24m跨度钢结构设计 [大跨度房屋钢结构设计浅析]
时间：2019-05-16 03:19:17 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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。 关键词大跨度；钢结构；设计；体系；
Abstract: With the social development and progress, more and more attention to housing design of steel structures, steel structures designed for real life is of great significance. This paper describes the large span steel structure design for Housing.
Keywords span; steel; design; system;
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
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。
4.1 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。
4.2 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0.5kN/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2.0kN/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。大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。
4.3 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。
参考文献
[1]同济大学，西安建筑科技大学，东南大学，重庆建筑大学．房屋建筑学(第三版)[M]．北京：中国建筑工业出版社，2011．
[2]湖南大学结构力学教研室．结构力学(上册)(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，2009．
[3]钢结构设计手册编辑委员会．钢结构设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004．
