鋼架結(jié)構(gòu)及其建筑造型

1、論文論文題目：鋼架結(jié)構(gòu)及其建筑造型實例分析姓 名 韓江偉、胡琛、于善政 學(xué) 號 20130511021、20130511029、20130511026 學(xué) 院 建筑城規(guī)學(xué)院 班 級 建筑131 專 業(yè) 建筑學(xué) 2015年 12 月 01 日鋼架結(jié)構(gòu)及其建筑造型實例分析1.1 鋼架結(jié)構(gòu)的特點11.1.1鋼架結(jié)構(gòu)的組成11.1.2 鋼架結(jié)構(gòu)的特點12.1鋼架結(jié)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用22.1.1 國外剛架應(yīng)用與發(fā)展22.1.2 國內(nèi)門式剛架的發(fā)展33.1鋼架結(jié)構(gòu)的適用范圍34.1 鋼架結(jié)構(gòu)造型實例分析45.1 本章小結(jié)7鋼架結(jié)構(gòu)及其建筑造型實例分析1.1 鋼架結(jié)構(gòu)的特點1.1.1鋼架結(jié)構(gòu)的組成 剛架組成不外乎

2、梁和柱，兩者組成剛架，但由于是鋼結(jié)構(gòu)房屋，維護(hù)構(gòu)件即墻面屋面采用壓型鋼板，這樣與檁條，支撐結(jié)構(gòu)等構(gòu)成門式剛架房屋。 門式剛架中有主剛架柱，它是結(jié)構(gòu)中主要受力體系，其組成部分分為鋼架梁和柱，兩者主要采用焊接工字鋼或熱軋H型鋼。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，剛架的梁和柱一大多采用變截面的梁，這樣可以充分發(fā)揮材料的的性能和達(dá)到經(jīng)濟效益降低造價。在剛架所使用的鋼材中熱軋H型鋼涉及的還是比較少。原因主要是由于熱軋H型鋼一般為等截面而不是變截面。熱軋H型鋼一次成型，質(zhì)量可以保證，自身的材料殘余應(yīng)力比較小，這些特點使得它在今后隨著設(shè)計和技術(shù)的的發(fā)展而其適用范圍也會不斷擴大。 在那些有吊車的房屋結(jié)構(gòu)中，剛柱一般采用等截

3、面形式或等截面階形形式柱，梁仍然采用與應(yīng)力圖接近的變截面梁。 一座房屋的主要受荷部位就是梁柱即主結(jié)構(gòu)，所有與主結(jié)構(gòu)連接的構(gòu)件所受的荷載都要傳遞到主結(jié)構(gòu)上。如與植物相比，一棵樹，那么主鋼結(jié)構(gòu)就像一個樹干，樹不倒靠樹干，可靠的鋼結(jié)構(gòu)起著決定性的作用，它的用鋼量占整個量也是相當(dāng)大的比例。 門式剛架的結(jié)構(gòu)體系的組成部分：主要結(jié)構(gòu)：橫向剛架、樓面梁、托梁、支撐體系等；次要結(jié)構(gòu)：屋面檁條和墻面檁條等；輔助結(jié)構(gòu)：樓梯、平臺、扶欄等； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)：屋面板和墻板；基礎(chǔ)。 圖片1鋼架組成1.1.2 鋼架結(jié)構(gòu)的特點 等截面或者變截面梁柱的組合是門剛采用較多的形式，材料主要選用 H 型鋼，兩者組成了門式剛架的主要承重體

4、系。冷彎 Z 型和 C 型鋼作為檁條的材料能夠起到良好效果，使用較為廣泛。壓型鋼板應(yīng)用于屋面和墻面，極大地減小了房屋的荷載。保溫材料一般選用聚苯乙烯泡沫塑料。門式剛架因其材料和組成，有著諸多的特點，所以備受親睞。 特點之一就是施工時間短，可以實現(xiàn)工業(yè)化。門式剛架的工業(yè)化生產(chǎn)，可以保證質(zhì)量。節(jié)點采用螺栓連接，可以使施工安裝變得方便快捷，質(zhì)量也可以很好地保證。 質(zhì)量較輕，之所以質(zhì)量輕是因為采用了冷彎鋼材，玻璃棉，壓型鋼板等輕型材料。通常的用鋼量大約在 10-30kg/m，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，重量在相同跨度和負(fù)荷條件下僅約為其二十分之一到三十分之一。由于質(zhì)量的減少，地基處理的成本有效的降低。房屋較

5、高或者風(fēng)荷載較大時，成為控制門式剛架荷載的因素。 常見的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因屋頂和墻板的限制，大多 6 米柱間距，使用 12 米柱距時，傳統(tǒng)形式設(shè)置需要墻架柱和托梁。但是，門式剛架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)體系采用壓型鋼板，所以柱間距要求無需模數(shù)列的網(wǎng)格布局限制，并根據(jù)鋼量的大小來確定最經(jīng)濟要求，并能提供大的空間結(jié)構(gòu)滿足業(yè)主的要求。 2.1鋼架結(jié)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用2.1.1 國外剛架應(yīng)用與發(fā)展 門式剛架的發(fā)源地是美國，起初是用在私人車庫。上個世紀(jì)60年代以來，隨著新型建筑材料的出現(xiàn)，加工設(shè)備不斷的完善改進(jìn)，輕型門式剛架結(jié)構(gòu)體系逐漸普及到大型工業(yè)廠房，商業(yè)建筑，交通設(shè)施等建設(shè)中，并且實現(xiàn)了設(shè)計，分析，出圖的程序化，構(gòu)件加

6、工，安裝施工，經(jīng)營管理一體化流程。輕鋼結(jié)構(gòu)之所以在國外發(fā)展迅速，愿意之一是購買方可以向生產(chǎn)商定做某種鋼結(jié)構(gòu)房屋形式，而且生產(chǎn)商可以在短期內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)成購買方的要求，并交付使用，這種高效的方式很受一些業(yè)主歡迎，因此輕鋼結(jié)構(gòu)得以快速發(fā)展。到現(xiàn)在為止，輕型鋼結(jié)構(gòu)在歐美等國家的規(guī)模相當(dāng)?shù)拇?，其中非居住單層輕鋼結(jié)構(gòu)約占53%以上。 在房屋的建筑用鋼材的第一個國家可以追溯到十八世紀(jì)后期英國，一百年以后建造的著名的法國工程師艾菲爾鐵塔，人們開始嘗試建立單一家庭住宅的鋼結(jié)構(gòu)，因為以前的鋼結(jié)構(gòu)的建筑風(fēng)格，建筑設(shè)計理念和方法也都得到該變。早期的鋼組件中的一部分，由鑄鐵制成配件，到19世紀(jì)80年代，結(jié)構(gòu)鋼的出現(xiàn)，加

7、快鋼鐵建筑在20世紀(jì)60年代的發(fā)展，使鋼結(jié)構(gòu)建筑，實現(xiàn)了發(fā)展與創(chuàng)新第二次飛躍的理論和實踐中，德國包豪斯理論是它的發(fā)祥地。 門式剛架在美國的規(guī)模最大，因為其是該結(jié)構(gòu)的發(fā)源地。此外，歐洲日本也較早的大規(guī)模采用該結(jié)構(gòu)。由于輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)具有不同于其他結(jié)構(gòu)的特點，而且有顯著的經(jīng)濟效益，所以這種形式的結(jié)構(gòu)在國外通過引進(jìn)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展較早，由于汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，最初是為眾多優(yōu)勢私人車庫等簡易房屋的建設(shè)。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于需要戰(zhàn)爭，一些軍營和倉庫采用了輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑。彩色壓型鋼板出現(xiàn)了自1960年以來，國外建筑用鋼的發(fā)展得到了很大的突破，色彩鮮艷，耐用，以及H型鋼及冷彎型鋼的出現(xiàn)，促進(jìn)

8、了輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的發(fā)展，使之成為一種商品循環(huán)模式。加工設(shè)備和設(shè)計形式都隨著新型建材的出現(xiàn)而不斷的得到完善和多樣化，輕型門式剛架結(jié)構(gòu)體系逐漸蔓延到大型工業(yè)廠房，商業(yè)樓宇，交通設(shè)施等建筑，實現(xiàn)了設(shè)計，分析，圖的程序，組件加工，安裝，運行和管理的一體化進(jìn)程。業(yè)主沒有委托加工的圖，但訂購某種輕鋼房屋承建商，根據(jù)業(yè)主和交付的要求，在很短的時間里就可以完成任務(wù)。這種迅速快捷的生產(chǎn)形式讓業(yè)主感到滿意，輕鋼門式剛架的發(fā)展得到促進(jìn)。目前，國外企業(yè)大多輕鋼門式剛架都有自己的輕鋼系列，且每家公司的輕鋼系列大同小異。據(jù)統(tǒng)計，美國和歐洲的輕鋼結(jié)構(gòu)建造的單非住宅建筑占50以上。許多國家，如英國，美國，日本，澳大利亞等國

9、家的經(jīng)濟和高效的建筑結(jié)構(gòu)體系，在商品銷售的形式上多種多樣。其中，美國的輕型門式剛架結(jié)構(gòu)體系所占比重中，主要設(shè)計的結(jié)構(gòu)建筑如下： 商業(yè)：大型倉庫，商店，政府機關(guān)，銀行，車庫，占42; 工業(yè)：工廠，倉庫占34; 文化娛樂產(chǎn)業(yè)：學(xué)校，教堂，娛樂，福利設(shè)施，占9; 其他：15。 門式剛架發(fā)展過程中產(chǎn)生了兩種體系，第一種是日本在門式剛架生產(chǎn)中，實現(xiàn)了構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化，定型，裝配為導(dǎo)向；管理，設(shè)計，生產(chǎn)，施工，服務(wù)系統(tǒng)化的模式。第二類是自1989年以來，從美國進(jìn)口輕型門式剛架體系發(fā)展起來的。2.1.2 國內(nèi)門式剛架的發(fā)展 1990 年以前，工業(yè)中的鋼結(jié)構(gòu)房屋比較單一，只有排架結(jié)構(gòu)形式的重型廠房，民用房屋中主要

10、是球形節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；自 1990 年起，鋼結(jié)構(gòu)在多方面的應(yīng)用，如廠房，倉庫等建筑，說明鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國已經(jīng)開始大力發(fā)展起來了。 當(dāng)今鋼結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)成材料主要是冷彎薄壁型鋼，焊接鋼材，還有熱軋型鋼。而當(dāng)今鋼結(jié)構(gòu)建筑主要有常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)兩種。但是，這兩類結(jié)構(gòu)的具體劃分標(biāo)準(zhǔn)學(xué)術(shù)界目前尚未定論，因此存在著很多劃分標(biāo)準(zhǔn)。比如，結(jié)構(gòu)的跨度標(biāo)準(zhǔn)，層數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，吊車噸數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用途標(biāo)準(zhǔn)等。雖然這些標(biāo)準(zhǔn)建立在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之外的因素特征上，但是它們還是有一定的根據(jù)的。研究輕鋼結(jié)構(gòu)的目的就是為了減少結(jié)構(gòu)的重量，這就要控制構(gòu)建的尺寸厚度，因此構(gòu)件的局部失穩(wěn)后的極限強度就必須要考慮。解決這些問題要把結(jié)構(gòu)的工作方式和計算方法

11、作為出發(fā)點，來解決設(shè)計中可能出現(xiàn)的一系列問題。 我國門式剛架結(jié)構(gòu)體系發(fā)展比較晚，在參考了國外的一些資料，引進(jìn)了一批設(shè)計理論之后才得以發(fā)展。自 1960 年以來，焊接工字形鋼門式剛架在我國進(jìn)行的實驗研究，主要都是針對剛架的塑性設(shè)計，隨后也在某些試點工程中應(yīng)用。因為我們國家從經(jīng)濟角度考慮，采取了限制使用結(jié)構(gòu)鋼的策略，所以門式框架結(jié)構(gòu)體系尚未得到很好的發(fā)展，無論是在設(shè)計水平，或施工的水平，相比國外還有很大的差距。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(CECS 102-2002)的頒布與實施，標(biāo)志著我國門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)入規(guī)范化。就目前出現(xiàn)在國內(nèi)的門式剛架結(jié)構(gòu)房屋都是根據(jù)這一規(guī)程設(shè)計施工的，取得顯著地成效，

12、這樣就為門式剛架的廣泛應(yīng)用墊定了基礎(chǔ)。不僅門式剛架得到發(fā)展，相應(yīng)的構(gòu)件材料的生產(chǎn)也得到了提升，多大型企業(yè)都紛紛加入門式剛架生產(chǎn)體系的那個中，門式剛架稱為最受歡迎的結(jié)構(gòu)之一。方案設(shè)計已經(jīng)取代了手工設(shè)計，我國自行設(shè)計的設(shè)計軟件正在逐步取代國外的一些類似軟件。3.1鋼架結(jié)構(gòu)的適用范圍近年來，隨著中國彩鋼板產(chǎn)量的增加和焊接 H 型鋼，門式框架結(jié)構(gòu)中大量在我國的出現(xiàn)，據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，2000 年中國已建成這樣的結(jié)構(gòu)工程已達(dá)到 800 多萬平方米，超過百萬平方米每年的速度遞增。 1t-3t 的吊車系統(tǒng)可應(yīng)用于大型或者中型的單層工業(yè)廠房中，也可以設(shè)置起重量小于 20t 的中輕級單梁或橋式吊車?，F(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)廠

13、房已經(jīng)不是原來的那種環(huán)境差，衛(wèi)生條件差的樣子，建成后簡潔美觀大方，使人在其中工作的心情都很愉悅。 單層門式剛架系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且成型后的結(jié)構(gòu)外形規(guī)矩美觀，內(nèi)部的空間很大，因此得到很多的倉庫和碼頭的倉庫大量采用。800 多平方米的變截面門式剛架廠房只需 4 至 6 天就可安裝完畢投入使用，60m 至 72m 大跨度門式剛架建筑，如北京西郊的飛機機庫跨度達(dá) 72m，只用了三個多月就完成了建設(shè)。與球形節(jié)點相比，門式剛架不僅有經(jīng)濟優(yōu)勢，也有施工時間優(yōu)勢。 現(xiàn)代商業(yè)，文化娛樂設(shè)施和各種商業(yè)建筑，如體育場館超市，商貿(mào)中心，農(nóng)貿(mào)市場，以及各種形式的綜合商貿(mào)城，要求建筑物跨度大，視野開闊。這些建筑合理的結(jié)

14、構(gòu)形式可采用大跨度輕型門式剛架，其特點除有普通門式剛架的特點外，最顯著的特點就是凈空間大。 4.1 鋼架結(jié)構(gòu)造型實例分析 案例1：國家體育場（鳥巢）外形結(jié)構(gòu) 工程概況：設(shè)計國家體育場俗稱鳥巢，位于北京奧林匹克公園中心區(qū)南部，為2008年第29屆奧林匹克運動會的主體育場。工程總占地面積21公頃，建筑面積258,000。場內(nèi)觀眾坐席約為91000個，其中臨時坐席約11000個。 國家體育場工程為特級體育建筑，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100年，耐火等級為一級,抗震設(shè)防烈度8度,地下工程防水等級1級。工程主體建筑呈空間馬鞍橢圓形，南北長333米、東西寬294米的，高69米。鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量為4.2萬噸，混凝

15、土看臺分為上、中、下三層，。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土看臺上部完全脫開，互不相連，形式上呈相互圍合，基礎(chǔ)則坐在一個相連的基礎(chǔ)底板上。國家體育場屋頂鋼結(jié)構(gòu)上覆蓋了雙層膜結(jié)構(gòu)，即固定于鋼結(jié)構(gòu)上弦之間的透明的上層ETFE膜和固定于鋼結(jié)構(gòu)下弦之下及內(nèi)環(huán)側(cè)壁的半透明的下層PTFE聲學(xué)吊頂。  國家體育場，被譽為“第四代體育館”的偉大建筑，見證的不僅僅是人類21世紀(jì)在建筑與人居環(huán)境領(lǐng)域的不懈追求，也見證著中國這個東方文明古國不斷走向開放的歷史進(jìn)程。其設(shè)計新穎，配套設(shè)施完備，象征意義深遠(yuǎn)。結(jié)構(gòu)形式：“鳥巢”外形結(jié)構(gòu)主要由巨大的門式鋼架組成，共有24根桁架柱，主體鋼結(jié)構(gòu)形成整體的巨型空間馬鞍形鋼桁架編

16、織式“鳥巢”結(jié)構(gòu)?？磁_混凝土結(jié)構(gòu)為地下1層，地上7層的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。受力特點:鋼架結(jié)構(gòu)是指梁柱之間為剛性連接的結(jié)構(gòu)。在豎向荷載作用下，由于柱對梁的約束作用減小了梁跨中的彎矩和撓度。在水平荷載作用下，由于梁對柱子的約束作用減少了柱內(nèi)的彎矩和側(cè)向變?yōu)?。鋼架結(jié)構(gòu)的承載力的剛度很大。案例2 中國藍(lán)田股份有限公司年產(chǎn)20 000 t醬油車間,廠房全長108m,跨度45m,采用門式剛架結(jié)構(gòu),單層單跨,剛架間距6m,共19榀剛架,剛架柱頂高13m,屋面坡度為110。為滿足生產(chǎn)過程所需的通風(fēng)及采光條件,除兩端第一柱間外,沿縱向開設(shè)寬度為9m的天窗,總長度為96m。 屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置廠房墻面和

17、屋面圍護(hù)材料采用輕型彩色壓型鋼板復(fù)合板。屋面檁條間距1. 5m,按單跨簡支構(gòu)件設(shè)計,采用C型冷彎薄壁型鋼C200×70×20×2. 5。檁條跨中設(shè)一道拉條,拉條采用O10圓鋼,為使拉條形成一個整體不動體系,在天窗側(cè)邊兩檁條間設(shè)斜拉條和剛性撐桿。縱墻墻梁采用C型冷彎薄壁型鋼C200×70×20×2. 2,山墻墻梁因跨度為9m,采用高頻焊接輕型H型鋼H200×150×3. 2×4. 5,均按單跨簡支構(gòu)件設(shè)計?？缰性O(shè)一道拉條,在最上層墻梁處設(shè)斜拉條以將拉力傳至承重柱。為保證整體結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性,每隔4個開間設(shè)置

18、一道柱間支撐,端部支撐設(shè)在廠房兩端的第2個開間,在第1開間設(shè)剛性系桿。由于廠房高度較大,柱間支撐分兩層設(shè)置,采用張緊的十字交叉圓鋼O25,用特制的連接件與柱腹板連接。在設(shè)置柱間支撐的開間,同時設(shè)置屋蓋橫向水平支撐,支撐節(jié)點間距為3m,采用十字交叉圓鋼O20,與剛架橫梁腹板連接。所示為屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置簡圖。為保證剛架的側(cè)向剛度,在剛架橫梁受壓下翼緣及柱內(nèi)翼緣兩側(cè)布置隅撐(端部僅布置在一側(cè)),隅撐采用單角鋼L56×4,另一端連接在檁條或墻梁上,采用M12普通C級螺栓連接,隅撐與構(gòu)件腹板的夾角不小于45°。 鋼架立面 剛架的拼接連接采用了直徑為M27的10. 9級摩擦型高強度螺栓,扭剪型連接副,其材質(zhì)為:螺栓采用20MnTiB,螺母采用15MnVB,墊圈為45號鋼。連接接觸面采用噴砂處理,并要求按規(guī)范進(jìn)行摩擦面抗滑移系數(shù)試驗。梁的拼接采用端板對接的形式,梁與柱的拼接采用了端板豎放的形式。剛架構(gòu)件的翼