建筑结构设计课件-钢结构

钢结构设计基础与应用本课程将介绍钢结构设计的基础知识和应用，涵盖钢材特性、结构设计原则、构件设计、连接设计、节点设计、构造设计、施工要点等内容，并结合实例分析，使学生掌握钢结构设计的基本原理和方法，并能运用所学知识进行简单的钢结构设计课程概述与学习目标课程概述学习目标本课程为建筑结构设计专业核心课程，旨在培养学生对钢结构设掌握钢材的力学性能和选用方法熟悉钢结构设计的基本原

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2.计的理解和应用能力，为后续专业课程学习和实际工作奠定基础则和规范要求掌握钢结构构件的设计方法了解钢结构连接

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4.和节点的设计要点熟悉钢结构施工和质量控制

5.钢结构的发展历史19世纪中后期1钢材的工业化生产为钢结构的发展奠定了基础，埃菲尔铁塔的建成标志着钢结构建筑的兴起20世纪初2钢结构建筑得到广泛应用，如桥梁、高层建筑、大型工业厂房等20世纪中后期3钢结构设计理论不断发展，计算方法日益精确，施工技术不断革新，高强度钢材和新型连接技术推动了钢结构建筑的发展21世纪4钢结构建筑在节能环保、绿色建筑方面发挥着重要作用，未来将更加注重轻型化、高性能化、智能化发展钢结构在现代建筑中的应用高层建筑钢结构以其高强度、轻质、抗震性能优异等特点，广泛应用于高层建筑，特别是超高层建筑桥梁钢结构是桥梁建设的主要材料，其高强度、抗疲劳、易于加工的特点，使其成为桥梁设计的首选工业厂房钢结构应用于大型工业厂房，具有施工速度快、造价低、跨度大等优点，满足工业生产的需求体育场馆钢结构应用于大型体育场馆，其高强度、抗风性能好等特点，能够满足大型活动和赛事的要求钢材的基本性质和力学特征物理性质力学特征密度钢材的密度约为熔点钢材的熔点约为强度钢材具有很高的强度，能够承受较大的拉伸、压缩、弯曲

7.85g/cm³导热性钢材具有较好的导热性导电性钢材具有较好和扭转载荷硬度钢材的硬度较高，可以抵抗外力的磨损韧性1500℃的导电性钢材的韧性好，能够承受较大变形而不发生断裂塑性钢材具有良好的塑性，能够承受较大变形而不发生断裂钢材的化学成分与热处理化学成分碳是钢材的主要成分，碳含量决定了钢材的强度和硬度其他元素锰、硅、磷、硫等元素会影响钢材的力学性能合金元素铬、镍、钼等合金元素可以提高钢材的强度、韧性、耐腐蚀性等性能热处理热处理是指将钢材加热到一定温度，保温一段时间后，再以适当的速度冷却，从而改变其组织结构和性能常见的热处理方法包括退火、正火、淬火、回火等钢材的强度与变形特性强度变形特性抗拉强度材料在拉伸断裂前所能承受的最大拉伸应力屈服强度伸长率材料断裂后试样长度的增量与原长的百分比断面收缩率材料开始发生明显塑性变形时的应力材料断裂后试样断面积的减量与原面积的百分比钢材的弹性和塑性弹性塑性钢材在承受外力后，能够恢复原状的性质称为弹性弹性极限钢材在外力去除后，不能完全恢复原状的性质称为塑性屈服点材料保持弹性的最大应力弹性模量材料在弹性范围内应力与材料开始发生明显塑性变形时的应力塑性变形材料在屈服应变的比值，反映材料抵抗弹性变形的程度点之后发生的永久变形应力应变关系曲线分析Strain Stress结构钢的种类与选用钢种特点应用普通碳素结构钢，强一般结构，如梁、柱Q235度较低，韧性好、支撑低合金高强度钢，强桥梁、高层建筑、大Q345度高，韧性好型工业厂房超高强度钢，强度极特殊结构，如超高层Q460高，韧性较好建筑、大型桥梁钢结构设计的基本原则安全可靠钢结构应具有足够的强度、刚度和稳定性，能够安全可靠地承受各种荷载和使用条件下的应力经济合理钢结构设计应在满足安全可靠的前提下，尽可能降低造价，提高经济效益施工方便钢结构设计应考虑施工工艺和技术，选择合理的结构形式和连接方式，方便施工安装美观耐久钢结构设计应注意结构的造型和外观，使其美观大方，同时具备良好的耐久性极限状态设计法概述极限状态设计法设计准则设计步骤极限状态设计法是目前钢结构设计的主设计时应保证结构在各种荷载和使用条荷载分析结构计算构件设计

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4.要方法，其核心思想是将结构的失效状件下，其所有极限状态均不会发生连接和节点设计态定义为极限状态，并以此为依据进行设计荷载与荷载组合荷载类型荷载组合恒载结构自身重量和永久性设备重荷载组合是指将各种荷载进行组合，量活载可变荷载，如人员、家具以确定结构在各种情况下所承受的荷、风荷载、地震荷载、雪荷载等载大小常见荷载组合包括基本组合、偶然组合、地震组合等结构分析方法力学分析有限元法基于力学原理，利用数学方法分将结构离散成有限个单元，利用析结构的受力状态，如静力学分数值方法进行分析，可处理复杂析、动力学分析等的结构形式和荷载条件结构分析软件目前常用的结构分析软件包括、、等，能ANSYS SAP2000STAAD Pro够进行结构的力学分析、稳定性分析、振动分析等钢结构构件设计基础设计原则设计步骤构件设计应满足强度、刚度、稳定性要求设计时应考虑构件的荷载计算截面选择稳定性验算连接和节点设计

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4.制造、运输、安装等因素受拉构件设计原理强度计算1拉力应力应小于钢材的屈服强度变形计算2拉力变形应小于允许值受拉构件的截面选择截面形状截面尺寸常见形状有圆形、矩形、工字形等选择截面时应考虑构件的受根据强度、刚度和稳定性要求确定截面尺寸应选择满足设计要力特点和空间布置求且经济合理的截面受压构件设计原理强度计算压力应力应小于钢材的屈服强度稳定性计算防止构件在压力作用下发生失稳压杆的稳定性分析临界力压杆开始发生失稳时的最小压力2欧拉公式1适用于细长压杆的稳定性分析，计算公式为Pcr=π²EI/l²失稳形式3压杆的失稳形式主要有弯曲失稳和扭转失稳压杆长细比的控制长细比控制方法压杆的长度与截面回转半径的比值，称为长细比通过增加截面尺寸、降低长细比，提高压杆的稳定性对于长细比较大的压杆，可采用加劲措施，如设置加强筋、增加横向支撑等受弯构件设计原理正截面承载力计算1计算弯矩应力，并与钢材的屈服强度进行比较，保证构件不发生破坏抗剪承载力计算2计算剪力应力，并与钢材的屈服强度进行比较，保证构件不发生剪切破坏局部稳定性验算3验算构件在弯曲作用下的局部失稳，防止发生屈曲或剪切破坏梁的正截面承载力弯矩应力承载力计算弯矩应力是指弯矩作用在梁截面根据弯矩应力与钢材的屈服强度上的应力，最大弯矩应力发生在进行比较，确定梁的正截面承载梁的上下边缘力截面设计根据承载力要求选择合适的梁截面，保证梁的强度和刚度梁的抗剪承载力剪力应力承载力计算剪力应力是指剪力作用在梁截面上的应力，最大剪力应力发生在根据剪力应力与钢材的屈服强度进行比较，确定梁的抗剪承载力梁的横截面中性轴附近梁的局部稳定性验算局部失稳验算方法梁在弯曲作用下，其截面的局部区域可能发生失稳，如腹板局部根据规范和计算方法进行局部稳定性验算，保证梁的局部区域不屈曲、翼缘局部屈曲等发生失稳受扭构件设计原理扭矩应力扭矩应力是指扭矩作用在构件截面上的应力，最大扭矩应力发生在构件的截面边缘扭转强度构件在扭转作用下所能承受的最大扭矩稳定性验算验算构件在扭转作用下的稳定性，防止发生扭转失稳组合受力构件设计偏心受压构件1构件同时受到轴向压力和弯矩的作用受弯压构件2构件同时受到弯矩和轴向压力的作用设计原则3计算构件在各种荷载组合下的强度、刚度和稳定性，保证构件不发生破坏或失稳偏心受压构件设计荷载计算计算构件所受的轴向压力和弯矩强度计算根据偏心受压强度公式进行计算，保证构件的强度稳定性计算根据偏心受压稳定性公式进行计算，保证构件的稳定性受弯压构件设计强度计算2根据受弯压强度公式进行计算，保证构件的强度荷载计算1计算构件所受的弯矩和轴向压力稳定性计算根据受弯压稳定性公式进行计算，保证3构件的稳定性钢结构连接设计基础连接类型设计原则常见的钢结构连接类型包括焊接连接、螺栓连接、铆钉连接等连接设计应满足强度、刚度、稳定性要求连接应具有良好的耐久性和防腐蚀性焊接连接的类型对接焊缝将两块钢板直接焊接在一起角焊缝将两块钢板以一定的角度焊接在一起搭接焊缝将两块钢板搭接后焊接在一起坡口焊缝将两块钢板的边缘进行坡口加工后焊接在一起焊缝的承载力计算焊缝强度计算公式验算方法焊缝强度是指焊缝所能承受的最大应根据焊缝的材料、形状、尺寸等因素将焊缝强度与实际应力进行比较，保力进行计算证焊缝的承载力焊接构造要求焊缝质量焊缝坡口焊缝应具有良好的外观和内部质量，焊缝坡口应根据钢板厚度、材料、焊不允许出现裂纹、气孔、夹渣等缺陷接方法等因素进行设计，保证焊缝的质量和强度高强度螺栓连接连接原理优点高强度螺栓连接是指利用高强度螺栓和螺母的摩擦力，将两个构连接强度高、施工方便、可拆卸、耐腐蚀性好件连接在一起普通螺栓连接设计连接原理1普通螺栓连接是指利用普通螺栓和螺母的剪切强度，将两个构件连接在一起设计要点2螺栓的直径、数量、间距应满足设计要求，保证连接的强度和刚度构造要求3螺栓孔的尺寸、位置应符合规范要求，保证螺栓的安装和连接质量铆钉连接设计要点连接原理设计要点构造要求铆钉连接是指利用铆钉的挤压强度，铆钉的直径、数量、间距应满足设计铆钉孔的尺寸、位置应符合规范要求将两个构件连接在一起要求，保证连接的强度和刚度，保证铆钉的安装和连接质量钢结构节点设计柱脚节点将柱子固定在地基上的连接方式梁柱节点将梁连接到柱子上的连接方式梁梁节点将梁连接到梁上的连接方式支撑节点将支撑连接到结构上的连接方式柱脚节点设计设计要点常见形式柱脚节点应能够承受柱子传来的所有荷载，并保证其稳定性柱钢板加劲型、型钢焊接型、螺栓连接型等脚节点应与基础连接牢固，避免发生滑移或倾覆梁柱节点设计设计要点常见形式梁柱节点应能够承受梁传来的所有荷焊接型、螺栓连接型、半刚性连接型载，并保证其稳定性梁柱节点应与等柱子连接牢固，避免发生脱落或变形梁梁节点设计设计要点梁梁节点应能够承受梁传来的所有荷载，并保证其稳定性梁梁节点应与梁连接牢固，避免发生脱落或变形常见形式焊接型、螺栓连接型、叠合型等支撑节点设计设计要点常见形式1支撑节点应能够承受支撑传来的所有荷载，并保证其稳定性支撑节点应与结焊接型、螺栓连接型、铰接型等2构连接牢固，避免发生脱落或变形钢结构构造设计设计原则设计内容构造设计应符合规范要求，保证结构的安全性和耐久性构造设柱的构造设计梁的构造设计支撑的构造设计钢框架的构造设计计应便于施工和维护，提高经济效益柱的构造设计柱的截面形状一般采用圆形柱的连接方式焊接、螺栓连、矩形或工字形截面接或铆钉连接柱的防腐蚀处理涂装、镀锌或其他防腐措施梁的构造设计梁的截面形状梁的连接方式一般采用工字形截面，也可采用焊接、螺栓连接或铆钉连接其他截面形式梁的防腐蚀处理涂装、镀锌或其他防腐措施支撑的构造设计支撑的类型支撑的连接方式常见类型包括斜撑、水平支撑、剪力焊接、螺栓连接或铆钉连接墙等钢框架结构设计刚架结构设计1刚架结构是由柱子和梁组成，能够承受较大的荷载，具有良好的抗震性能门式刚架设计2门式刚架结构常用于工业厂房、仓库、体育场馆等多层钢框架设计3多层钢框架结构常用于住宅、办公楼等高层钢结构设计4高层钢结构设计应考虑风荷载、地震荷载等因素，确保结构安全和稳定性刚架结构设计要点设计原则设计步骤刚架结构设计应满足强度、刚度、稳定性要求，保证结构的安全荷载计算结构分析构件设计连接和节点设计

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4.可靠性门式刚架设计荷载计算1计算门式刚架结构所承受的荷载，包括风荷载、雪荷载、吊车荷载等结构分析2进行门式刚架结构的静力学分析，确定其内力分布构件设计3根据内力分布进行柱子、梁、支撑等构件的设计连接和节点设计4设计门式刚架结构的连接方式和节点形式多层钢框架设计平面布置根据建筑功能和使用要求进行平面布置，确定柱网和梁的布置方式竖向结构设计柱子的截面尺寸、间距，保证其强度和稳定性楼层结构设计梁的截面尺寸、间距，保证其强度、刚度和稳定性连接和节点设计柱脚节点、梁柱节点、梁梁节点等连接方式高层钢结构设计抗风设计考虑风荷载对结构的影响，进行抗风性能分析，采取相应的抗风措施抗震设计考虑地震荷载对结构的影响，进行抗震性能分析，采取相应的抗震措施施工技术高层钢结构施工难度大，需要采用先进的施工技术，保证施工质量和进度钢结构稳定性分析整体稳定性局部稳定性分析结构在整体荷载作用下的稳定性，防止结构整体失稳分析结构在局部荷载作用下的稳定性，防止构件局部失稳整体稳定性验算计算方法根据规范和计算方法进行整体稳定性验算，保证结构的整体稳定性验算内容包括整体倾覆稳定性、整体侧移稳定性、整体扭转稳定性等局部稳定性控制局部失稳控制方法构件在局部荷载作用下，其截面的局通过增加截面尺寸、设置加强筋、增部区域可能发生失稳，如腹板局部屈加横向支撑等措施，控制构件的局部曲、翼缘局部屈曲等稳定性钢结构防火设计防火涂料1防火涂料能够提高钢材的耐火性能，延缓钢结构在火灾中的温度升高速度，为人员疏散和灭火赢得时间防火构造2通过防火构造措施，如设置防火隔层、防火门、防火窗等，防止火势蔓延，保护人员安全防火涂料的选用涂料类型选用原则常见的防火涂料包括膨胀型防火涂料、水性防火涂料、有机防火根据钢结构的类型、火灾风险等级、使用环境等因素，选择合适涂料等的防火涂料防火涂料应具有良好的耐火性能、附着力、耐水性、耐候性等防火构造措施设置防火隔层在建筑内部设置防火隔层，将建筑分成多个防火分区，阻止火势蔓延设置防火门、防火窗在建筑内部设置防火门、防火窗，阻止火势蔓延设置防火水幕在建筑外墙设置防火水幕，降低建筑外墙的温度，防止火势蔓延设置自动喷淋系统在建筑内部设置自动喷淋系统，在发生火灾时自动喷水，扑灭火势钢结构防腐设计腐蚀类型防腐措施钢结构常见的腐蚀类型包括大气常见的防腐措施包括涂装、镀锌腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀等、金属喷涂、电化学保护等设计原则防腐设计应根据钢结构的腐蚀环境，选择合适的防腐措施，保证结构的耐久性防腐蚀措施与涂装涂装镀锌在钢结构表面涂刷防腐蚀涂料，形成在钢结构表面进行镀锌处理，形成一保护层，防止钢结构腐蚀层锌保护层，防止钢结构腐蚀钢结构施工要点施工准备施工流程施工图纸的审查和理解施工机械、设备的准备材料的采钢结构构件的加工制作钢结构构件的吊装钢结构构件的

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3.购、验收和保管焊接钢结构构件的防腐处理

4.施工质量控制验收控制焊接控制对钢结构施工进行严格的验收加工控制严格控制焊接质量，保证焊缝，确保施工质量符合规范要求材料控制严格控制钢结构构件的加工精的质量和强度严格控制材料的质量，确保材度，确保构件符合设计要求料符合设计要求和规范标准安装工艺与流程准备工作吊装安装1清理施工现场测量放线准备起将钢结构构件吊装到预定位置调整

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2.2重设备构件位置，确保构件安装准确验收检查连接固定

41.对钢结构安装进行验收检查

2.确保安

31.对钢结构构件进行连接，保证连接牢装质量符合规范要求固焊接或螺栓连接

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