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1、第四篇 钢结构及建筑地基基础,本篇主要包括钢结构和建筑地基基础两个主要方面的内容.将介绍钢结构材料和钢结构的特点,钢结构构件及钢结构的连接;介绍地基基础的基本规定,地基的计算,无筋扩展基础和柱下钢筋混凝土独立基础.,第十二章 钢结构简介,本章内容: 1.了解钢结构的材料和钢结构的特点.重点了解钢结构材料. 2.掌握钢结构构件.重点掌握构件的稳定性 3.掌握钢结构的连接.重点掌握焊缝连接和螺栓连接 12.1钢结构的材料和钢结构的特点 钢结构:用热轧型钢,钢板,钢管或冷加工的薄壁型钢等钢材通过焊接、螺栓连接或铆接等方式制造的结构. 一、钢结构的材料 (一)钢材,第十二章 钢结构简介,低碳钢(含碳量
2、不高于0.2%)Q235 低合金高强度结构钢Q345,Q390 型钢:工字钢,槽钢,角钢,钢管,H型钢等 钢材的表示方法: 槽钢,工字钢:I18,I12等 角钢:1008, 100808 钢管: 3008 (二)连接材料 1.焊条(或焊丝) 2.普通螺栓和高强度螺栓 3.铆钉,第十二章 钢结构简介,二、钢结构的特点 (1)钢材的材质均匀,和力学计算的假定较为符合. (2)钢材的强度高,抗拉和抗压性能好,可以减轻自重. (3)钢材的塑性好,抗冲击韧性强,适宜于承受动力荷载和对抗震能力要求高的结构. (4)钢结构加工制造简便、构件精确度高,施工周期短. (5)耐腐蚀性能差 12.2钢结构构件 根据
3、构件受力情形:轴心受力构件、受弯构件、偏心受力构件等.,第十二章 钢结构简介,一、轴心受力构件 1.截面形式:实腹式,格构式,第十二章 钢结构简介,2.计算内容: (1)轴心受拉构件:强度,刚度(长细比) (2)轴心受压构件:强度,刚度,稳定性(整体稳定性和局部稳定性) 3.受压构件整体稳定性 (1)整体失稳:轴心受压构件有 可能在截面平均应力低于钢材屈服 强度之前,由于外力的轻微扰动就 可能使构件产生较大的弯曲变形或 扭转变形从而导致丧失承载力 (如图).,第十二章 钢结构简介,(2)整体稳定的计算 :轴心受压构件的稳定性系数. 3.受压构件局部稳定性 (1)局部失稳:轴心受压构件,有 可能
4、在丧失整体稳定或达到受压承载 力之前,薄板先发生屈曲(板件偏离原 来的平面位置而发生波状鼓曲). (2)措施: 限制翼缘宽厚比和腹板高厚比,第十二章 钢结构简介,二 受弯构件(钢梁) (一)钢梁的受弯,受剪和局部受压计算 1.受弯计算 直接承受动力荷载:材料力学公式,第十二章 钢结构简介,承受静力荷载或间接承受动力荷载:考虑截面塑性发展系数 2.受剪:按材料力学公式计算最大剪应力,并且不应超过钢材的抗剪强度设计值. 3.局部受压:钢梁承受局部集中荷载时,需进行局部受压计算.,第十二章 钢结构简介,(二)钢梁的整体稳定性的计算 1.梁丧失整体稳定性:当荷载达到某一数值后,梁在扰力作用下可能突然发
5、生侧向弯曲和扭转,由于变形很快增加,导致梁不能继续承载.,第十二章 钢结构简介,2.影响钢梁整体稳定性的主要因素: (1)梁侧向支撑点的距离l或无支跨度l0(l或l0越小稳定性越好) (2)梁的截面尺寸和惯性矩(增加受压翼缘的宽度,可显著提高整体稳定性) (3)梁端支承对截面的约束(约束使梁的侧向计算长度减小,从而提高稳定性) (4)荷载类型和作用位置(跨中点一个集中荷载时对稳定有利,纯弯曲对稳定不利;荷载作用于受压翼缘,整体稳定性降低;荷载作用于下翼缘时整体稳定性提高). 3.梁整体稳定性计算,第十二章 钢结构简介,(三)钢梁的局部稳定 1.受压翼缘:限制翼缘宽厚比 2.腹板:限制腹板高厚比
6、 3.设置横向加劲肋和纵向加劲肋,第十二章 钢结构简介,(三)刚度验算(挠度) 三、拉弯构件和压弯构件 1.截面形式,第十二章 钢结构简介,2.计算内容: (1)拉弯构件:强度,刚度(长细比) (2)压弯构件:强度,刚度,整体稳定性(平面内整体稳定性和平面外整体稳定性),局部稳定性 (3)压弯构件应力状态,第十二章 钢结构简介,12.3钢结构的连接 一、焊缝连接 优点:灵活方便,构造简单,易于采用自动化操作,焊接不削弱截面,节省钢材,密封性好,刚度大. 缺点:施工质量难控制(焊接残余应力和残余变形);焊接对疲劳和脆断敏感,在低温下更易断裂. (一)焊接方法 主要方法:电弧焊 其它方法:电阻焊
7、电弧焊:手工电弧焊和自动或半自动埋弧电弧焊(如图),第十二章 钢结构简介,(二)焊缝连接形式及焊缝形式 1.焊缝连接形式:平接,搭接,T形连接和角接等. 2.主要焊缝形式:对接焊缝和角焊缝,第十二章 钢结构简介,对接焊缝:正对接焊缝,斜对接焊缝 角焊缝:正面角焊缝,侧面角焊缝,第十二章 钢结构简介,(三)焊缝的计算和构造 1.对接焊缝 2.角焊缝 直角角焊缝: 斜角角焊缝:,第十二章 钢结构简介,焊角尺寸: 焊缝有效高度:,第十二章 钢结构简介,二 螺栓连接 (一)螺栓的布置和排列 螺栓的孔径:对加工精度要求高的A,B级螺栓,与杆径相同;对一般钢结构采用C级螺栓,孔径比杆径大11.5mm.,第
8、十二章 钢结构简介,高强度螺栓采用材料强度为普通螺栓的3-4倍,其布置和排列要求与普通螺栓类似,同时要考虑施加紧固预拉力的可行性. (二)螺栓的传力 1.抗剪螺栓连接 连接受力后,被连接的接触面产生相对滑动的趋势,依靠螺栓杆的承压和抗剪传递垂直于螺栓杆方向的外力.,第十二章 钢结构简介,破坏形式:(1)栓杆直径较小时,螺杆剪切破坏;(2) 当栓杆直径较大,板件较薄时,板件可能先被挤坏,由于栓杆和板件的挤压是相对的,故也把这种破坏叫做螺栓承压破坏,(3)板件可能因螺栓孔削弱太多而被拉断;(4)端距太小,端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏.,第十二章 钢结构简介,2.抗拉螺栓连接 连接受力后,被
9、连接板件的接 触面产生相互脱离的趋势,依靠螺 栓杆直接承受拉力来传递平行于 栓杆方向的外力. 3.对于高强螺栓连接,在螺栓 安装时施加紧固预拉力,使连接板 间产生摩擦力来传递剪力.高强度螺栓的预拉力通过紧固螺母建立,预拉力越高,越充分发挥材料潜力.,第十二章 钢结构简介,小结: 组成钢结构的钢材具有强度高、材质均匀、塑性好、韧性强等优点，钢结构加工制造简便,在建筑结构中有着广泛的应用和发展前景。 作为建筑结构中的一种结构型式,其内力分析和组成构件的受力和其他结构和构件具有共性,如受力构件的类型,结构的内力分析等.但由于钢材强度高,构件截面尺寸与钢筋混凝土结构构件和砌体结构构件相比大大减小,因此
10、钢结构构件除按材料强度进行承载力计算外,还应考虑材料强度没达到前的稳定性计算;对于截面存在受压区的轴心受压构件、偏心受压构件及受弯构件(钢梁)等,都必须进行整体稳定性的计算,这是钢结构中的一种重要的承载力极限状态计算;同时,翼缘和腹板等板件还可能局部失,第十二章 钢结构简介,稳,应采取相应的构造措施和进行必要的验算.钢结构构件还应进行刚度验算. 钢结构构件的主要连接方法是焊接和螺栓连接,其中焊接是最基本的连接方法.焊缝包括对接焊缝和角焊缝.对接焊缝的受力情况基本上与焊件相同,受力性能好;而角焊缝便于加工,以传递剪力为主.设计时应根据连接受力情况进行焊缝计算. 思考题: 1.钢结构有哪些特点?主
11、要应用范围如何? 2.轴心受压构件为什么要保证整体稳定性? 3.什么是局部失稳?受压构件和受弯构件采取哪些措,第十二章 钢结构简介,施防止局部失稳? 4.在弯矩作用下,钢梁截面应力分布有哪几种情形? 5.影响钢梁整体稳定性的因素有哪些? 6.在焊接中,对接焊缝与角焊缝的受力有哪些差别?,第十三章 建筑地基基础,本章内容: 1.了解地基基础设计的基本规定. 2.掌握地基计算,重点掌握基础埋深的确定,承载力计算 3.了解无筋扩展基础的设计 4.掌握柱下钢筋混凝土独立基础的设计 13.1基本规定 一、地基基础设计等级 (一)甲级 包括:,第十三章 建筑地基基础,(1)30层以上的高层建筑 (2)重要
12、的工业与民用建筑 (3)体型复杂、层数相差超过10层的高低层连成一体建筑物 (4)大面积的多层地下建筑物(如地下车库,商场,运动场等) (5)对地基变形有特殊要求的建筑物,场地和地基条件复杂的一般建筑物,复杂地质条件下的坡上建筑物(包括高边坡) (6)对原有工程影响较大的新建建筑物 (7)位于复杂地质条件及软土地区的二层及二层以上地下室的基坑工程,第十三章 建筑地基基础,(二)乙级 指除甲级,丙级以外的工业与民用建筑物 (三)丙级 指场地和地基条件简单,荷载分布均匀的七层及七层以下民用建筑及一般工业建筑物;次要的轻型建筑物 二、地基基础的设计规定 (一)承载力计算 (二)地基变形验算 1.设计
13、等级为甲级,乙级的建筑物,均应按地基变形设计. 2.一般的设计等级为丙级建筑物,可不做地基变形计算,见下表.,第十三章 建筑地基基础,(三)稳定性验算 对经常受水平荷载作用的高层建筑,高耸结构和挡土墙等,以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物,应验算稳定,第十三章 建筑地基基础,(四)抗浮验算 当地下水埋藏较浅,建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时,尚应进行稳定性验算. 三、岩土工程勘探 四、地基基础设计的荷载效应组合 (一)确定基础地面面积时 按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合 :按永久荷载标准值计算的荷载效应值 :按可变荷载计算的荷载效应值 :可变荷载的组合值系数,第十三章 建筑地基基础,
14、(二)计算地基变形时 采用正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合 , 且不应计入风荷载和地震作用. :准永久值系数 (三)确定基础高度、基础内力和配筋时 按承载力极限状态下荷载效应的基本组合. 13.2 地基计算 地基计算包括基础埋深、承载力计算等,第十三章 建筑地基基础,一、基础埋置深度 基础的埋深按以下条件确定: (一)建筑物的用途,有无地下室、设备基础和地下设施,基础的型式和构造 (二)工程地质和水文地质条件 基础应尽量浅埋,且宜埋置在地下水位之上. (三)与原有相邻建筑的关系 当存在相邻建筑物时,新建建筑物的基础埋深不宜大于原有建筑基础.当埋深大于原有建筑基础时,两基础间应保持一定净距
15、 ,其数值取相邻两基础底面高差的1-2倍. (四)考虑地基土冻胀和融陷的影响 (五)高层建筑基础,第十三章 建筑地基基础,高层建筑筏形基础和箱形基础的埋深应满足地基承载力,变形和稳定性的要求. 二、承载力计算 (一)基础底面的压力计算 1.轴心荷载作用时 :修正后的地基承载力特征值 :相应于荷载效应标准组合时基础底面处的平均压力值:,第十三章 建筑地基基础,:相应于荷载效应标准组合时,上部结构传至基础顶面的竖向力值 :基础自重和基础上的土重,可取为 :基础底面面积. 2.偏心荷载作用时 :相应于荷载效应标准组合时,基础底面边缘的最大压力值:,第十三章 建筑地基基础,:基础底面的抵抗矩 :相应于
16、荷载效应标准组合时,作用于基础底面的力矩值. 当偏心距 时, 应按下式计算:,第十三章 建筑地基基础,(二)地基承载力特征值 当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时,尚应按规定进行修正,修正后的地基承载力特征值为 , . 13.3 无筋扩展基础 无筋扩展基础也称为刚性基础,指由砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土等材料组成的墙下条形基础或柱下独立基础.这类基础适用于多层民用建筑和轻型厂房. 一、无筋扩展基础的材料 无筋扩展基础的材料主要有:混凝土、毛石混凝土、毛石、灰土、三合土等.其质量要求见下表,第十三章 建筑地基基础,（二）基础底面宽度要求 基础底面宽度应满足： ：基础台阶宽高比
17、的允许值，按下表采用,第十三章 建筑地基基础,13.4 柱下钢筋混凝土独立基础 一、设计的一般要求 柱下钢筋混凝土独立基础属于扩展基础,常用于多层框架和单层工业厂房柱.设计时,需确定基础底面积、基础高度及基础配筋.,第十三章 建筑地基基础,(一)材料选择 1.混凝土:强度等级不应低于C20,垫层为C10. 2.钢筋:采用HPB235级或HRB335级 (二)混凝土保护层 当用混凝土垫层时,底板钢筋的混凝土保护层厚度 mm；无混凝土垫层时，底板钢筋的混凝土保护层厚度 （三）基础或基础梁的顶面标高 在任何情况下，基础或基础梁的顶面标高不得高于室内设计地坪（内柱）或室外设计地面（外柱），一般应低于设
18、计地面 ,第十三章 建筑地基基础,(四)基础形状和尺寸 1.底板 基础底板尺寸为100mm的倍数.轴心受压基础底板一般采用正方形,偏心受压基础的底板为矩形,其长边和短边之比一般为1.5-2.0,最大不超过3. 2.基础高度 当基础高度 时,可采用锥形基础;当基础高度 时,宜采用阶梯形基础,每阶高度宜为300-500mm,阶高和水平宽度(阶宽)均采用100mm的倍数,且最下一个阶宽 ,其余阶宽不大于相应阶高. 基础高度按抗冲切承载力计算确定,且现浇柱基础有效高度 尚应满足柱纵向受力钢筋在基础内的锚固要求.,第十三章 建筑地基基础,二、基础底板尺寸的确定 (一)轴心受压基础 :基础埋置深度 :基础
19、底面面积,第十三章 建筑地基基础,当为方形基础时, ;当为矩形 基础时,若柱的长边为 , 短边为 时,则可取: (二)偏心受压基础 偏心距 为:,第十三章 建筑地基基础,确定基础底面尺寸时,一般采用试算法:假定基础长边(一般为力矩作用方向)和短边之比为1.5-2.0,将竖向力值扩大1.2-1.4倍,先按轴心受压求出 并算出两方向边长,再计算 ,并满足要求.,第十三章 建筑地基基础,三、基础的抗冲切承载力 1.基础发生冲切破坏的原因 是由于混凝土斜截面上的主拉应 力超过混凝土抗拉强度,从而引 起斜拉破坏. 2.为了防止冲切破坏的发生, 对矩形截面柱的阶形基础,在柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲
20、切承载力应进行计算,并满足下列要求:,第十三章 建筑地基基础,:按荷载效应组合计算并考虑结构重要性系数的基础底面地基反力设计值(可扣除基础自重及其上的土重),当基础偏心受力时,可取最大的地基反力设计值,第十三章 建筑地基基础,:验算冲切面的有效高度,取两个配筋方向的截面有效高度的平均值 :考虑冲切荷载时取用的多边形面积 :冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长 :冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的下边长 :截面高度影响系数:当 时,取 ; 当 时,取 ,其间按线性内插法取用. 在设计时,先按构造要求选定基础高度和阶高,然后进行验算,直到满足要求为止. 四、基础底板配筋 (一)轴心受压基础底板弯矩 在
21、结构传下的轴向力设计值 的作用下,第十三章 建筑地基基础,在基础根部的I-I,II-II截面,其弯矩 及 为:,第十三章 建筑地基基础,:基础底板的长边和短边尺寸 :相应的柱截面尺寸 (二)偏心受压基础底板弯矩 求 时: 求 时: (三)底板配筋计算及构造,第十三章 建筑地基基础,根据计算的配筋量选择配筋, 其直径不小于10mm,间距不大于 200mm.沿长边方向的钢筋 置于 板的外侧,沿短边方向的钢筋 与 垂直,置于 的内侧.当板的边长大于3m时,钢筋的长度可取板长的0.9倍,并交错排列.(见下图),第十三章 建筑地基基础,五、现浇柱基础的插筋 (一)插筋的固定,第十三章 建筑地基基础,在基
22、础内,插筋与适当的箍筋组成骨架,竖立于底板的钢筋网上(如上图).当基础高度较小时,全部插筋伸至底板钢筋网;当基础高度较大时,可仅将四角的插筋伸至底板钢筋网处,其余插筋可只锚固与基础顶面以下 长度处. (二)基础中的插筋搭接位置 根据地面与基础顶面的距离 决定: (1)当 时,其搭接位置在基础顶面处,即基础插筋与柱钢筋直接搭接(下图a) (2)当 时,搭接位置在地面标高以下150mm处,施工缝也在该处(下图b) (3)当 时,其搭接位置在基础顶面及地面标高以下150mm,施工缝也在该二处设置(下图c),第十三章 建筑地基基础,在插筋搭接范围内,纵向钢筋搭接长度取 (轴心受压时取 );箍筋间距 不
23、大于100mm且不大于 ( 为纵向受力钢筋的最小直径).,第十三章 建筑地基基础,(三)基础插筋与柱内受力钢筋的搭接 对轴心受压柱或偏心距 的小偏心受压柱,或每侧受力钢筋不多于3根的一般偏心受压柱,所有纵向钢筋可在同一平面内搭接.在 时,若柱截面一侧受力钢筋为4-8根,应在两个平面搭接;多于8根时,应在三个平面搭接.搭接长度各为 .同一平面指一个搭接范围内的平面.,第十三章 建筑地基基础,例1 某240mm厚承重墙,由上部结构传至基础顶面的轴心压力标准值Nk=162kN/m2(设计值N=210kN/m2),基础埋深d=1.60m,地基承载力特征值fa=180kN/m2,灰土抗压承载力f1=25
24、0kN/m2.试设计该墙下条形基础. 解:(1)按地基承载力要求确定基础底面宽度b 取基础自重及其上部土重标准值的平均值 则有: (2)设计灰土基础,第十三章 建筑地基基础,第十三章 建筑地基基础,1,第十三章 建筑地基基础,例2 已知某框架外柱为矩形截面bh=400500mm每侧纵向受力钢筋As=As=1256mm2,第十三章 建筑地基基础,1,第十三章 建筑地基基础,第十三章 建筑地基基础,1,第十三章 建筑地基基础,1,第十三章 建筑地基基础,第十三章 建筑地基基础,小结: 一般低层和多层房屋结构的基础都采用浅基础.其中混合结构房屋采用无筋扩展基础即刚性基础,多层框架结构房屋或独立柱往往
25、采用钢筋混凝土独立基础. 在满足地基稳定和变形要求的前提下,基础应尽量浅埋. 刚性基础的设计主要满足两个要求:一是满足地基承载力要求,即满足保证基础底面应有一定的宽度;二是满足基础是 “刚性”的要求,即保证基础有一定的刚性角.此外,基础材料应满足有关要求. 钢筋混凝土柱下独立基础的设计,主要是确定基础面积、基础高度和底板配筋.基础底面积取决于地基承载力要求及变形要求;基础高度应满足基础抗冲切承载力要求,第十三章 建筑地基基础,和上部钢筋伸入基础内的锚固长度要求;基础底板配筋则取决于基础底板的抗弯承载力.基础垫层,基础底板钢筋的混凝土保护层,基础的台阶,基础插筋及搭接,施工缝的留设部位,均应满足有关构造要求. 思考题: 1.什么叫浅基础?什么叫深基础? 2.如何确定基础的埋置深度? 3.如何确定刚性基础的基础底面宽度? 4.基础的冲切破坏是如何发生的?如何保证基础的抗冲切承载力? 5.如何计算独立基础底板弯矩和配筋?,