架计算时杆件平面内和平面外计算长度的取值

钢结构设计说明精

钢结构设计说明 一、工程概况 (1结构体系:下部为混凝土框架结构体系,上部固定屋面为钢结构悬挑桁架结构体系。 (2支撑形式:悬梁桁架结构支撑于下部混凝土结构柱和外圈落地钢结构内外柱上。 二、结构设计依据 (一结构设计施工遵循的规范,规程及规定 (1建筑结构可靠设计统一标准GB50068-2001 (2 建筑结构荷载规范GB50009-2001(2006年版 (3抗震设防分类标准GB50223-2008 (4建筑抗震设计规范GB50011-2001(2008年版 (5钢结构设计规范GB50107-2003 (6建筑钢结构焊接技术规程JGJ81-2002 (7混凝土结构设计规范GB50010-2002 (8冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002 (9高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99-98 (10建筑地基基础设计规范JGJ5007-2002 JGJ61-2003 网壳结构技术规程(11． (12网架结构设计与施工规程JGJ7-91 (13钢结构高强度螺栓连接的设计施工及验收规程JGJ82-2002 (14建筑钢结构防火设计规范CECS200:2006 (15建筑桩基技术规范JGJ94-2008 (16建筑地基处理技术规范JGJ79-2002 (17建筑基坑支护技术规程JGJ120-99 (18建筑基桩检测技术规范JGJ106-2003,J256-2003 (19钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001 (20优质碳素钢结构GB/T699-1999 (21碳素钢结构GB/T700-88 (22低合金高强度结构钢GB/T1591-94 (23碳钢焊条GB/T5117-95 (24低合金高强度结构钢GB/T5118-95 (25埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂GB/T5293-1999 (26低合金钢埋弧焊用焊剂GB/T12740 (27熔化焊用焊丝GB/T14957-94 (28气体保护电弧焊用碳钢,低合金钢焊丝GB/T8110-95 (29六角头螺栓GB/T5782 GB/T5782 级-C六角头螺栓(30． (31钢结构用高强度大六角螺栓螺母垫圈技术要求GB/T1228-1231 (32涂装前钢材表面锈蚀等级和涂装GB8932 (33钢结构防火涂料应用技术规程CECS:24-90

谈钢结构住宅建筑设计研究(2)

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/e010104117.html, 谈钢结构住宅建筑设计研究 作者：李谷满 来源：《城市建设理论研究》2013年第11期 摘要：本文阐述了常用钢结构住宅体系，探讨了钢结构住宅建筑设计措施。 关键字：钢结构；住宅；建筑；设计 中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号： 一、常用钢结构住宅体系 钢结构体系形式有多种，但应用于住宅建筑的钢结构体系主要可分为轻钢龙骨体系、纯钢框架体系、钢支撑框架体系、钢框架一混凝土剪力墙体系、错列析架体系、钢框架一核心筒体系等。不同的结构体系有不同的适用范围，虽然有些结构体系应用范围较广，但通常会受到经济等因素的限制。轻钢龙骨结构体系较适用于1~3 层的低层住宅，不适用于强震区的高层住宅。纯钢框架体系一般适用于6 层以下的多层住宅，不适用于强震区的高层住宅，并且用于高层住宅经济性相对较差。钢支撑框架体系比纯钢框架体系侧向刚度大，常用于多层及小高层住宅，应用较广;而且当房屋层数较高时，该体系要比纯钢框架体系经济。钢框架—混凝土剪力墙体系常用于小高层及高层住宅;而且从受力特点看出，带缝剪力墙体抗震性能较好，较适用于地震区。错列析架结构体系具有住宅布置灵活、楼板跨度小、结构自重轻和造价低的特点，是一种经济、实用、高效的新型结构体系，适用于多层及小高层住宅。 为了体现钢结构住宅的优越性，减轻结构自重，外墙体一般采用轻质复合板，与梁柱的连接方式，主要采用外挂式，也可采用内嵌式。内墙材料一般可采用空心砌块、加气混凝土等轻质填充材料，也可采用纸面石膏板，纤维石膏板、玻璃纤维增强水泥板、纸面稻草板。楼板体系作为房屋的水平构件，起着支撑竖向荷载和传递水平荷载作用。因此楼板必须有足够的强度、刚度和整体稳定性，还要具有较好的隔音、防水和防火性能，同时宜尽量采用技术和构造措施减轻楼板自重，并提高施工速度。国外钢结构住宅普遍采用木板为楼层板，我国由于木材资源短缺，现阶段主要采用压型钢板—现浇混凝土组合楼板、预制混凝土叠合板、现浇钢筋混凝土楼板、密排托架—现浇混凝土组合楼板、轻骨料或加气混凝土楼板。 钢结构建筑的屋顶依据屋面材料和屋面的结构布置，可以做成平屋顶或是坡屋顶。平屋顶即在钢楼板层的基础上只需将面层换做防水层材料或是彩色涂层牙型钢板，并按要求设置一定的排水坡度和排水天沟。坡屋顶的构造一般是在钢屋架上设置檩条，上铺彩色涂层压型钢板或彩钢板夹芯板，采用彩钢夹芯板，色彩美观，还具有一定的保温隔热效果，施工简便，可以做到不渗水。 二、钢结构住宅建筑设计要点

钢结构住宅建筑设计探讨 吴启东

钢结构住宅建筑设计探讨吴啟东 发表时间：2019-07-24T11:30:51.380Z 来源：《防护工程》2019年8期作者：吴啟东[导读] 本文对上述问题进行了分析,并对住宅平面进行了研究,推出几种适合钢结构体系的住宅单体平面。 广东天元建筑设计有限公司 528237 摘要：钢结构住宅的建筑设计是钢结构住宅设计的重要组成部分,钢结构住宅除了要将钢结构建筑的特点体现出来之外,同时又要满足多样化的住宅功能需求，使人们对多样化住宅功能的需求得到满足，故设计人员应该着力解决钢结构结构体系和住宅房型功能需求之间的冲突，同时还应与住宅建筑设计相结合，基于此，本文对钢结构住宅建筑设计进行了分析和介绍，着力解决住宅房型功能需求与钢结构结构体系的矛盾,并结合住宅建筑设计,采用标准化、模数化的方式对连接部件和结构构件进行设计。本文对上述问题进行了分析,并对住宅平面进行了研究,推出几种适合钢结构体系的住宅单体平面。 关键词：钢结构；住宅；建筑设计；标准化;模数化 前言：在我国住宅建筑工程高速发展的今天，有越来越多的住宅工程开始采用钢结构体系，整个住宅建筑工程的质量在很大程度上受到了设计质量的影响，因此在住宅工程设计中钢结构住宅建筑设计具有十分重要的地位，正因为如此住宅建筑设计人员开始重视钢结构的设计工作并全面的提升住宅建筑工程的整体质量。钢结构住宅跟传统的砌筑式住宅不同,具有自重轻、强度高、抗震性能好、施工快等优点,钢构件以工厂加工为主,易实现标准化、模数化、系列化,同时,其结构体系及维护体系也有别于传统的住宅同时也是钢结构住宅的建筑设计是钢结构住宅设计的重要组成部分。因此杜宇钢结构住宅,需要针对钢结构建筑的特点,在建筑设计方面进行研究,并对一些特殊问题进行深入探讨。 1钢结构住宅建筑的优势 (1)便于功能区间的合理布置钢结构住宅本身具有较强的钢材强度，因此在布置的时候可以采用大开间柱的方式，灵活地分割建筑平面，通过其非承重墙体可以对室内空间进行灵活分割，从而实现开放式住宅。同时，由于钢结构具有连接简单的优势，因此可以将跃层或错层结构更好地应用在垂直平面内。在结构布置条件相同的情况下，通过改造可以根据需要改成2室2厅2卫或者2室2厅1卫两种形式。 (2)具有较高的抗震性能和承载强度在荷载相同的情况下，采用钢结构具有最小的截面；在截面相同的情况下，采用钢结构具有最大的承载力。因为钢结构本身具有较轻的重量，4层砖混结构的重量相当于6层轻钢住宅的重量，所以地震对钢结构的影响作用比较小。 (3)具有较短的设计制造周期通过对专业化结构分析软件和计算机的运用，钢结构住宅建筑设计中能够极大地缩短设计周期，而且还可以很方便地进行设计修改和调整。由于可以实现工厂预制和现场安装，因此设计人员在工作室完成钢结构住宅的设计工作之后，工厂的生产线就可以将后续的产品制作完成，因此其可以有效的缩短项目建设周期[1]。 (4)钢结构重量轻、强度高。从国内外震害调查结果看,钢结构住宅建筑倒塌数量最少。钢结构构件、墙板及有关部品在工厂制作,减少现场工作量,缩短施工工期,钢结构住宅在工地的施工实质上是工厂产品的组装和集成,再补充少量无法在工厂进行的工序项目,符合产业化的要求。钢材可以回收,建造和拆除时对环境污染较少。符合推进住宅产业化,发展节能省地型住宅的国家政钢结构工厂制作质量可靠,尺寸精确,安装方便,易与相关部品配合。 2存在的主要问题 (1)钢结构住宅的研发投入不够如对钢结构住宅防火、防腐性能研究及施工集成的研究还不系统配套。当前要集中力量解决多层(4～6层)、小高层(11～12层)、高层(12层以上)与钢结构住宅配套使用的外墙板性能、生产、施工和价格的难题。 (2)缺乏政策的配套和支持,缺乏系统合理的协调与分工,使产业总体发展不协调没有制订废物处理、有效利用资源、建筑材料回收等政策法律。建筑业应对砂石开采应有严格政策和措施、对水泥工业的发展、对水的利用等应有总量控制。应建立“钢结构住宅产业体系技术开发补助金制度”、“钢结构住宅产业化基金”、对钢结构住宅试点工程应给予补贴,对钢结构住宅也应制订专门的经济技术考核指标等。 (3)钢结构住宅数量少钢结构住宅在住宅建筑中的比例不足1%,虽有部分房地产开发商也开始研究钢结构住宅,但广大住宅开发商还未投入钢结构住宅中来,成本高、防火、防锈问题,影响他们的积极性。没有从钢结构住宅综合效益和“终生成本”来考虑也是原因之一。 (4)住宅单元的标准化设计与建筑空间造型多样化的矛盾按照钢结构特点,在钢框架范围内可按照使用需求对内部空间进行分割,但对钢结构的外部维护结构的处理,由于受到钢框架结构的限制而无法象传统住宅一样有较大的选择余地。钢结构住宅单元或套型模块设计要综合考虑柱、梁、楼板、外墙板、屋面板和隔墙板及设备、管线的优化选型,但不能因此完全简单划一,要尽量避免钢结构带来的建筑平、立面单调呆板,创造形式丰富多样的钢结构住宅造型。 3提高钢结构住宅设计的建议 (1)建筑设备要考虑钢结构住宅的特点,各种管线和设备是住户一进门首先遇到的问题。要选用和开发适合钢结构住宅的各项设备,选用先进的技术和设备用于钢结构住宅。 (2)钢结构设计要做到安全合理。选择合理结构体系、可靠方便的节点构造、尽量减少构件规格品种;现场焊接工作量较少、为构件制作、运输、吊装创造条件。 (3)钢结构住宅建筑要以建筑设计为主导,其他专业紧密互动配合。改变目前仅有结构工程师的积极性,而没有建筑师声音。钢结构住宅建筑除要遵循住宅建筑设计一般原则外,还要注重解决:如何发挥钢结构的优势?梁跨度可增大、开间更灵活、为住户创造更大的空间和面积;如何避免钢结构带来的建筑平、立面单调呆板的问题。目前在钢结构住宅设计中建筑师的智慧和积极性发挥不够。要发挥建筑师与结构、水、电、设备等专业协调能力,如解决钢结构住宅建筑防火、防腐蚀问题,做到成本增加不多而效果较好。 (4)从试点工程和国外的经验看,要发展钢结构住宅体系,宜釆用研究开发、设计制造、施工维修、管理一条龙的模式。以企业为核心,院校、设计、研究单位发挥各自优势,相互配合解决关键技术和产品的研发生产,组成专业的钢结构房屋开发公司或房地产开发公司来实施。如莱钢建设集团公司、北京赛博思金属结构工程有限责任公司、天津市建委、北新建材集团、杭萧钢构、浙江宝业集团等公司的做法。各企业要找到钢结构住宅突破口,长远规划,分步实施,以取得较好的经济效益。

三维设计软件在钢构深化设计中的应用

三维设计软件在钢构深化设计中的应用 1.钢结构详图设计 钢结构工程目前在国内各类建筑工程中得到广泛运用，建筑钢结构进入了一个全新的发展时期。任何一个钢结构工程设计出图分施工设计图和施工详图两个阶段，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制。把设计单位提供的设计图转化为满足工厂制作加工和现场安装而进一步深化的过程就是钢结构施工详图。它按照设计要求，通过图形、线条、尺寸和说明等，用技术语言向制造者表达制造各种类型钢结构构件所必须的数据和说明，详细的指出切割、打孔的方式，及怎样用螺栓、焊缝将构件连接，并考虑运输和安装能力确定构件的分段和拼装节点。施工详图深度须能满足车间直接制造加工，不完全相同的构件须单独绘制，并应有详细的材料表。每个钢结构工程有众多构件在现场组装而成，每个构件必须正确的安装在指定的位置上，简洁高效的详图构件编号标识系统，可以有序地指导制作、运输、安装，因此钢结构详图已成为钢结构设计、生产活动的中心，它展示了工程技术的发展水平。 2.Tekla Structures简介 2008年为了保证工程质量以及设计进度能按时完成，我们引进三维深化设计软件Tekla Structures，Tekla Structures是一款功能十分强大的三维真实模拟软件，除了被广泛的高效率使用在外形或杆件截面较规则的厂房、民用高层、框架等项目外，还可以充分利用Tekla Structures直观、作为数字化真实模拟进行不规则外形结构的深化设计。Tekla Structures是芬兰Tekla 公司开发的钢结构详图设计软件，它是通过首先创建三维模型以后自动生成钢结构详图和各种报表。由于图纸与报表均以模型为准，而在三维模型中操纵者很容易发现构件之间连接有无错误，所以它保证了钢结构详图深化设计中构件之间的正确性。同时Tekla Structures 自动生成的各种报表和接口文件（数控切割文件），可以服务（或在设备直接使用）于整个工程。它创建了新方式的信息管理和实时协作。Tekla 公司在提供革新性和创造性的软件解决方案处于世界领先的地位。Tekla产品行销60多个国家和地区，在全世界拥有成千上万个用户。Tekla Structures是世界通用的钢结构详图设计软件，使用了它就奠定了与国际接轨的基础。事实上已经有相当数量的用户提出必须用Tekla Structures建模出图，尽快掌握和使Tekla Structures 已是我们首要任务。 3.建模和出图 Tekla Structures是一个三维智能钢结构模拟、详图的软件包。用户可以在一个虚拟的空间中搭建一个完整的钢结构模型，模型中不仅包括零部件的几何尺寸也包括了材料规格、横截面、节点类型、材质、用户批注语等在内的所有信息。而且可以用不同的颜色表示各个零部件，它有用鼠标连续旋转功能，用户可以从不同方向连续旋转的观看模型中任意零部位。这样观看起来更加直观，检查人员很方便的发现模型中各杆件空间的逻辑关系有无错误。在创建模型时操作者可以

2011钢结构设计期末-复习题-考题-附答案-(1)

学年 第 期 《钢结构设计原理》试卷 D 卷 时间： 120 分钟 适应专业：土木工程（房屋建筑方向） 【考试】【闭卷】 评卷人： 合分人： 单项选择题(本大题共10小题，每小题2分，共20分) 1.摩擦型高强螺栓连接与承压型高强螺栓连接的主要区别是 D 。 (A)摩擦面处理不同 (B)材料不同 (C)预拉力不同 (D)设计计算时所取极限状态不同 2.在静力荷载作用下，钢材承受三向拉应力时，易发生 B 。 (A)塑性破坏 (B)脆性破坏 (C)疲劳破坏 (D)无法判定 3.进行强度验算时，荷载应采用 D 。 (A)将永久荷载的标准值乘以永久荷载分项系数 (B)将可变荷载的标准值乘以可变荷载分项系数 (C)永久荷载和可变荷载的标准值，均不乘以各自的分项系数 (D)将永久荷载和可变荷载的标准值均乘以各自的分项系数 4.钢结构焊接节点设计中，应尽可能选用 A 的焊接位置。 (A)俯焊 (B)仰焊 (C)立焊 (D)任意 5.在缀条稳定验算式d f A N 0γ?≤中，系数0γ是 C 。 (A)考虑塑性发展的系数 (B)考虑重要性的调整系数 (C)考虑单角钢单面连接偏心受力的系数 (D)考虑安全的附加系数 6.为提高梁在弯矩作用下的强度和刚度，应尽可能使梁的 D 。 (A)翼缘厚而窄 (B)翼缘宽薄而腹板窄厚 (C)腹板厚而窄 (D)腹板薄而宽 7.对于钢结构用钢材，对化学成分的定义为 B 。 (A) C 为不可缺少元素，Mn 、S 、P 均为有害元素 (B) C 为不可缺少元素，Mn 为脱氧剂，S 、P 为有害元素 (C) C 、Mn 、S 、P 均为有害元素 (D) C 、Mn 为有害元素，S 、P 为不可缺少元素 8.规范规定缀条式格构柱单肢的长细比max 17.0λλ≤（m ax λ为柱两个主轴方向长细比的最大值），是为了 C 。 (A)保证柱平面内的整体稳定 (B) 保证柱平面外的整体稳定 (C)避免单肢先于整个柱失稳 (D)构造要求 9.由于建筑用钢材多为塑性性能好的钢材，故残余应力的存在将 B 。 (A)降低静力承载能力 (B)对静力承载能力无影响 (C)提高静力承载能力 (D)钢材易发生塑性破坏 10.为提高梁的整体稳定性，从用钢量的角度，经济的做法是 D 。 (A)加强两个翼缘 (B)加强受拉翼缘 (C)加高腹板 (D)受压翼缘设侧向支承 填空题（本大题共10空，每空1分，共10分） 1、现行钢结构设计规范除了疲劳计算外，采有以概率理论为基础的 方法。 2、衡量钢材的塑性性能的指标有 和 两个指标。 3、构件的长细比是指 之比（用符号表示）。 4、计算双肢格构式轴心受压构件绕虚轴x 轴弯曲的整体稳定性时，其轴心受压整体稳定系数?应根据 查表确定。 5、设计采用大型屋面板的铰支承梯形钢屋架下弦杆截面时，如节间距为l ，则屋架下弦杆平面内的计算长度应取 。 6、双轴对称截面的理想轴心压杆，有弯曲屈曲和 两种屈曲形式。 7、工字形截面简支梁，当受压翼缘侧向支承点间距离愈小时，则梁的整体稳定性就 。 8、试验证明，钢材的疲劳强度主要与构造状况、应力幅和循环荷载重复次数有关，而与钢材的_ _并无明显关系。 9、轴心受力的两块板通过对接斜焊缝连接时，只要使焊缝轴线与N 力之间的夹角θ 满足 条件时，对接斜焊缝的强度就不会低于母材的强度，就不必再进行计算。 简答题 （30分）

钢结构设计原理(答案)

一、 填空题（每空1分，共10分） 1、钢材的两种破坏形式分别为脆性破坏和 。 2、焊接的连接形式按构件的相对位置分为 、搭接、角接和T 形连 接。 3、钢结构中轴心受力构件的应用十分广泛，其中轴心受拉构件需进行钢结构强度和 的验算。 4、轴心受压构件整体屈曲失稳的形式有 、和 。 5、梁整体稳定判别式11l b 中，1l 是 1b 。 6、静力荷载作用下，若内力沿侧面角焊缝没有均匀分布，那么侧面角焊缝的计算长度不宜大于 。 7、当组合梁腹板高厚比0w h t ≤ 时，对一般梁可不配置加劲肋。 二、 单项选择题（每题2分，共40分） 1、有两个材料分别为Q235和Q345钢的构件需焊接，采用手工电弧焊， 采用E43焊条。 (A)不得 (B)可以 (C)不宜 (D)必须 2、工字形轴心受压构件，翼缘的局部稳定条件为y f t b 235) 1.010(1λ+≤，其中λ的含义为 。 (A)构件最大长细比，且不小于30、不大于100 (B)构件最小长细比 (C)最大长细比与最小长细比的平均值 (D)30或100 3、偏心压杆在弯矩作用平面内的整体稳定计算公式

x 1(10.8') mx x x x Ex M f A W N N βN ?γ+≤-中，其中，1x W 代表 。 (A)受压较大纤维的净截面抵抗矩 (B)受压较小纤维的净截面抵抗矩 (C)受压较大纤维的毛截面抵抗矩 (D)受压较小纤维的毛截面抵抗矩 4、承重结构用钢材应保证的基本力学性能内容应是 。 (A)抗拉强度、伸长率 (B)抗拉强度、屈服强度、冷弯性能 (C)抗拉强度、屈服强度、伸长率 (D)屈服强度、伸长率、冷弯性能 5、随着钢材厚度的增加，下列说法正确的是 。 (A)钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均下降 (B)钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均有所提高 (C)钢材的抗拉、抗压、抗弯强度提高，而抗剪强度下降 (D)视钢号而定 6、在低温工作(-20oC)的钢结构选择钢材除强度、塑性、冷弯性能指标外，还需要 的指标是 。 (A)低温屈服强度 (B)低温抗拉强度 (C)低温冲击韧性 (D)疲劳强度 7、直角角焊缝的有效厚度e h 的取值为 。 (A)0.7f h (B)4mm (C)1.2f h (D) 1.5f h 8、对于直接承受动力荷载的结构，计算正面直角焊缝时 。 (A)要考虑正面角焊缝强度的提高 (B)要考虑焊缝刚度影响 (C)与侧面角焊缝的计算式相同 (D)取f β＝1．22 9、单个螺栓的承压承载力中,[b b c c N d t f =?∑]，其中∑t 为 。 (A)a+c+e (B)b+d (C)max{a+c+e ，b+d} (D)min{ a+c+e ， b+d} 10、承压型高强度螺栓可用于 。

钢结构CAD软件STS的功能和应用

1、STS软件的研制目的 近年来,我国钢产量跃居世界第一位,建筑钢结构的优点也越来越突出。CAD技术的发展和成功推广表明,借助计算机辅助设计软件来完成钢结构的计算机分析、优化设计和绘图工作,一方面可以给工程设计提供精确的计算和绘图工具,提高设计效率,使设计更加安全经济,另一方面也必将对钢结构的进一步发展起到很大的促进作用。 PKPM系列软件是国内应用最广的一套一体化CAD软件,曾获国家科技进步奖,是国内唯一自主平台的计算机辅助设计系统,现在已经成为了一个包括建筑设计、结构设计、设备设计,在结构设计中又包括多层和高层、工业厂房和民用建筑、上部结构和各类基础在内的综合CAD 系统,并正在向集成化和智能化的方向发展。在这种情况下,中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部从1995年5月开始组织力量,研究开发自主版权的钢结构CAD软件STS,该软件的研制以PKPMCAD工程部自主开发的CFG中文图形支撑系统为平台,以PKPM系列软件的PMCAD、PK为基础。STS的功能要求为:是一体化的CAD软件,功能包括从钢结构建筑的模型输入、截面优化、结构分析、构件强度和稳定性验算、节点设计、直到施工详图绘制;软件可适用于多、高层框架,平面框架,连续梁,轻钢门式刚架,排架,框排架,钢桁架等多种结构形式;软件要求操作简单,自动化程度高,界面友好,易学易用;施工图详图以标准图为准,并提供方便快捷的编辑工具;是PKPM系列软件的一个模块,可以与其他模块接口;先使STS成为国内主流的钢结构CAD软件,再扩充国外规范版本,走向国际软件市场。 2、STS软件技术条件 作为专业的钢结构工程设计软件,必须符合国家现行的规范、规程和标准。STS软件的研制主要依据有:《钢结构设计规范》(GBJ17-88);《冷弯薄壁型钢结构设计规范》(GBJ18-87);《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98);《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:98);《轻型钢结构设计规程》(DBJ08-68-97);另外,STS软件遵循常用钢结构设计手册、标准图的规定。 3、STS软件功能简介 模型输入 STS的模型输入可以采用三维方法和二维方法。 三维建模采用人机交互方式,引导用户逐层地布置各层平面和各层楼面,再输入层高就建立起一套描述建筑物整体结构的数据,三维建模程序具有较强的荷载统计和传导计算功能,除计算自重外,还自动完成从楼板到次梁,从次梁到主梁,从主梁到承重的柱、墙,再从上部结构传到基础的全部计算,加上局部的外加荷载,可方便地建立起整栋建筑的荷载数据。三维建模提供的截面类型有中国和世界各国的标准型钢及其组合截面,焊接H型钢(包括楔形截面)、圆管、箱形、Z形、槽形等自定义截面,钢管混凝土、钢骨混凝土截面等丰富的截面形式,适用于各种结构形式的需要。二维建模数据可以由三维建模的数据生成的平面框架、连续梁的数据文件自动生成,也可以用人机交互方式生成,能方便地建立起平面杆系结构的模型。 二维人机交互建模可以建立各种类型平面杆系的框架、门式刚架、排架、框排架、桁架、支架、连续梁等多种结构形式的模型,对于门式刚架、框架、桁架、弧形轴线还提供了快速输入向导来快速输入,可以输入各种作用形式的恒载、活载、风荷载(可以自动布置)、吊车荷载(包括抽柱吊车荷载)和地震计算参数。二维建模提供的截面类型除了三维建模的截面类型外,还包括冷弯薄壁型钢及其组合截面,实腹式组合截面,格构式组合截面,组合梁,任意截面等类型。 截面优化 截面优化就是在满足规范要求的前提下,寻找用钢量最小的截面尺寸。STS软件可以对轻钢门式刚架和钢桁架进行截面优化。门式刚架中常采用变截面构件,所以优化的约束变量有大端、小端高度,上、下翼缘宽、厚,腹板厚度7个因素,STS软件能在自动或人工定义的变化范

钢结构设计的八大要点

钢结构设计的八大要点 钢结构设计要点 钢结构设计简单步骤和设计思路 （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、高温车间、密封性要求高、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、仓棚、工厂、住 宅和临时建筑等。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 此处仅简单介绍。详请参考相关专业书籍。由于结构选型涉及广泛, 做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指导下进行。 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措施。运用概念设计可以在早期迅速、有 效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、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。（无论结构软件 如何强大，扎实的结构概念和力学分析，及可靠的手算能力，才是过 硬的素质。）钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。 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，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大 悬挂荷载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。屋面上雪

压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落（切线50度内需考虑雪载），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。（把受力单元尽可能的向结构外围布置，是充分利用材 料性能的关键，就像中空的竹子一样，所以外强内弱很重要。） 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。

钢结构设计规范和标准图集汇总

钢结构规范和图集【国家标准】 1、GB-50017-2003、《钢结构设计规范》 2、GB50018-2002、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 3、GB-50205-2001、《钢结构结构施工质量验收规范》 4、GB50191-93、《构筑物抗震设计规范》 5、GB59135-200 6、《高耸结构设计规范》 6、GB500046-2008、《工业建筑防腐蚀设计规范》 7、GB8923-88、《涂装前钢材表面锈蚀等级和涂装等级》 8、GB14907-2002、《钢结构防火涂料通用技术条件》 9、GB-50009-2001（2006）、《建筑结构荷载规范》 10、GBT-50105-2001、《建筑结构制图标准》 11、GB-50045-95、《高层民用建筑设计防火规范》(2001年修订版) 12、GB-50187-93、《工业企业总平面设计规范》 【行业标准】 1、JGJ138-2001/J130-2001、型钢混凝土组合结构技术规程 2、JGJ7-1991、网架结构设计与施工规程 3、JGJ61-2003/J258-2003、网壳结构技术规程 4、JGJ99-1998、高层民用建筑钢结构技术规程(正修订) 5、JGJ82-91、钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程 6、JGJ81-2002/J218-2002、建筑钢结构焊接技术规程 7、DL/T5085-1999、钢－混凝土组合结构设计规程 8、JCJ01-89、钢管混凝土结构设计与施工规程 9、YB9238-92、钢－混凝土组合楼盖结构设计与施工规程 10、YB9082-1997、钢骨混凝土结构技术规程 11、YBJ216-88、压型金属钢板设计施工规程(正修订) 12、YB/T9256-96、钢结构、管道涂装技术规程 13、YB9081-97、冶金建筑抗震设计规范 14、CECS102:2002、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 15、CECS77：96、钢结构加固技术规范 16、YB9257-96、钢结构检测评定及加固技术规范 17、CECS28：90、钢管混凝土结构设计与施工规程 18、YB9254-1995、钢结构制作安装施工规程 19、CECS159：2004、矩形钢管混凝土结构技术规程 20、CECS24:90、钢结构防火涂料应用技术规范 21、CECS158：2004、索膜结构技术规程 22、CECS23:90、钢货架结构设计规范 23、CECS78:96、塔桅钢结构施工及验收规程 24、CECS167:2004、拱形波纹钢屋盖结构技术规程 25、JGJ85-92、预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程 26、CECS、多、高层建筑钢－混凝土混合结构设计规程 27、CECS、热轧H型钢构件技术规程 28、CECS、钢结构住宅建筑设计技术规程 29、CECS、建筑拱形钢结构技术规程

高层钢结构设计课后习题

1-1在高层钢结构设计中，为什么说水平荷载成为决定因素，结构侧移成为控制指标? 一方面结构自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房髙度的一次方成正比，而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与楼房高度的二次方成正比；另一方面，对某一高度的楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化，从而使合理确定水平荷载比确定竖向荷载困难。 1)结构顶点的侧移△与结构高度H的四次方成正比;2)结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系; 过大侧移会使人产生不安全感；使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用；因P-△效应而使结构产生附加内力，使结构安全受威胁。 1-2在高层钢结构设计中，为什么需要考虑柱的轴向变形和梁柱节点域的剪切变形？ 在高层钢结构中，由于柱中轴力大（特别是底层柱），因而轴向变形大，同时各柱轴向变形差异随房屋高度的增加而加大。当房屋很高时，中柱和边柱的轴向压缩差异将会达到较大数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。因此，若忽略柱中轴向变形，将会使结构内力和位移的分析结果产生一定的误差。另一方面，在高层建筑中，特别是在超高层建筑中，柱的负载很大，其总高度又很大，整根柱在重力荷载下的轴向变形有时可能达到数百毫米，对建筑物的楼面标高产生不可忽视的影响。因此，在构件下料时，应根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整。 在结构设计中，钢框架的梁、柱大都采用工字形或箱形截面，若假设梁、柱端弯矩完全由梁、柱翼缘板承担，并忽略轴力对节点域变形的影响，则节点域可视为处于纯剪切状态工作，加之节点域板件一般较薄，剪切变形较大，因此，对结构内力和侧移的影响不能忽视。 1-3试述线性构件、平面构件和空间构件的特点与区别。 (1)线形构件具有较大长细比的细长构件，称为线形构件或线构件。当它作为框架中的柱或梁使用时，主要承受弯矩、剪力和压力，其变形中的最主要成分是垂直于杆轴方向的弯曲变形。当它作为桁架或支撑中的弦杆和腹杆使用时，主要是承受轴向压力或拉力，轴向压缩或轴向拉伸是其变形的主要成分。 线构件是组成框架-支撑体系、框架-剪力墙体系的基本构件。 (2)平面构件具有较大横截曲宽厚比的片状构件，称为平面构件或面构件。它作为楼板使用时，承受平面外弯矩，垂直于其平面的挠度是其变形的特点。它作为墙体使用时，承受着沿其平面作用的水平剪力和弯矩，也承担一定的竖向压力；弯曲变形和剪切变形是墙体侧移的主要成分。面构件出平面方向的刚度和承载力很小，结构分析中常略去不计。 面构件是组成框架-剪力墙体系、框架-核心筒体系的基本构件。 (3)空间构件由线构件和（或）面构件组成的具有较大横截面尺寸和较小壁厚的组合构件，称为空间构件或立体构件。框筒就是由梁和柱等线构件组成的空间构件；框架-核心筒体系中的核心筒常由面构件组成空间构件；巨型结构体系中的巨型柱常由线构件或线构件与面构件组合成空间构件，其巨型梁通常由线构件组成。在高层建筑结构中，空间构件作为竖向筒体或巨型柱使用时，主要承受倾覆力矩、水平剪力和扭转力矩。与线构件和面构件相比，它具有较大的抗扭刚度和极大的抗推刚度，在水平荷载下的侧移较小，因而在高层或超高层建筑中，宜尽量选用空间构件。 空间构件是框筒体系、筒中筒体系、束筒体系、支撑框筒体系、大型支撑筒体系及巨型结构体系中的基本构件。2-1试述高层建筑结构类型及其主要特征。 根据主要结构所用材料或不同材料的组合可将高层建筑结构分为：钢筋混凝土结构、纯钢结构、钢-混凝土混合结构和钢-混凝土组合结构四种结构类型。后三种可归属于高层建筑钢结构范围，统称髙层建筑钢结构。这三种结构类型的主要特征分别为： 1.纯钢结构 这种结构类型的梁、柱及支撑（含等效支撑，如钢板剪力墙、嵌入式内藏钢板支撑剪力墙和带竖缝的混凝土剪力墙）等主要构件均采用钢材。 该类型主要用于纯框架体系或框架-支撑（等效支撑）体系。 2.钢-混凝土混合结构 这种结构类型的梁、柱构件采用钢材，而主要抗侧力构件采用钢筋混凝土内筒或钢筋混凝土剪力墙。 该类型主要用于框架-内筒体系或框架-剪力墙体系。 3.钢-混凝土组合结构 这种结构类型包括钢骨（型钢）混凝土结构、钢管混凝土结构。该类结构的柱和主要抗侧力构件（筒体、剪力墙等竖向构件）常采用钢骨混凝土或钢管混凝土，而梁等横向构件仍采用钢材。 2-2试述高层建筑钢结构体系的分类方法及其适用范围。 根据抗侧力结构的力学模型及其受力特性，可将常见的高层建筑钢结构分成如下四大体系：框架结构体系、双重抗侧力结构体系、筒体结构体系和巨型结构体系。框架体系由于结构自身力学特性的局限，对于30层以上的楼房经济性欠佳。双重抗侧力体系是在框架体系中增设支撑或剪力墙或核心筒等抗侧力构件，其水平荷载主要由抗侧力构件承担，可用于30层以上的楼房。当房屋层数更多时，由于支撑等抗侧力构件的高宽比值超过一定限度，水平荷载产生的倾覆力矩引起的支撑等抗侧力构件中的轴压应力很大，结构侧移也较大，宜采用加劲框架-支撑体系，利用外柱来提高结构体系的抗倾覆能力。随着房屋高度的增大，水平荷载引起的倾覆力矩，按照房屋高度二次方的关系急剧增大。因此当房屋层数很多时，倾覆力矩很大，此时宜采用以立体构件为主的结构体系，即简体体系或巨型结构体系。这种结构体系能够较好地满足很高楼房抗倾覆能力的要求。