钢结构房屋设计
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职工培训教材——结构专业
第三讲钢结构房屋设计
(2009.10.31)
内容提要
随着国民经济的迅速发展,钢结构房屋的设计已成为我国设计工作的主要内容之一。本文在总结多个项目钢结构房屋设计的基础上,全面介绍了单层门式刚架轻型钢结构房屋、单层排架普通钢结构房屋和多、高层钢结构房屋设计的特点和经验,仅供今后钢结构房屋设计的参考。
1.我国钢结构建筑的发展现状
近十年来,随着国民经济的迅速发展,钢结构在我国得到了广泛的应用,单层门式刚架轻型钢结构房屋大量应用于工业建筑中,空间网架、立体桁架钢结构广泛应用于大跨度工业与民用建筑中,高层钢结构房屋越来越多地成为超高层建筑的首选方案。现在,钢结构房屋的设计已成为我国设计工作的主要内容之一。与砼结构相比,钢结构具有许多优点:
(1)钢材是一种可以回炉循环使用的环保型材料,钢结构对环境保护具有很大的优点;
(2)钢结构一般均在工厂生产,现场安装,对建筑业实现工业化提供了良好的条件;
(3)钢结构施工快捷,施工工期短,特别是单层门式刚架轻型钢结构房屋,3—6个月就可以建成投产;
(4)钢结构更适合在大跨度、大柱网建筑中的应用。
(5)钢结构与混凝土结构相比较,门式钢架比混凝土单层厂房要相对便宜点。但多层、高层钢结构则造价要高于混凝土结构,大约高20%~30%。
随着钢结构在我国的广泛应用,钢结构的生产厂家也越来越多,生产能力也越来越强。目前,生产钢结构构件的工厂如浙江的东南、杭萧、精工三大公司,年产量均在30万吨以上;他们不仅能生产轻型钢结构,还能生产重型钢结构,如复杂的、板厚在4 0 mm以上的工型柱、箱型柱、双向工型柱、异型柱、工型梁、箱型梁、异型梁等,有的还实现了在工厂生产线上连续机械化生产作业,这
就为钢结构的广泛应用创造了良好的条件。
钢结构房屋设计因种类的不同而有所不同。不同的钢结构要采用不同的规范。因此,钢结构房屋设计时,首先要明确该建筑的类型和适合该类型所用的规范。
钢结构房屋设计的国家标准、规范:
(1)钢结构设计规范 GB 50017—2003
(2)门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS 102:2002
(3)冷弯薄壁型钢结构技术规范 GBJ 50018—2002
(4)型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ 138—2001
(5)高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ 99—98
(6)网架结构设计与施工规程 JGJ 7—91
(7)钢网架螺栓球节点 JG 11—1999
(8)钢网架检验及验收标准 JG 12—1999
(9)钢结构工程施工质量验收规范 GB 50205—2001
国家标准图集:
(1)钢结构设计制图深度和表示方法 03G102
(2)多、高层民用建筑钢结构节点构造详图 01SG519
(3)门式刚架轻型房屋钢结构 02SG518
(4)多、高层民用建筑钢结构节点连接 03SG519—1
(5)多、高层民用建筑钢结构节点连接 04SG519—2
(6)钢吊车梁 SG520—1~2
(7)吊车轨道联结及车挡(适用于钢吊车梁) 05G525
(8)钢柃条钢墙梁 SG521—1~4
(9)钢托架 05G513
(10)钢与混凝土组合楼(屋)盖结构构造05SG522
(11)型钢混凝土组合结构构造4SG523
2.钢结构房屋分类
2.1 单层门式刚架轻型钢结构房屋
适用于轻型屋盖和轻型外墙(或非嵌砌砌体外墙)、房屋高度一般不大于9 m (当有桥式吊车时不宜大于12 m)、跨度一般不大于36 m、无桥式吊车或有起重量不大于20 t的A1~A5工作级别桥式吊车或3 t悬挂式起重机的单层钢结构房屋。按CECS 102:2002规范设计。其特点是:
(1)平面结构体系,柱脚铰接(或刚接),柱顶刚接,柱梁截面高度可变,与刚架内力图相接近,充分发挥材料的承载能力;
(2)屋面自重轻,基础小,用料省(一般可控制在50 KG/㎡以内),造价低。
当柱距为6m时,门刚的用钢量几乎与钢架跨度相当,即27m跨度的钢架,用钢量折算为每平米27Kg/m2。
2.2 单层排架普通钢结构房屋(实腹式工型柱)
适用于轻、重型屋盖和轻型外墙(或非嵌砌砌体外墙)、跨度一般不大于36 m、有起重量大于20 t的桥式吊车或3 t以上悬挂式起重机的单层钢结构房屋。按GB 50017—2003规范设计。其特点是:
(1)平面结构体系,柱脚刚接,柱顶铰接或刚接,柱采用等截面工型柱或双肢柱,梁截面高度可变(当采用重屋盖时,宜采用钢屋架,柱顶铰接);
(2)由于柱脚弯矩大,相应的基础较大,材料用量也大。
2.3 空间网架钢结构房屋(单位的项目实例有武汉的光缆厂房、大连分院有做192m×192m跨度的网架)
适用于大跨度工业与民用建筑,如正方形或接近于正方形的体育馆、机场候机厅、车站或工厂,常用的网架有钢管螺栓球节点和钢管焊接球节点组成的四角锥网架,网架支承于四周的钢筋砼柱、钢柱或托梁上,并可以承担一定的吊挂荷载,屋面维护结构采用压型彩钢板。网架采用“空间桁架结构通用程序LSG2”计算,其内力分布和杆件直径、球节点直径由四周向中间逐步增大,充分发挥材料的承载能力。
2.4 立体桁架钢结构房屋(钢管空间钢结构体系)
适用于大跨度工业与民用建筑。桁架与砼柱采用螺栓铰接,桁架节点采用钢管之间直接相贯的焊接节点,屋面维护结构采用压型彩钢板,有柃体系。
2.5 多层和高层钢结构房屋(大连分院有做80m高度的电解塔)
适用于多层和高层工业与民用建筑,一般采用空间结构体系,柱脚刚接,框架梁柱刚接(两个方向),次梁与主梁铰接,楼板采用钢板或钢与砼组合楼板(在压型钢板上现浇砼板)。按GB 50017—2003和JGJ 99—98规范设计。
2.6 钢与砼组合结构房屋
(1)型钢砼组合结构(从略);
(2)钢管砼组合结构(从略)
3.门刚规范(CECS 102:2002)与普钢规范(GB 50017—2003)的主要差别