钢框架结构设计讲义基本理论

钢结构讲义第一章钢结构设计基本概念和设计总则1.1 钢结构设计基本概念1、材料强度高、塑性和韧性好2、材质均匀，与力学计算的假定比较符合3、钢结构制造简便，施工周期短4、钢结构的质量轻1.2 钢结构的常用术语1、钢结构定义2、比例极限3、屈服点4、抗拉强度5、设计值6、强屈比7、伸长率8、冷弯性能9、冲击韧性10、脆断11、一阶弹性分析12、二阶弹性分析13、屈曲14、腹板的屈曲强度1.3 钢结构设计适用范围及常用规范标准1、钢结构设计适用范围：一般工业与民用建筑2、钢结构设计基本依据及常用规范标准：1.4 钢结构设计总则1、设计钢结构时，应从工程实际情况出发，合理选用材料、结构方案和构造措施，满足结构构件在运输、安装和使用过程中的强度、稳定性和刚度要求，并符合防火、防腐蚀要求。

宜优先采用通用的和标准化的结构和构件，减少制作、安装工作量。

2、在钢结构设计文件中，应注明建筑结构的设计使用年限、钢材牌号、连接材料的型号（或钢号）和对钢材所要求的力学性能、化学成分及其他的保证项目。

此外，还应注明所要求的焊缝形式、焊缝质量等级、端面刨平顶紧部位及对施工的要求。

3、对有特殊设计要求和在特殊情况下的钢结构设计，尚应符合现行有关国家标准的要求。

1.5 材料分类及性能1、规范推荐Q235 Q345、Q390、和Q4202、在建筑结构设计中对结构用钢材的分类方法3、钢材的力学性能和化学成分表钢材的力学性能表注：1、质量等级为A级不要求V型冲击试验。

2、δs项括号内数值适用于C∽E级。

钢材化学成分4、建筑结构用钢铸件5、连接材料（1）焊缝金属（2）普通螺栓金属（4.6C级、4.8C级、5.6AB级、8.8AB级）（3）高强度螺栓金属（8.8级、10.9级）（4）圆柱头焊钉、锚栓、铆钉1.6结构钢材的选用1、选用的原则2、选用钢材应考虑的因素3、承重结构钢的一般保证项目和追加保证项目4、Q235沸腾钢的限制范围5、钢结构设计图纸和钢材订货文件的内容1.7连接材料的选用1、手工电弧焊焊条的型号应与主体金属相适应2、自动焊接或半自动焊接的焊丝和焊剂应与主体金属相适应3、螺栓连接选用1.8选材的变通方法钢材化学成分允许偏差2、钢材机械性能所需的保证项目仅有一项不合格时的原则处理3、对无牌照或无证明书钢材的原则处理4、对成批混合钢材的原则处理5、代用钢材时的原则处理第二章设计基本规定2.1 设计原则1、（除疲劳计算除外），采用以概率理论为基础的极限状态设计法，用分项系数设计表达式进行计算2、根据结构破坏可能产生的后果，采用不同的安全等级。

钢结构原理知识点总结引言：钢结构是一种常用于建筑和桥梁等工程项目的结构形式，具有高强度、刚度和耐久性等优点。

了解钢结构原理的知识点对于工程师、建筑师和设计师等相关专业人员至关重要。

本文将对钢结构原理的关键知识点进行详细总结，为读者提供基本的理论基础。

概述：钢结构是由钢材构成的工程结构，通过将不同形状的钢材组装在一起，形成一个整体结构，以支撑和承载负荷。

在设计和建造过程中，需要考虑到结构的荷载、材料的选择、连接方式等多个因素。

正文：一、钢材的性质1.钢材的强度与刚度：钢材的强度指钢材承受外部荷载时的抗力程度，刚度指钢材受力后的形变程度。

了解钢材的强度和刚度是设计钢结构的关键。

a.强度的分类：钢材的强度可分为屈服强度、抗拉强度和抗压强度等。

b.刚度的影响因素：刚度与截面形状、钢材的弹性模量和截面尺寸等因素密切相关。

二、钢结构设计的基本原则1.强度设计原则：钢结构的设计应满足预定的安全强度水平，以最大程度地保证结构的承载能力。

a.极限状态设计：根据结构的极限状态进行设计，包括极限承载力设计和极限位移设计。

b.可靠性设计：考虑结构材料、荷载和其他不确定因素的不同，引入设计系数来提高结构的可靠性。

三、钢结构的连接形式1.熔焊连接：是将两个或多个钢材通过加热至熔点并在熔化状态下连接在一起的方法。

a.焊缝类型：包括角焊缝、对接焊缝和搭接焊缝等。

b.焊接质量：焊接质量的好坏对连接的强度和承载能力有着重要影响。

四、钢结构设计的荷载考虑1.永久荷载：代表了结构自身的重量，包括结构的质量、装饰材料的重量等。

a.配重计算：通过确定永久荷载的大小和分布，计算结构的配重需求，以使结构保持稳定。

b.空气负荷：考虑到气流对结构的影响，如风荷载和气动力。

五、钢结构设计中的稳定性分析1.屈曲分析：考虑到结构在受压状态下可能发生的屈曲失稳问题，以保证结构的整体稳定性。

a.稳定性设计：结构设计中应满足屈曲承载力的要求，以防止结构失稳。

钢筋混凝土框架房屋结构设计理论概述1.钢筋混凝土框架结构理论概述1.1框架结构的特点钢筋混凝土框架结构由梁和柱钢性连接的骨架所组成，框架的连接点是刚节点，是一个几何不变体。

钢筋混凝土框架结构是一种抗震、抗风较好的结构体系，建筑平面布置灵活，使用空间大，延性较好易于满足建筑物设置大房间的要求，还可以减轻建筑物的重量，在现代工业与民用建筑中被广泛应用。

1.2钢框架结构与钢筋混凝土结构（1）钢框架结构是以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。

具有以下特点：自重较轻，工作的可靠性较高，抗震性、抗冲击性好，工业化程度较高，容易做成密封结构，易腐蚀，耐火性差等特点。

（2）钢筋混凝土结构是用钢筋和混凝土建造的一种结构，钢筋承受拉力，混凝土承受压力。

具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。

由于钢材塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载，其次钢材匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定.2.设计中应注意的问题2.1.独立基础设计荷载取值不当钢筋混凝土多层框架房屋多采用柱下独立基础，《抗震规范》（GB50011-2001）第4.2.1条指出，当地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层时，不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋或荷载相当的多层框架厂房，可不必进行地基和基础的抗震承载力验算。

这就是说，在8度地震区，大多数钢筋混凝土多层框架房屋可不必进行地基和基础的抗震承载力验算。

但这些房屋在基础设计时应考虑风荷载的影响。

因此，在钢筋混凝土多层框架房屋的整体计算分析中，必须输入风荷载，不能因为在地震区高层建筑以外的一般建筑风荷载不起控制作用就不输入。

另一种情况是，在设计独立基础时，作用在基础顶面上的外荷载（柱脚内力设计值）只取轴力设计值和弯矩设计值，无剪力设计值，或者甚至只取轴力设计值。

以上两种情况都会导致基础设计尺寸偏小，配筋偏少，影响基础本向和上部结构的安全。

钢结构框架的刚度设计与变形控制钢结构框架在现代建筑中被广泛应用，其强度高、稳定性好的特点使其成为许多大跨度建筑物的首选结构形式。

然而，在实际应用过程中，钢结构框架的刚度和变形控制是需要重点考虑的问题。

本文将探讨钢结构框架的刚度设计与变形控制的相关技术和方法。

1. 刚度设计的基本原理刚度是指物体抵抗外力产生形变的能力。

钢结构框架的刚度设计需要满足建筑物使用要求和安全标准。

一般来说，刚度设计主要考虑以下几个方面：1.1 材料选择钢结构框架的刚度主要受材料的弹性模量和截面尺寸的影响。

在刚度设计中，一般选择高强度的钢材料，并通过合理的截面设计来增加刚度。

1.2 结构整体刚度结构整体刚度与构件连接方式、构件形状和布置方式等有关。

设计时需根据结构特点选择合适的连接方式，并合理设计构件形状和布置方式，以提高整体刚度。

1.3 支撑设计支撑是钢结构框架保持刚度和稳定的重要因素。

在设计过程中，需要合理设置支撑点，以增加框架的整体稳定性和刚度。

2. 变形控制的方法钢结构框架的变形控制是实现安全和舒适使用的关键。

变形控制一般从以下几个方面考虑：2.1 设计刚度与变形限值的匹配在设计过程中，需要根据建筑物的使用要求和安全标准，合理确定刚度和变形限值的匹配关系。

通过合理的刚度设计，控制结构变形在允许范围内。

2.2 弹性阶段预设变形在建筑物使用过程中，往往会受到气温、荷载变化等因素的影响而引起结构变形。

通过在设计过程中预设一定的弹性变形，使结构在变形后能够恢复到设计的位置，避免过大变形引起的安全隐患。

2.3 非弹性阶段变形控制由于一些特殊荷载作用或材料本身的不均匀性，钢结构框架很容易在非弹性阶段产生较大的变形。

通过合理的剪切墙设置、加强抗剪和抗扭刚度等措施，可以有效控制结构在非弹性阶段的变形。

3. 钢结构框架的刚度设计与变形控制案例分析以下通过一个具体案例来进一步说明钢结构框架的刚度设计与变形控制。

案例：某体育馆在某体育馆的钢结构设计中，设计师考虑到场馆的使用要求和安全标准，采取了以下刚度设计与变形控制措施：3.1 材料选择选用高强度的钢材料，以提高结构的整体刚度。

钢结构基本原理课程设计钢框架设计说明书一、设计资料工程名称：某多层图书馆二楼框架书库工程资料：结构采用横向框架承重，楼面活荷载标准值72kN mm ，楼面板为150mm厚单向实心钢筋混凝土板，荷载传力途径为：楼面板－次梁－主梁－柱－基础。

设计中仅考虑竖向荷载和活载作用,框架梁按连续梁计算。

框架平面布置图和柱截面图如图1和图2。

工程要求：（1）设计次梁截面CL-1。

（2）设计框架主梁截面KL-1。

（3）设计框架主梁短梁段与框架柱连接节点，要求采用焊缝连接，短梁段长度一般为0.9～1.2m 。

（4）设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点，要求采用高强螺栓连接。

（5）绘制主梁与柱连接节点详图，短梁段及梁体连接节点详图，短梁段与梁体制作详图(1#图纸一张)，KL-1钢材用量表，设计说明。

（6）计算说明书，包括构件截面尺寸估算、荷载计算、内力组合、主次梁截面设计、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算。

二、设计参数混凝土自重： 325/kN m 厚度：150mm 粉刷层： 317/kN m 厚度：15mm 找平层： 320/kN m 厚度：20mm 楼面活荷载的标准值： 26/kN m水磨石楼面： 20.65/kN m 钢材（Q235）强度设计值： 2215/d f N mm = 钢材（Q235）抗剪强度设计值：2125/v f N mm = 钢材（Q235）的弹性模量： 522.0610/E N mm =⨯三、设计次梁截面CL-1 1.设计荷载（1）恒载—标准层楼面（标准值）水磨石面层楼面1.305KN/m 2粉刷层 找平层结构层：150mm 单向钢筋混凝土楼板 23/75.3/2515.0m KN m KN m =⨯ 合计： 5.055KN/m 2（2）活载楼面活载标准值 2/7m KN（3）竖向荷载下框架受荷总图荷载由板到梁传递示意图如下图3所示： a. 荷载标准值 楼面板传恒载=m KN m m KN /7475.2225.4/055.5212=⨯⨯⨯ 楼面传递活载=m KN m m KN /5.3125.4/7212=⨯⨯⨯ b. 荷载设计值c. 最大弯矩与剪力设计值次梁架于主梁之上，相当于简支结构，计算简图如下图4：2.确定次梁的截面尺寸由于设计初钢梁自重未知（考虑安全因素），故取： 次梁所需的截面抵抗矩：次梁选用工字形截面，则：（1）确定腹板尺寸梁的经济高度： mm W h x e 67.75530073=-= 取： )(760e h h mm h >=腹板厚度: mm h t e w 89.75.3==取： mm t w 12=次梁计算简图4若翼缘的厚度取：20mm t = 则 mm t h h w 7202=-= （2）确定翼缘尺寸：每个翼缘所需的截面面积： 249.30066mm ht h W A w x f =-=翼缘板的宽度： 232.150mm tA b f f ==暂取： 300fb mm =（3）次梁截面尺寸特征（如图5-1）：22064012720203002mm A =⨯+⨯⨯=由于b 0.6ϕ>，则：（4）确定焊缝尺寸故取8fh mm =，钢结构在焊接时焊条采用E43列，焊接方法为手工焊。

5.5普通钢屋架设计5．5．4杆件计算长度与长细比1、杆件计算长度（《钢规》5.3.1-5.3.2条）(1)确定桁架弦杆和单系腹杆(用节点板与弦杆连接)的长细比时，其计算长度L0按下表采用：注:① L为构件的几何长度(节点中心间距离)，L1为桁架弦杆侧向支承点之间的距离。

②斜平面系指与桁架平面斜交的平面，适用于构件截面两主轴均不在桁架平面内的单角钢腹杆和双角钢十字形截面腹杆。

③无节点板的腹杆计算长度在任意平面内均取其等于几何长度（钢管结构除外）。

当桁架弦杆侧向支承点之间的距离为节间长度的2倍，且两节间的弦杆轴心压力不相同时，则该弦杆在桁架平面外的计算长度，应按下式（5-8）确定，但不应小于0.5L1。

对桁架再分式腹杆体系的受压主斜杆及K形腹杆体系的竖杆等，在桁架平面外的计算长度与应按公式（5-8）确定（受拉主斜杆仍取L1）；在桁架平面内的计算长度则取节点中心间距离。

（2）确定在交叉点相互连接的桁架交叉腹杆的长细比时，桁架平面内的计算长度应取节点中心到交叉点间的距离；桁架平面外的计算长度，当两交叉杆长度相等时，应按下列规定采用：①压杆（即计算杆为压杆）* 相交另一杆受压，两杆截面相同并在交叉点均不中断，则：⎪⎭⎫ ⎝⎛+=N N ll 00121 * 相交另一杆受压，此另一杆在交叉点中断但以节点板搭接，则：NN l l 020121π+=* 相交另一杆受拉，两杆截面相同并在交叉点均不中断，则：l N N ll 5.04312100≥⎪⎭⎫ ⎝⎛-= * 相交另一杆受拉，此拉杆在交叉点中断但以节点板搭接，则：l NN l l 5.043100≥-= 当此拉杆连续而压杆在交叉点中断但以节点板搭接，若N 0≥N ，或拉杆在桁架平面外的抗弯刚度⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-≥1430220N N l N EI Y π时，取L 0=0.5L 。

上述各式中：L 为桁架节点中心间距离（交叉点不作为节点考虑）；N 为所计算杆的内力；N 0为相交另一杆的内力，均为绝对值。

钢结构基本理论第一节概况中国虽然早期在钢铁结构方面有卓越的成就，但由于2000多年的封建制度的束缚，科学不发达，因此，长期停留于铁制建筑物的水平。

直到19世纪末，我国才开始采用现代化钢结构。

新中国成立后，钢结构的应用有了很大的发展，不论在数量上或质量上都远远超过了过去。

钢结构建筑的多少，标志着一个国家或一个地区的经济实力和经济发达程度。

进入2000年以后，我国国民经济显著增长，国力明显增强，钢产量成为世界大国，在建筑中提出了要“积极、合理地用钢”，从此甩掉了“限制用钢”的束缚，钢结构建筑在经济发达地区逐渐增多。

特别是2008年前后，在奥运会的推动下，出现了钢结构建筑热潮，强劲的市场需求，推动钢结构建筑迅猛发展，建成了一大批钢结构场馆、机场、车站和高层建筑，其中，有的钢结构建筑在制作安装技术方面具有世界一流水平，如奥运会国家体育场等建筑。

奥运会后，钢结构建筑得到普及和持续发展，钢结构广泛应用到建筑、铁路、桥梁和住宅等方面，各种规模的钢结构企业数以万计，世界先进的钢结构加工设备基本齐全，如多头多维钻床、钢管多维相贯线切割机、波纹板自动焊接机床等。

还有我们自行研制开发的弯扭构件加工设备和方法，数百家钢结构企业的加工制作水平具有世界先进水平，如钢结构制作特级和一级企业。

近几年，钢产量每年多达6亿多吨，钢材品种完全能满足建筑需要。

钢结构设计规范、钢结构材料标准、钢结构工程施工质量验收规范、以及各种专业规范和企业工法基本齐全。

一、建筑钢结构主要应用：1、轻钢结构(单层工业厂房) ---门式刚架体系2、网格结构(体育馆、体育场、航站楼)--现在一般做成球节点网架，有焊接球、螺栓球节点的，杆件都是钢管，也有全用角钢焊接的屋架。

3、超高层结构---纯钢结构、钢管混凝土结构、钢框架-混凝土剪力墙(核心筒)。

4、高耸结构---通讯塔等。

二、钢结构现场检测规范：钢结构现场检测主要采用的规范有：1、建筑结构检测技术标准GB50344-20042、钢结构现场检测技术标准GB50621-20103、钢结构超声波探伤及质量分级法JGJ/T203-2007除上述标准尚应执行国家现行的有关标准、规范的规定-，这些现行的国家有关标准、规范主要是《建筑工程施工质量验收统一标准》GB 50300、《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205、《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292、《工业建筑可靠性鉴定标准》GB50144、《建筑抗震鉴定标准》GB 50023以及相应的钢结构材料强度检测标准等。