钢结构计算书.docx
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钢结构计算书
苏源集团总部办公楼钢结构穹顶优化设计
孙逊
一．结构布置
本工程屋盖结构空间网格结构，建筑面积约2500m2,采用双轴对称的空间钢穹顶结构。
二．参考规范
1．本部分进行结构计算时，所参考的规程规范主要有：
《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）
《钢结构设计规范》（GB50017－2003）
《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）
《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81-2002）
《钢结构防火涂料应用技术规程》（CECS24：
90）
《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）
《结构用无缝钢管》（GB8162-87）
《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）
《金属和其它无机覆盖层热喷涂锌、铝及其合金》（GB/T9793-1997）
《涂装前钢材表面锈蚀分级和防锈等级》（GB8923-88）等
2．本工程所采用的结构有限元软件为SAP2000-9.04版。
三．材料
1．本工程主体结构所用结构钢材材质均为Q345B。
2．本工程杆件截面大于200mm的钢管采用高频焊接钢管，截面小于200mm的钢管采用薄壁方钢管。
3．手工焊接用的焊条，应符合现行国家标准《碳钢焊条》（GB/T5117）或《低合金钢焊条》（GB/T5118）的规定，选用的焊条型号与主体金属强度相适应。
4．钢管相贯时需满足相贯焊接的有关要求。
四．荷载取值及效应组合
在结构计算中，考虑荷载包括结构自重、屋面恒载、楼面恒载、楼面活载、雪荷载、风荷载、温度作用和地震作用。
具体荷载取值如下：
1．屋面恒载
钢材自重在程序中自动含有
玻璃的密度为2600kg/m3，玻璃厚度为32mm。
2．基本雪压0.65KN/m2
3．基本风压值0.45KN/m2
4．温度作用按±25度
5．地震作用按7度Ⅲ类场地
在穹顶结构计算中共考虑了如下24种荷载组合：
荷载组合表
工况
DEAD
SNOW
SNOWHALF
WIND
TU
TD
RESP-Z
DSW0
1
1
0
1
0
0
0
DSW1
1.2
1.4
0
0.84
0
0
0
DSW2
1.2
0.98
0
1.4
0
0
0
DS0
1
1
0
0
0
0
0
DS1
1.2
1.4
0
0
0
0
0
DSHW0
1
0
1
1
0
0
0
DSHW1
1.2
0
1.4
0.84
0
0
0
DSHW2
1.2
0
0.98
1.4
0
0
0
DSH0
1
0
1
0
0
0
0
DSH1
1.2
0
1.4
0
0
0
0
DW0
1
0
0
1
0
0
0
DW1
1.2
0
0
1.4
0
0
0
DSTU0
1
1
0
0
1
0
0
DSTU1
1.2
1.4
0
0
1
0
0
DSTD0
1
1
0
0
0
1
0
DSTD1
1.2
1.4
0
0
0
1
0
DSTU0
1
0
1
0
1
0
0
DSTU1
1.2
0
1.4
0
1
0
0
DSTD0
1
0
1
0
0
1
0
DSTD1
1.2
0
1.4
0
0
1
0
DWTD0
1
0
1
0
1
0
0
DWTD1
1.2
0
0
1.4
0
1
0
GR-Z0
1
0.5
0
0
0
0
1
GR-Z1
1.2
0.6
0
0
0
0
1.3
五．计算模型及支座约束情况
整体模型三维视图
整体模型平面视图
整体模型立面视图
截面选型情况及选型原则
该结构为单层折面刚架体系，竖向荷载主要由周边钢管柱和径向钢梁承担，内圈环梁（口800x300x12）起到内环拉接径向钢梁的作用以及作为天窗部分结构的转换，主要承力构件见下图。
本次计算从受力角度对原设计的主要构件做了调整，大体如下：
1.加大了边柱截面由原先的口300x22改为口300x24（个别受力较大的改为口300x400x30），减小了角柱截面由口300x22改为口300x20，可以看出柱子的截面尺寸不大但厚度均较大，这是由于下部的混凝土柱只有600x600所决定的
2.加大了许多径向构件的截面，如原先的口300x200x14以及口300x200x9分别更换为口400x200x20和口400x200x10
3.内圈环梁原先为口900x300x12，应力比较小，富裕较大，且截面900高存在局部稳定问题，将其降为口800x300x12可以满足应力、结构挠度以及局部稳定等各项指标。
4.其余环向连接构件只是起到增强径向构件侧向稳定的作用，因而截面可以取得较小。
由原先的口500x300x20以及口300x200x9减小为口200x150x6。
5.天窗处柱子，角柱受力较大，此次设计计算时已加大，由口300x10加至口400x14，而非角柱的受力较小，且为单向压弯构件，因此将其截面减小至口300x150x8。
6.天窗处的外圈拉接环梁由于受力较小，由原先的口400x300x12减小为口200x150x6。
7.结构周圈柱子的下端联系梁只是起到减小柱子计算长度保证柱子稳定的作用，可以适当减小，由原先的口300x10调为口200x150x6。
8.结构周圈柱子的上端联系梁对结构的环向刚度帮助较大，不应过小，取为口500x250x8
除了受力的要求外，节点处的连接构造也在一定程度上决定了杆件的截面选型：
1.天窗以下的屋脊梁由于在内圈环梁的角部的节点构造限制，将其截面宽度由原先的口500x300x20调整为口500x200x20
2.天窗处角柱受力较大，调整为口400x14，也是为了柱子下端的节点连接需要
主要受力构件次要连系构件
承载力极限状态验算
经过上述结构构件截面调整后，在最不利效应组合下，大部分杆件截面利用率在0.5以下，个别杆件最大达到0.8，构件验算满足要求，因而构件承载力满足要求。
正常使用极限状态验算
构件截面重新调整后，结构竖向挠度最大值为116mm小于L/400＝125mm（DSH0+TD）
用钢量指标
由原来的每平米155kg降至每平米129kg，减少1/6。
六.节点分析
为了验证节点承载力和节点刚性，对本结构的重要梁柱连接节点进行了实体有限元分析，主要针对1号和3号节点连接大样。
1号节点大样的节点承载力有限元分析见下：
1号大样节点模型
1号大样节点模型单元划分
1号大样节点模型约束及加载
（所加荷载为DSTD1组合下值，可以从sap模型中提取，
约束情况为沿杆件轴向约束）
1号大样节点模型von-mises应力云图（最大195MPa）
1号大样节点模型节点区von-mises应力云图（最大104MPa）
3号大样的承载力和刚度分析如下：
对节点径向了实体建模，并考虑了材料非线性，得出节点在最不利设计荷载组合（DSTD1）下的应力云图和节点弯矩转角M－θ关系曲线。
3号大样梁柱连接节点模型
3号大样节点模型单元划分
3号大样节点模型约束及加载
3号大样节点模型von-mises应力云图（最大153MPa）
节点弯矩转角关系曲线（横坐标是弧度（rad），纵坐标是弯矩（Nmm））
节点计算时采用的两倍设计荷载，可以看出在荷载达到设计荷载两倍时节点刚度仍未减弱，为3.5e11Nmm，而构件的转角刚度为4EI/L，经过计算得梁为4.36e10Nmm，柱子为2.03e11Nmm，均小于节点刚度，因此可以认为节点区域为刚性连接，应力云图中可以看出节点在一倍设计荷载下的应力也满足要求，因此节点承载力也可以满足
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