钢架结构及其建筑造型

论文

论文题目：钢架结构及其建筑造型实例分析

姓 名 韩江伟、胡琛、于善政

学 号 [1**********]、[1**********]、[1**********] 学 院 建筑城规学院 班 级 专 业

2015年 12 月 01 日

1.1 钢架结构的特点.............................................................................. 1

1.1.1钢架结构的组成 . .................................................................... 1

1.1.2 钢架结构的特点 . ................................................................. 1

2.1钢架结构的发展应用 . ...................................................................... 2

2.1.1 国外刚架应用与发展 .......................................................... 2

2.1.2 国内门式刚架的发展 .......................................................... 3

3.1钢架结构的适用范围 . ...................................................................... 3

4.1 钢架结构造型实例分析 . ................................................................. 4

5.1 本章小结 ....................................................................................... 7

1.1 钢架结构的特点

1.1.1钢架结构的组成

刚架组成不外乎梁和柱，两者组成刚架，但由于是钢结构房屋，维护构 件即墙面屋面采用压型钢板，这样与檩条，支撑结构等构成门式刚架房屋。 门式刚架中有主刚架柱，它是结构中主要受力体系，其组成部分分为钢架梁和柱，两者主要采用焊接工字钢或热轧H 型钢。

根据结构的受力特点，刚架的梁和柱一大多采用变截面的梁，这样可以充分发挥材料的的性能和达到经济效益降低造价。在刚架所使用的钢材中热轧H 型钢涉及的还是比较少。原因主要是由于热轧H 型钢一般为等截面而不是变截面。热轧H 型钢一次成型，质量可以保证，自身的材料残余应力比较小，这些特点使得它在今后随着设计和技术的的发展而其适用范围也会不断扩大。 在那些有吊车的房屋结构中，刚柱一般采用等截面形式或等截面阶形形式柱，梁仍然采用与应力图接近的变截面梁。 一座房屋的主要受荷部位就是梁柱即主结构，所有与主结构连接的构件所受的荷载都要传递到主结构上。如与植物相比，一棵树，那么主钢结构就像一个树干，树不倒靠树干，可靠的钢结构起着决定性的作用，它的用钢量占整个量也是相当大的比例。 门式刚架的结构体系的组成部分：主要结构：横向刚架、楼面梁、托梁、支撑体系等；次要结构：屋面檩条和墙面檩条等；辅助结构：楼梯、平台、扶栏等； 围护结构：屋面板和墙板；基础。

图片1钢架组成

1.1.2 钢架结构的特点

等截面或者变截面梁柱的组合是门刚采用较多的形式，材料主要选用 H 型钢，两者组成了门式刚架的主要承重体系。冷弯 Z 型和 C 型钢作为檩条的材料能够起到良好效果，使用较为广泛。压型钢板应用于屋面和墙面，极大地减小了房屋的荷载。保温材料一般选用聚苯乙烯泡沫塑料。门式刚架因其材料和组成，有着诸多的特点，所以备受亲睐。

特点之一就是施工时间短，可以实现工业化。门式刚架的工业化生产，可以保证质量。节点采用螺栓连接，可以使施工安装变得方便快捷，质量也可以很好

地保证。 质量较轻，之所以质量轻是因为采用了冷弯钢材，玻璃棉，压型钢板等轻型材料。通常的用钢量大约在 10-30kg/m，与钢筋混凝土结构相比，重量在相同跨度和负荷条件下仅约为其二十分之一到三十分之一。由于质量的减少，地基处理的成本有效的降低。房屋较高或者风荷载较大时，成为控制门式刚架荷载的因素。 常见的钢筋混凝土结构因屋顶和墙板的限制，大多 6 米柱间距，使用 12 米柱距时，传统形式设置需要墙架柱和托梁。但是，门式刚架结构的围护体系采用压型钢板，所以柱间距要求无需模数列的网格布局限制，并根据钢量的大小来确定最经济要求，并能提供大的空间结构满足业主的要求。

2.1钢架结构的发展应用

2.1.1 国外刚架应用与发展

门式刚架的发源地是美国，起初是用在私人车库。上个世纪60年代以来，随着新型建筑材料的出现，加工设备不断的完善改进，轻型门式刚架结构体系逐渐普及到大型工业厂房，商业建筑，交通设施等建设中，并且实现了设计，分析，出图的程序化，构件加工，安装施工，经营管理一体化流程。轻钢结构之所以在国外发展迅速，愿意之一是购买方可以向生产商定做某种钢结构房屋形式，而且生产商可以在短期内生产产品达成购买方的要求，并交付使用，这种高效的方式很受一些业主欢迎，因此轻钢结构得以快速发展。到现在为止，轻型钢结构在欧美等国家的规模相当的大，其中非居住单层轻钢结构约占53%以上。 在房屋的建筑用钢材的第一个国家可以追溯到十八世纪后期英国，一百年以后建造的著名的法国工程师艾菲尔铁塔，人们开始尝试建立单一家庭住宅的钢结构，因为以前的钢结构的建筑风格，建筑设计理念和方法也都得到该变。早期的钢组件中的一部分，由铸铁制成配件，到19世纪80年代，结构钢的出现，加快钢铁建筑在20世纪60年代的发展，使钢结构建筑，实现了发展与创新第二次飞跃的理论和实践中，德国包豪斯理论是它的发祥地。

门式刚架在美国的规模最大，因为其是该结构的发源地。此外，欧洲日本也较早的大规模采用该结构。由于轻钢门式刚架结构具有不同于其他结构的特点，而且有显著的经济效益，所以这种形式的结构在国外通过引进广泛应用于国内外轻钢结构的发展较早，由于汽车产业的发展，最初是为众多优势私人车库等简易房屋的建设。第二次世界大战期间，由于需要战争，一些军营和仓库采用了轻型

钢结构建筑。彩色压型钢板出现了自1960年以来，国外建筑用钢的发展得到了很大的突破，色彩鲜艳，耐用，以及H 型钢及冷弯型钢的出现，促进了轻型门式刚架结构的发展，使之成为一种商品循环模式。加工设备和设计形式都随着新型建材的出现而不断的得到完善和多样化，轻型门式刚架结构体系逐渐蔓延到大型工业厂房，商业楼宇，交通设施等建筑，实现了设计，分析，图的程序，组件加工，安装，运行和管理的一体化进程。业主没有委托加工的图，但订购某种轻钢房屋承建商，根据业主和交付的要求，在很短的时间里就可以完成任务。这种迅速快捷的生产形式让业主感到满意，轻钢门式刚架的发展得到促进。目前，国外企业大多轻钢门式刚架都有自己的轻钢系列，且每家公司的轻钢系列大同小异。据统计，美国和欧洲的轻钢结构建造的单非住宅建筑占50％以上。许多国家，如英国，美国，日本，澳大利亚等国家的经济和高效的建筑结构体系，在商品销售的形式上多种多样。

其中，美国的轻型门式刚架结构体系所占比重中，主要设计的结构建筑如下：

商业：大型仓库，商店，政府机关，银行，车库，占42％;

工业：工厂，仓库占34％;

文化娱乐产业：学校，教堂，娱乐，福利设施，占9％;

其他：15％。

门式刚架发展过程中产生了两种体系，第一种是日本在门式刚架生产中，实 现了构件的标准化，定型，装配为导向；管理，设计，生产，施工，服务系统化 的模式。第二类是自1989年以来，从美国进口轻型门式刚架体系发展起来的。

2.1.2 国内门式刚架的发展

1990 年以前，工业中的钢结构房屋比较单一，只有排架结构形式的重型厂房，民用房屋中主要是球形节点网架结构；自 1990 年起，钢结构在多方面的应用，如厂房，仓库等建筑，说明钢结构建筑在我国已经开始大力发展起来了。 当今钢结构体系的构成材料主要是冷弯薄壁型钢，焊接钢材，还有热轧型钢。而当今钢结构建筑主要有常规钢结构和轻钢结构两种。但是，这两类结构的具体划分标准学术界目前尚未定论，因此存在着很多划分标准。比如，结构的跨度标 准，层数标准，吊车吨数标准，用途标准等。虽然这些标准建立在结构系统之外的因素特征上，但是它们还是有一定的根据的。研究轻钢结构的目的就是为了减少结构的重量，这就要控制构建的尺寸厚度，因此构件的局部失稳后的极限强度就必须要考虑。解决这些问题要把结构的工作方式和计算方法作为出发点，来解决设计中可能出现的一系列问题。

我国门式刚架结构体系发展比较晚，在参考了国外的一些资料，引进了一批设计理论之后才得以发展。自 1960 年以来，焊接工字形钢门式刚架在我国进行的实验研究，主要都是针对刚架的塑性设计，随后也在某些试点工程中应用。因为我们国家从经济角度考虑，采取了限制使用结构钢的策略，所以门式框架结构体系尚未得到很好的发展，无论是在设计水平，或施工的水平，相比国外还有很大的差距。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102-2002)的颁布与实施，标志着我国门式刚架结构设计进入规范化。就目前出现在国内的门式刚架结构房屋都是根据这一规程设计施工的，取得显著地成效，这样就为门式刚架的广泛应用垫定了基础。不仅门式刚架得到发展，相应的构件材料的生产也得到了提升，多大型企业都纷纷加入门式刚架生产体系的那个中，门式刚架称为最受欢迎的结构之一。方案设计已经取代了手工设计，我国自行设计的设计软件正在逐步取代国外的一些类似软件。

3.1钢架结构的适用范围

近年来，随着中国彩钢板产量的增加和焊接 H 型钢，门式框架结构中大量在我国的出现，据相关部门统计，2000 年中国已建成这样的结构工程已达到 800 多万平方米，超过百万平方米每年的速度递增。 1t-3t 的吊车系统可应用于大型或者中型的单层工业厂房中，也可以设置起重量小于 20t 的中轻级单梁或桥式吊车。现在的钢结构厂房已经不是原来的那种环境差，卫生条件差的样子，建成后简洁美观大方，使人在其中工作的心情都很愉悦。

单层门式刚架系统不仅结构简单，而且成型后的结构外形规矩美观，内部的空间很大，因此得到很多的仓库和码头的仓库大量采用。800 多平方米的变截面门式刚架厂房只需 4 至 6 天就可安装完毕投入使用，60m 至 72m 大跨度门式刚架建筑，如北京西郊的飞机机库跨度达 72m，只用了三个多月就完成了建设。

与球形节点相比，门式刚架不仅有经济优势，也有施工时间优势。 现代商业，文化娱乐设施和各种商业建筑，如体育场馆超市，商贸中心，农贸市场，以及各种形式的综合商贸城，要求建筑物跨度大，视野开阔。这些建筑合理的结构形式可采用大跨度轻型门式刚架，其特点除有普通门式刚架的特点外，最显著的特点就是净空间大。

4.1 钢架结构造型实例分析

案例1：国家体育场（鸟巢）外形结构

工程概况：设计国家体育场俗称鸟巢，位于北京奥林匹克公园中心区南部，为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场。工程总占地面积21公顷，建筑面积258,000㎡。场内观众坐席约为91000个，其中临时坐席约11000个。 国家体育场工程为特级体育建筑，主体结构设计使用年限100年，耐火等级为一级, 抗震设防烈度8度, 地下工程防水等级1级。工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长333米、东西宽294米的，高69米。钢结构总用钢量为4.2万吨，混凝土看台分为上、中、下三层，。钢结构与混凝土看台上部完全脱开，互不相连，形式上呈相互围合，基础则坐在一个相连的基础底板上。国家体育场屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构，即固定于钢结构上弦之间的透明的上层ETFE 膜和固定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明的下层PTFE 声学吊顶。 国家体育场，被誉为“第四代体育馆”的伟大建筑，见证的不仅仅是人类21世纪在建筑与人居环境领域的不懈追求，也见证着中国这个东方文明古国不断走向开放的历史进程。其设计新颖，配套设施完备，象征意义深远。

结构形式：“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱，主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构。看台混凝土结构为地下1层，地上7层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。

受力特点:钢架结构是指梁柱之间为刚性连接的结构。在竖向荷载作用下，由于柱对梁的约束作用减小了梁跨中的弯矩和挠度。在水平荷载作用下，由于梁对柱子的约束作用减少了柱内的弯矩和侧向变为。钢架结构的承载力的刚度很大。

案例2

中国蓝田股份有限公司年产20 000 t酱油车间, 厂房全长108m, 跨度45m, 采用门式刚架结构, 单层单跨, 刚架间距6m, 共19榀刚架, 刚架柱顶高13m, 屋面坡度为1∶10。为满足生产过程所需的通风及采光条件, 除两端第一柱间外, 沿纵向开设宽度为9m 的天窗, 总长度为96m 。

屋盖结构平面布置

厂房墙面和屋面围护材料采用轻型彩色压型钢板复合板。屋面檩条间距1. 5m, 按单跨简支构件设计, 采用C 型冷弯薄壁型钢C200×70×20×2. 5。檩条跨中设一道拉条, 拉条采用O10圆钢, 为使拉条形成一个整体不动体系, 在天窗侧边两檩条间设斜拉条和刚性撑杆。纵墙墙梁采用C 型冷弯薄壁型钢C200×70×20×

2. 2,山墙墙梁因跨度为9m, 采用高频焊接轻型H 型钢H200×150×3. 2×4. 5,

均按

单跨简支构件设计。跨中设一道拉条, 在最上层墙梁处设斜拉条以将拉力传至承重柱。为保证整体结构的空间稳定性, 每隔4个开间设置一道柱间支撑, 端部支撑设在厂房两端的第2个开间, 在第1开间设刚性系杆。由于厂房高度较大, 柱间支撑分两层设置, 采用张紧的十字交叉圆钢O25, 用特制的连接件与柱腹板连接。在设置柱间支撑的开间, 同时设置屋盖横向水平支撑, 支撑节点间距为3m, 采用十字交叉圆钢O20, 与刚架横梁腹板连接。所示为屋盖结构平面布置简图。为保证刚架的侧向刚度, 在刚架横梁受压下翼缘及柱内翼缘两侧布置隅撑(端部仅布置在一侧), 隅撑采用单角钢L56×4, 另一端连接在檩条或墙梁上, 采用M12普通C 级螺栓连接, 隅撑与构件腹板的夹角不小于45°。

钢架立面

刚架的拼接连接采用了直径为M27的10. 9级摩擦型高强度螺栓, 扭剪型连接副, 其材质为:螺栓采用20MnTiB, 螺母采用15MnVB, 垫圈为45号钢。连接接触面采用喷砂处理, 并要求按规范进行摩擦面抗滑移系数试验。梁的拼接采用端板对接的形式, 梁与柱的拼接采用了端板竖放的形式。刚架构件的翼缘和腹板与端板的连接采用全熔透的坡口焊缝, 且焊缝质量不低于二级。

5.1 本章小结

门式刚架投资成本比较低，而且重量较轻，所采用的压型钢板制作和安装方便。门式刚架结构施工和安装周期较短，从而有效地缩短工期，使该项目投入使用，并且能很快获得经济效益。

对于大跨度的门式刚架, 应根据弯矩的变化采取分段变截面的形式, 以减轻刚架的自重, 尤其是横梁的自重, 同时方便制作和运输。大跨度门式刚架采用较高强度的钢材有助于减小截面尺寸和自重, 但同时横梁刚度降低, 跨中挠度增大, 设计中应加以综合考虑。门式刚架的柱脚设计为刚接, 可有效地减小横梁跨中弯矩及挠度, 这对于大跨度的门式刚架来说, 是十分有利的。