《金属结构设计》课件

金属结构设计了解金属结构设计的基础原理与应用实践掌握各类金属结构的设计方法与节点构造探索金属结构在现代建筑与工程中的创新应用金属结构的定义和特点金属结构基础与混凝土结构对比以金属为主要材料的承重构件自重轻，承载能力强高强重比，可实现大跨度构件截面小，空间利用率高工厂化生产，现场快速安装良好韧性，抗震性能优金属结构的发展历程早期发展1世纪铸铁桥梁出现18世纪钢铁工业革命19成熟期2世纪高层建筑兴起20焊接技术广泛应用现代发展3计算机辅助设计普及新型钢材与连接方式主要金属材料分类钢材碳素钢、低合金钢、不锈钢铝合金建筑铝型材、航空铝材钛合金高强度特种结构应用材料标准、、标准体系GB/T ASTMEN钢材的力学性能拉伸性能压缩性能屈服强度与拉伸性能相近•fy•抗拉强度需考虑稳定性问题•fu•延伸率δ•剪切性能剪切强度约为拉伸的倍•

0.6剪切变形能力较好•金属材料的物理性能密度钢材7850kg/m³铝合金2700kg/m³导热性钢材50W/m·K铝合金200W/m·K线膨胀系数钢材⁻℃⁵

1.2×10/铝合金⁻℃⁵

2.3×10/金属的耐久性分析腐蚀机理疲劳损伤电化学反应导致材料劣化循环载荷引起微裂纹扩展检测评估防护措施定期检查、寿命评估表面处理、涂装、合金化金属结构常见形式框架、桁架、网壳、悬索、板壳等多种结构形式金属结构的受力特点较高的强重比单位重量下承载能力强良好的延性变形前有明显警示稳定性考量需防止屈曲失稳荷载类型与结构分析

1.3~

1.4恒载系数结构自重及固定设备

1.4~

1.6活载系数使用人员及移动设备

1.4风载系数基本风压随高度变化

0.85地震调整系数金属结构抗震性能好结构分析基本理论静力学分析动力学分析力平衡原理自振频率与模态••虚功原理时程分析••位移法反应谱分析••力法•杆件受力分析方法内力计算轴力、剪力、弯矩N QM内力图绘制轴力图、剪力图、弯矩图位移计算单位荷载法与虚功原理承载力验算强度与稳定性检查节点受力机制应力集中加劲措施截面突变处应力增大通过加劲肋分散应力传力路径连接设计力从一构件传至另一构件保证有效传力和变形协调金属结构连接形式概述焊接连接螺栓连接铆接连接熔化金属形成整体可拆卸，施工便捷早期常用连接方式传力连续，节点刚度大现场无热加工，安全性高现代建筑中应用减少焊接连接设计要点焊缝强度满足承载力要求焊缝类型角焊缝、对接焊缝焊缝尺寸合理厚度与长度焊接质量避免焊接缺陷螺栓连接设计要点连接类型普通螺栓高强螺栓传力机理承压与剪切摩擦力传递预紧要求无特殊要求需严格控制扭矩适用场合次要连接主要受力连接铆钉连接及应用优点缺点疲劳性能好施工噪音大施工工艺稳定效率低，成本高历史应用现代应用早期桥梁结构航空航天领域埃菲尔铁塔等特殊历史建筑修复连接构造节点细节梁柱连接节点、桁架节点、基础连接、柱间接头等典型节点构造细节杆件设计受拉构件有效截面计算孔洞削弱的影响An=A-∑Ah强度验算φN≤t·fy·A为强度设计系数φt变形控制满足使用性极限状态δδ≤[]杆件设计受压构件梁的设计原则截面选择危险截面侧向稳定形、箱形、格构式最大弯矩和剪力处防止横向扭转屈曲I挠度控制满足使用性要求梁的弯曲与剪切承载力弯曲承载力剪切承载力φφM≤b·Mn V≤v·VnMn=fy·W Vn=

0.6·fy·Aw为截面模量为腹板面积W Aw需考虑局部屈曲需验算腹板剪切屈曲屋架与桁架结构设计沃伦式桁架普拉特式桁架豪氏桁架等腰三角形布置竖杆受压、斜杆受拉竖杆受拉、斜杆受压构件数量少、用料省适合中小跨度结构适合重载荷结构空间结构受力特征空间协同工作多向传力分散荷载几何形态设计曲面与多面体结构三维受力体系轴力为主，少量弯矩结构效率高材料使用率高达85%悬索与网架结构悬索结构利用钢缆承拉力，网架结构形成空间刚度适用于体育场馆、展览中心等大跨度建筑节点设计基本原则传力路径明确结构简洁可行力流清晰直接构造合理易施工••避免力流突变经济性与安全性平衡••刚度与变形协调保证整体性能•防止局部过度变形•刚接与铰接节点刚接节点铰接节点传递弯矩和剪力主要传递剪力和轴力整体性好，侧向刚度大容许一定转动，应变能力好制作要求高，成本较高制作简单，成本较低典型形式端板连接、翼缘连接典型形式角钢连接、腹板连接节点细部构造设计加劲措施加劲肋、连接板焊缝布置避免交叉，控制应力螺栓排布满足边距与间距要求制造公差预留调整空间节点常见失效模式焊缝断裂螺栓剪切2焊接质量不良或设计不当螺栓承载超限支座拉裂连接板屈曲焊缝尺寸不足或边距不当板件过薄或刚度不足金属结构屈曲与稳定整体屈曲局部屈曲侧向扭转屈曲长柱压弯薄壁板件波浪变形梁翼缘侧向失稳控制长细比控制宽厚比设置侧向支撑局部失稳及防治失稳机理识别薄壁承压易屈曲弯扭耦合引发侧屈关键参数控制控制宽厚比λp限制无支撑长度Lb构造措施应用设置加劲肋增加侧向支撑疲劳与断裂设计腐蚀控制与防护措施表面涂装1底漆、中涂、面漆多层保护热镀锌处理2形成锌层物理隔离耐候钢材使用3形成保护性氧化膜定期检查维护及时修复损坏防护层防火设计及措施金属结构耐火问题常用防火措施钢材强度在℃时降低防火涂料薄型、厚型50040%•防火板材包覆℃时降低约•60070%混凝土包裹•铝合金在℃左右强度急剧下降300水冷系统•金属结构的隔热与保温热传导问题隔热层设置防结露处理金属导热系数高外墙保温系统热工分析确定保温厚度易形成热桥断热铝合金型材关键部位增设防潮层施工工艺流程简介工厂制作下料、组装、焊接构件运输大件分段、特殊车辆现场拼装定位、校准、连接防护处理焊缝处理、涂装修补金属结构施工质量控制材料质量焊接质量安装精度原材料检验焊工资质审核测量放线控制•••焊接材料管理工艺参数控制垂直度与水平度•••紧固件性能测试无损检测方法变形控制措施•••典型工程案例分析182492楼层总数高度米上海环球金融中心混合结构体系31000钢材用量吨核心筒外框架+典型工程案例分析291000330钢结构重量吨最大跨度米北京国家体育场鸟巢空间钢结构体系42最大檩条间距米双向正交网格体系典型工程案例分析3港珠澳大桥钢箱梁结构米跨径110钢混组合结构-防腐设计使用寿命年120设计常见问题与误区尺寸确定稳定验算1仅按强度计算忽视刚度要求忽略局部稳定性检查2细部构造节点设计忽视施工便利性与可行性连接处传力路径不明确国内外规范与标准比较规范项目中国美国欧洲GB AISCEC3设计方法极限状态法法极限状态法LRFD材料分类Q235-Q460A36-A992S235-S690安全系数

1.2-

1.

50.9-

0.

751.0-

1.25金属结构数字化建模三维信息模型有限元分析数字化加工实体参数化建模力学性能模拟切割下料CNC构件间关联驱动关键节点应力分析机器人自动焊接新型金属材料与结构创新超高强钢强度可达1300MPa减轻结构自重以上30%耐候钢无需涂装易维护表面形成保护锈层复合型钢钢混凝土组合-钢木组合结构-打印金属3D复杂节点直接成型拓扑优化减重设计绿色金属结构与可持续设计材料循环利用以上钢材可回收95%能源效率提升优化保温隔热设计碳排放控制全生命周期碳足迹分析装配式建造4减少施工废弃物以上50%金属结构抗震设计要点良好延性保证足够塑性变形能力耗能机制设置耗能支撑或节点传力路径结构布置规则连续强柱弱梁控制破坏顺序与位置构造细节防止脆性断裂金属结构未来发展趋势工业化程度提高标准化、模块化构件智能化结构传感监测、主动控制轻量化设计材料高强化、结构优化功能可变性可拆卸、可重构结构设计过程中的实用软件力学分析软件建模与出图软件有限元分析钢结构专业建模•ANSYS•Tekla工程结构分析平台建模•MIDAS•Revit BIM框架结构计算二维施工图•SAP2000•AutoCAD课程知识要点回顾材料性能、结构分析、构件设计与节点构造为主要重点稳定性控制、连接设计与构造细节为常见难点结语与课程复习建议基础知识巩固理解材料性能与力学原理掌握基本计算方法案例分析学习工程实例解析设计过程全面理解实践与创新参与实际设计关注行业前沿发展。