大跨度钢结构设计要点(大跨度钢结构施工难点)

钢结构跨度怎么设计

仅从结构设计的角度而言，刚架的用钢量一般说来随其间距的增大而减小，但吊车梁以及次结构（檩条、墙梁和支撑等）的用钢量则随刚架间距的增大而增大。对于无吊车的情况，次结构的用钢量约占总用钢量的30%-45%；有桥式吊车时，吊车梁的用钢量与吊车梁的跨度、吊车台数、起重量以及吊车桥架的跨度有关，刚架用钢量与吊车台数、起重量、吊车桥架的跨度以及轨道标高和刚架柱高等多种因素有关，次结构的用钢量占总用钢量的比重难于有一个较为确定的范围。 钢结构跨度和刚架间距，是仅从总用钢量最少的角度来计算 刚架的跨度通常由使用要求确定，（包括次结构在内的用钢量的角度）而言，无桥式吊车和悬挂吊车时，刚架的钢跨度约为21-24m之间，大于36m就不经济了；当有桥式吊车时，其钢跨度大概在24-30m之间。有桥式吊车时的经济用钢跨度反而大于无桥式吊车时的经济用钢跨度，主要是因为吊车梁的用钢量在主结构（刚架与吊车梁）中所占的比重随钢架跨度的增加而减少，换言之，主结构的用钢量在总用钢量中所占比重随刚架跨度增加而减少。 门式刚架轻型房屋钢结构的刚架间距通常采用6m、7.5m、9m、12m等，在工程实践中，刚架间距通常由使用要求确定；对于无桥式吊车的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以7.5-9m为宜（因为薄钢檩条的截面最大高度不宜超过250mm）；当没有悬挂荷载或悬挂荷载不挂在檩条上，或采用高频焊接薄壁H型钢、或采用高频焊接轻型H型钢檩条，或采用格构式檩条时，刚架间距可做到12m，甚至15m，此时侧墙宜设墙架柱；通常，大跨度刚架宜采用大间距，跨度与间距的比一般以3.5-5m为宜。对于有桥式吊车或较大的悬挂荷载的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以6-7.5m为宜。有桥式吊车时，刚架的经济用钢间距比无桥式吊车时小，是因为次结构和吊车梁等纵向构件的用钢量随刚架间距减小而减少，而刚架用钢量则随刚架间距的增加而减少，总用钢量呈随刚架间距减小而减少的趋势。 刚架的跨度和适宜间距还需要考虑其他一些影响门式刚架轻型钢结构房屋的因素：一是基础数量的影响，门式刚架柱基础的特点是其控制设计的工况多为大偏心，基础地盘需较大尺寸，因而基础的数量和造价对整个工程造价有较大的影响，一般来说9m的刚架间距比6m的刚架间距将大大减少基础工程量；其次是工期的影响，刚架间距大，构件数量减少，有利于降低运输费用、减少吊装工程量和缩短施工工期，基础数量的减少也将有利于缩短工期，有利于业主提前还贷或尽快获得运营收。

30跨度钢结构大梁设计

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：

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。

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。

钢结构设计步骤和设计思路有哪些？

钢结构设计步骤和设计思路

(一) 判断结构是否适合用钢结构

钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间

、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大

桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。

(二) 结构选型与结构布置

此处仅简单介绍. 详请参考相关专业书籍.由于结构选型涉及广泛,做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指导下进行。

在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是"概念设计",它在结构选型与布置阶段尤其重要. 对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角

度来确定控制结构的布置及细部措施。 运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、

比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段

不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决,或没有简单实用的设计方法，比如网壳的稳定等。

结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载

，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落（

切线50度内需考虑雪载 ），如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳。总雪载释放近一半

。降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架

有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构

体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中

，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。我国半数以上的此类高层为前者。对抗震不利。[19] 结构的布置要根据体系特征,荷载分布情况及性质等综合考虑.一般的说要刚度均匀.力学模型清晰.尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围,使其以最直接的线路传递到基础. 柱间抗侧支撑的分布应均匀.其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线. 否则应考虑结构的扭转. 结构的抗侧应有多道防线. 比如有支撑框架结构,柱子至少应能单独承受1/4的总水平力

框架结构的楼层平面次梁的布置,有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为

了减小截面沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高,顶层边柱也有时

会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子.

(三) 预估截面

结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。 钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。 确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

柱截面按长细比预估. 通常50λ150, 简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯

或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等.

初学者需注意，对应不同的结构，规范中对截面的构造要求有很大的不同。 如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题。在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。

除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，

合理的选择安全经济美观的截面。

(四) 结构分析

目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-Δ,p-δ.

新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构

提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件:

典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形.

简单结构通过手算进行分析.

复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析.

(五) 工程判定

要正确使用结构软件，还应对其输出结果的做"工程判定"。比如，评估各向周期、总剪力

、变形特征等。根据"工程判定"选择修改模型重新分析,还是修正计算结果.

不同的软件会有不同的适用条件.初学者应充分明了.此外,工程设计中的计算和精确的力学

计算本身常有一定距离, 为了获得实用的设计方法,有时会用误差较大的假定, 但对这种误

差, 会通过"适用条件、概念及构造"的方式来保证结构的安全. 钢结构设计中,"适用条件

、概念及构造"是比定量计算更重要的内容.

工程师们不应该过分信任与依赖结构软件.美国一位学者曾警告说：“误用计算机造成结构

破坏而引起灾难只是一个时间的问题。”

注重概念设计和工程判定是避免这种工程灾难的方法.

(六) 构件设计

构件的设计首先是材料的选择. 比较常用的是Q235(类似A3)和Q345(类似16Mn). 通常主结

构使用单一钢种以便于工程管理. 经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面. 当强度

起控制作用时,可选择Q345; 稳定控制时,宜使用Q235.

构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面.这和结构内力计算的弹性方法并

不匹配.

当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验

算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级.并自动重新分析验算，直至通过，如

sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。

大跨度建筑如何进行钢结构的安装

大跨度建筑通常是那些跨度在30米以上的建筑物，一般常见于影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑以及其他的飞机装配厂、 车间库、飞机库和其他大跨度厂房建筑。一般来说，大跨度建筑的结构主要有着以下几种：

1 网架结构

在生活中，具有着网架结构的建筑物一般就是体育馆、展览馆、影院、饭堂等。它们都有着屋盖结构，具有工业程度化高、自重比较轻轻、稳定性好、外形美观等优良的特点。

从大体上来说，网架的钢结构有着焊接球节点、螺栓球节点与钢板节点这三种节点方式。网架结构建筑物的基本单元一般是三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等等，平面形状的三边形、四边形、六边形、圆形或其他任何形体都是有这些基本单位组建的。

2 悬索及索桁架结构

这种结构的特点是要以一系列拉索为主要承重的构件，这些拉索按一定的规则组建成不同的各种形式，并且悬挂于相应的支撑结构上，使建筑物的材料强度在受拉情况下能得到充分发挥的结构形式。这类建筑物外形美观、设计施工技术比较复杂，一般常见于大跨度的屋顶。

3 网壳结构

同第一种网架结构差不多，这类结构的网壳也是由许多杆件按一定规律组建，通过节点连接成空间杆系的结构。不同的是，网架结构网架的外形是呈平板状，而网壳结外形则呈曲面状。

这类结构一般来说为单层或者双层，按其外形来分，有单曲面或者双曲面构成的网状穹顶、网状筒壳，以及双曲抛物面网壳等等多种多样的形式。

这类网壳结构有着外形美观、通透感好，建筑空间大、用材省，设计施工较复杂等优良的特点，一般来说比较受欢迎。

结合大跨度建筑的这些特点，在大跨度建筑的钢结构安装时，也要因地制宜，用不同的方法来安装。

详见百度文库：大跨度建筑如何进行钢结构的安装

关键构件的是最能反映大跨度空间钢结构是否达到设计要求

大跨度空间钢结构施工的一般规定主要有：

1）大跨度空间钢结构可根据结构特点和现场施工条件，采用高空散装法、分条分块吊装法、滑移法、单元或整体提升（顶升）法、整体吊装法、折叠展开式整体提升法、高空悬拼安装法等安装方法。

2）空间结构吊装单元的划分应根据结构特点、运 输方式、起重设备性能、安装场地条件等因素确定。

3）大跨度空间钢结构施工应分析环境温度变化对结构的影响。

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