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钢管结构设计的基本知识钢管结构设计的基本知识中冶赛迪工程技术股份有限公司中冶赛迪工程技术股份有限公司建工设计部建工设计部前言uu钢管结构是由圆管和矩形管（含方管）制作加工而成的结钢管结构是由圆管和矩形管（含方管）制作加工而成的结构。钢管结构可以是独立的梁、柱构件，也可以组合成格构。钢管结构可以是独立的梁、柱构件，也可以组合成格构式构件。钢管材料的加工有热加工管和冷成型管。构式构件。钢管材料的加工有热加工管和冷成型管。uu由于钢管结构在力学、防腐性能和经济指标上的优越性，由于钢管结构在力学、防腐性能和经济指标上的优越性，逐渐为人们所认识。国内除网架结构大量使用园钢管外，逐渐为人们所认识。国内除网架结构大量使用园钢管外，在其它工业建筑中也开始采用钢管结构，如成都无缝钢管在其它工业建筑中也开始采用钢管结构，如成都无缝钢管厂、上钢一厂、武钢厂、上钢一厂、武钢1580mm1580mm热轧厂房等热轧厂房等uu钢结构设计规范钢结构设计规范只适用于不直接承受动力荷载的钢管只适用于不直接承受动力荷载的钢管结构。结构。一.钢管结构的种类和特点uu种类：钢管是封闭截面，在建筑结构中使用的钢管一般为薄壁管，有种类：钢管是封闭截面，在建筑结构中使用的钢管一般为薄壁管，有圆管（圆管（CHS)CHS)和矩形管和矩形管(RHS)(RHS)两种，方管是矩形管的特殊规格。两种，方管是矩形管的特殊规格。uu钢管结构的特点：钢管结构的特点：1 1 管材截面的几何特性好，截面材料绕行心分布，截面回转半径大，管材截面的几何特性好，截面材料绕行心分布，截面回转半径大，抗扭能力强。作为受压或压弯和双向受弯构件，其承载力较高。抗扭能力强。作为受压或压弯和双向受弯构件，其承载力较高。2 2 从抗流体动力特性来说，圆管截面最好。在风力和水流作用下，其从抗流体动力特性来说，圆管截面最好。在风力和水流作用下，其作用效应大为降低。矩形管截面与其他开口截面相类同。作用效应大为降低。矩形管截面与其他开口截面相类同。3 3 在平均厚度和截面积相同的情况下，钢管的外表面积约为开口截面在平均厚度和截面积相同的情况下，钢管的外表面积约为开口截面的的5060%5060%左右。对防腐蚀有利，而且可以节约涂层材料。左右。对防腐蚀有利，而且可以节约涂层材料。4 4 其节点连接适合采用直接对接焊接。可不通过节点板和其它连接件，其节点连接适合采用直接对接焊接。可不通过节点板和其它连接件，即省工又省料。即省工又省料。5 5 外形比较美观。外形比较美观。6 6 必要时，还可以在管内灌注混凝土，以形成组合构件。必要时，还可以在管内灌注混凝土，以形成组合构件。由于管结构具有上述优点，故用钢量省，与由开口截面制作的结构相由于管结构具有上述优点，故用钢量省，与由开口截面制作的结构相比，在工业建筑中能节约钢材比，在工业建筑中能节约钢材20%20%左右，在塔架结构中节约量可达左右，在塔架结构中节约量可达50%50%。钢管结构可根据构件的受力情况，采用圆管结构或矩形钢管结构可根据构件的受力情况，采用圆管结构或矩形管结构，也可混合使用。矩形管一般用作弦杆，而圆管用管结构，也可混合使用。矩形管一般用作弦杆，而圆管用作腹杆。弦杆也可采用工字钢或作腹杆。弦杆也可采用工字钢或H H型钢，而腹杆用矩形管型钢，而腹杆用矩形管或圆管。或圆管。结论：结论：圆管适用于轴心受力和受扭构件，轴心受压时稳定性最圆管适用于轴心受力和受扭构件，轴心受压时稳定性最好。好。矩形管适用于轴心受力、受弯、偏心受力和受扭构件矩形管适用于轴心受力、受弯、偏心受力和受扭构件 轴心受拉时强度最高。轴心受拉时强度最高。适用的规范适用的规范钢结构设计规范钢结构设计规范和和冷弯薄壁型钢结构冷弯薄壁型钢结构技术规范技术规范 工业与民用建筑中钢管结构的适用范围uu适用于钢管制作的结构和构件适用于钢管制作的结构和构件 a a 直接将钢管作为独立的实腹构件。如：方管檩条、单直接将钢管作为独立的实腹构件。如：方管檩条、单根的钢管柱子、烟囱、圆管通廊和工业管道。根的钢管柱子、烟囱、圆管通廊和工业管道。b b 将钢管作为杆件，组成格构式结构或构件。如：钢管将钢管作为杆件，组成格构式结构或构件。如：钢管桁架、格构式柱子或支架，以及网架和塔架等。桁架、格构式柱子或支架，以及网架和塔架等。uu对管壁厚度较小（如对管壁厚度较小（如6mm6mm以内）的钢管结构不适用于有以内）的钢管结构不适用于有强烈浸蚀作用的环境。强烈浸蚀作用的环境。uu仅适用于屈服强度不大于仅适用于屈服强度不大于355N/mm2355N/mm2以及屈强比以及屈强比（fy/fufy/fu）0.80.8的管材。即用于的管材。即用于Q235Q235和和Q345Q345钢。钢。钢管材料 根据生产方式不同，可分为冷成型管和热加工管两大类。根据生产方式不同，可分为冷成型管和热加工管两大类。uu冷成型管：一般有两种，用高频电阻焊焊接的直缝管（不进行后续热冷成型管：一般有两种，用高频电阻焊焊接的直缝管（不进行后续热处理即可使用）和用溶化焊（埋弧焊）焊接的直缝管或螺旋管（必要处理即可使用）和用溶化焊（埋弧焊）焊接的直缝管或螺旋管（必要时对焊缝进行局部热处理）。时对焊缝进行局部热处理）。在建筑建筑结构中，一般采用高频电阻焊的冷成型直缝管。在钢管混在建筑建筑结构中，一般采用高频电阻焊的冷成型直缝管。在钢管混凝土结构中曾采用埋弧焊焊接的钢管（管材尺寸较大）。凝土结构中曾采用埋弧焊焊接的钢管（管材尺寸较大）。uu热加工管：热加工管：共有下列几种共有下列几种 1 1 热轧无缝钢管热轧无缝钢管 2 2 炉焊管、炉焊管、3 3 将冷成型管进行后续热处理使之达到与热轧无缝管等效的冶金条件、将冷成型管进行后续热处理使之达到与热轧无缝管等效的冶金条件、4 4 对电阻焊的直缝管在最后定型前的成型过程中加热者，属于热加工对电阻焊的直缝管在最后定型前的成型过程中加热者，属于热加工管管结论：除炉焊管外，热加工管的成本较高，而冷成型管不但生产成本低，结论：除炉焊管外，热加工管的成本较高，而冷成型管不但生产成本低，还具有尺寸准确和生产灵活等优点，故建筑结构用钢管一般采用冷成还具有尺寸准确和生产灵活等优点，故建筑结构用钢管一般采用冷成型管或炉焊管。热加工管的力学性能等同于热轧型钢，而冷成型钢管型管或炉焊管。热加工管的力学性能等同于热轧型钢，而冷成型钢管由于在制作过程中出现的冷作硬化现象以及由此形成的残余应力由于在制作过程中出现的冷作硬化现象以及由此形成的残余应力.基本设计规定基本设计规定设计原则：设计原则：国家标准国家标准建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准 以概率理论为基础的极限状态设计方法，以分项以概率理论为基础的极限状态设计方法，以分项系数设计表达式进行计算。系数设计表达式进行计算。承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。态进行设计。计算结构或构件的强度、稳定性以及连接的强度计算结构或构件的强度、稳定性以及连接的强度时，应采用荷载设计值（荷载标准值乘以荷载分时，应采用荷载设计值（荷载标准值乘以荷载分项系数）；计算疲劳和正常使用极限状态的变形项系数）；计算疲劳和正常使用极限状态的变形时，应采用荷载标准值。时，应采用荷载标准值。建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范设计指标：uu钢材和焊缝的强度设计值采用了普钢的规定值，见钢结构设计规范uu强度设计值的折减系数：无垫板的单面对接焊缝0.85施工条件较差的高空安装焊缝0.9屋架、刚架横梁中采用冷成型矩形管的受压弦杆及支座斜杆：0.95同时存在时，其折减系数应连乘。钢管截面的宽（或径）厚比限值钢管截面的宽（或径）厚比限值 ：（弹性设计时）：（弹性设计时）1 1 受力钢管的壁厚不得小于受力钢管的壁厚不得小于2mm2mm，也不宜大于，也不宜大于24mm24mm2 2 圆管：受压或受弯圆管：受压或受弯 d/td/t不宜大于不宜大于100100 d d是圆管外径是圆管外径3 3 矩形管：各种受力状态矩形管：各种受力状态 b/tb/t、h/t40h/t40 b b、h h是矩形管的宽度和高度是矩形管的宽度和高度构件的长细比及构件计算长度同普钢构件构件的长细比及构件计算长度同普钢构件钢管结构的一般构造要求：钢管结构的一般构造要求：1 1 主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管的壁厚主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不应小于支管的壁厚。不应小于支管的壁厚。2 2 主管与支管或两支管轴线之间的夹角不宜小于主管与支管或两支管轴线之间的夹角不宜小于3030。3 3支管与主管的连接节点处，除搭接型节点外，尽量避免支管与主管的连接节点处，除搭接型节点外，尽量避免偏心。偏心满足偏心。偏心满足-0.55e/h(e/d)0.25-0.55e/h(e/d)0.25时，计算节点时，计算节点和受拉主管可不考虑偏心的影响。和受拉主管可不考虑偏心的影响。4 4 支管与主管的连接焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡。支管与主管的连接焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡。5 5 有间隙的有间隙的K K形或形或N N形节点中，支管间隙形节点中，支管间隙a a应不小于两支管应不小于两支管壁厚之和。壁厚之和。6 6 在搭接的在搭接的K K形和形和N N形节点中其搭接率应满足形节点中其搭接率应满足25%100%25%100%。7 7 在搭接节点中，当支管厚度不同时，薄壁管应搭在厚壁管在搭接节点中，当支管厚度不同时，薄壁管应搭在厚壁管上；支管强度等级不同时，低强度管应搭在高强度管上。上；支管强度等级不同时，低强度管应搭在高强度管上。8 8 角焊缝的焊脚尺寸角焊缝的焊脚尺寸hfhf：对矩形管对矩形管 hf1.5thf1.5t 对圆管对圆管 hf2t hf2t t t为相连板件中较薄焊件的厚度为相连板件中较薄焊件的厚度 9 9支管与主管的连接可采用角焊缝或部分角焊缝部分对接焊支管与主管的连接可采用角焊缝或部分角焊缝部分对接焊缝。当支管与主管的管壁之间的夹角大于或等于缝。当支管与主管的管壁之间的夹角大于或等于120120的区的区域宜用对接焊缝或带坡口的角焊缝。域宜用对接焊缝或带坡口的角焊缝。10 10 钢管构件的主要受力部位应避免开孔，如必须开孔时，钢管构件的主要受力部位应避免开孔，如必须开孔时，应采取适当的补强措施。应采取适当的补强措施。1111 格构式管柱在受有较大横向力（弯矩或剪力）处格构式管柱在受有较大横向力（弯矩或剪力）处和运送单元的两端应设置横隔外，对细长类管柱可和运送单元的两端应设置横隔外，对细长类管柱可适当增加横隔数量。适当增加横隔数量。钢管结构计算的一般规定uu在静力荷载作用下，不需验算局部稳定的热加工钢管在计在静力荷载作用下，不需验算局部稳定的热加工钢管在计算中可考虑塑性发展系数算中可考虑塑性发展系数r r，而冷成型管则不考虑塑性发，而冷成型管则不考虑塑性发展，及取展，及取r=1.0r=1.0uu在动力荷载作用下，不论热加工管或冷成型管，均不考虑在动力荷载作用下，不论热加工管或冷成型管，均不考虑塑性发展，塑性发展，r=1.0r=1.0uu园钢管和矩形管构件在计算中存在的差别：园钢管和矩形管构件在计算中存在的差别：园钢管构件的强度按净截面计算，整体稳定按毛截面计园钢管构件的强度按净截面计算，整体稳定按毛截面计算，局部稳定按净截面计算，变形用毛截面计算。算，局部稳定按净截面计算，变形用毛截面计算。矩形管构件的抗压强度按有效净截面计算，抗拉强度按矩形管构件的抗压强度按有效净截面计算，抗拉强度按净截面计算，稳定按有效截面计算，变形按毛截面计算。净截面计算，稳定按有效截面计算，变形按毛截面计算。uu主管和支管的轴心受拉压设计值按普钢杆件承载力设计值主管和支管的轴心受拉压设计值按普钢杆件承载力设计值设计（钢结构规范的第设计（钢结构规范的第5 5章）。支管的轴心力设计值不应章）。支管的轴心力设计值不应超过节点承载力设计值。超过节点承载力设计值。静载作用下管节点承载力计算的一般规定uu管节点即支管（腹杆）和主管（弦杆）的连接节点。常用管节点即支管（腹杆）和主管（弦杆）的连接节点。常用的管节点形式有：的管节点形式有：a a圆管节点圆管节点即主管及支管均为圆管的节点。即主管及支管均为圆管的节点。b b矩形管节点矩形管节点即主管为矩形管而支管为矩形管或圆管的即主管为矩形管而支管为矩形管或圆管的管节点。管节点。c c弦管为工字钢或弦管为工字钢或H H型钢而腹杆为矩形管或圆管的节点。型钢而腹杆为矩形管或圆管的节点。uu种类：平面管节点或空间管节点。均是主管贯通（网架结种类：平面管节点或空间管节点。均是主管贯通（网架结构除外），并采用将支管直接对焊在主管外表面的简单管构除外），并采用将支管直接对焊在主管外表面的简单管节点连接，不得将支管插入主管内。节点连接，不得将支管插入主管内。uu对压扁管端的构造要求：对尺寸较小、受力不大的构件，对压扁管端的构造要求：对尺寸较小、受力不大的构件，可将圆管支管端部压扁后再对焊于主管上，或通过节点板可将圆管支管端部压扁后再对焊于主管上，或通过节点板连接连接1 1 不论是全部或部分压扁，从圆形管到扁平处的最大斜度不论是全部或部分压扁，从圆形管到扁平处的最大斜度i i应应小于或等于小于或等于25%25%（1 1：4 4）。）。2 2 要求径厚比要求径厚比d/t25d/t25，否则压扁后会使抗压强度降低。，否则压扁后会使抗压强度降低。3 3对于受压支管，为避免局部屈曲，扁平部分尽量缩短。对于受压支管，为避免局部屈曲，扁平部分尽量缩短。uu对主管不连通的结构构件，如网架结构，可采用球形节点。对主管不连通的结构构件，如网架结构，可采用球形节点。个杆件均与空心球或螺栓球相连。个杆件均与空心球或螺栓球相连。静载作用下管节点承载力计算内容uu支管沿周边与主管相焊，焊缝承载力应等于或大于节点承支管沿周边与主管相焊，焊缝承载力应等于或大于节点承载力。角焊缝的计算厚度沿支管周长是变化的，当支管轴载力。角焊缝的计算厚度沿支管周长是变化的，当支管轴心受力时，平均计算厚度可取心受力时，平均计算厚度可取0.7hf0.7hf，焊缝长度取相交线，焊缝长度取相交线长度，见钢结构规范长度，见钢结构规范10.3.210.3.2条。条。uu圆管（主管和支管均为圆管）节点（各种形式）中，为保圆管（主管和支管均为圆管）节点（各种形式）中，为保证主管的强度，支管轴心力应满足各节点的承载力设计值。证主管的强度，支管轴心力应满足各节点的承载力设计值。见钢结构规范见钢结构规范10.3.310.3.3条，规范的计算公式对支管与主管的条，规范的计算公式对支管与主管的外径比、支管的径厚比、主管的径厚比及支管与主管的夹外径比、支管的径厚比、主管的径厚比及支管与主管的夹角都有严格规定。角都有严格规定。uu矩形管（主管为矩形管）节点（各种形式）中，为保证主矩形管（主管为矩形管）节点（各种形式）中，为保证主管的强度，支管轴心力和主管的轴心力应满足各节点的承管的强度，支管轴心力和主管的轴心力应满足各节点的承载力设计值。见钢结构规范载力设计值。见钢结构规范10.3.410.3.4条，有严格的适用范围。条，有严格的适用范围。钢管结构设计注意的问题uu钢管结构设计中需注意下列问题：钢管结构设计中需注意下列问题：1 1管壁较薄的钢管杆件易发生局部失稳。管壁较薄的钢管杆件易发生局部失稳。2 2平均宽度比较小时连接节点处的局部变形较大。平均宽度比较小时连接节点处的局部变形较大。3 3管材的材料性能是否符合标准。管材的材料性能是否符合标准。4 4连接焊缝的强度是否有保证。连接焊缝的强度是否有保证。5 5对壁厚小于对壁厚小于6mm6mm的结构，要采取可靠的防锈措施。一般的结构，要采取可靠的防锈措施。一般北方地区壁厚不小于北方地区壁厚不小于2.5mm2.5mm，南方地区不小于，南方地区不小于3mm3mm。6 6在格构式构件（包括桁架和格构式柱）中，节点和杆件按在格构式构件（包括桁架和格构式柱）中，节点和杆件按等强设计。等强设计。7 7对受力较大的节点，可设置加强板或加劲环等。当由节点对受力较大的节点，可设置加强板或加劲环等。当由节点强度控制时，宜采用搭接节点（易保证节点强度设计值）。强度控制时，宜采用搭接节点（易保证节点强度设计值）。8 8 钢管桁架：计算桁架内力时，假定桁架节点为铰接，即忽钢管桁架：计算桁架内力时，假定桁架节点为铰接，即忽略了由于节点刚性产生的次弯矩。在强度计算中，可保留略了由于节点刚性产生的次弯矩。在强度计算中，可保留适当的富裕量，特别是端斜杆受力较大的部位。适当的富裕量，特别是端斜杆受力较大的部位。当节点偏心距当节点偏心距e e在在-0.55e/d(e/h)0.25-0.55e/d(e/h)0.25的范围内，在计的范围内，在计算节点和受拉主管时，可忽略此偏心弯矩的影响，但受压算节点和受拉主管时，可忽略此偏心弯矩的影响，但受压主管必须考虑此偏心弯矩。按压弯构件计算。该偏心弯矩主管必须考虑此偏心弯矩。按压弯构件计算。该偏心弯矩不分配给支管，全部由节点两侧的受压主管承受，各按其不分配给支管，全部由节点两侧的受压主管承受，各按其线性刚度分配。线性刚度分配。常用的格构式平面桁架的腹杆体系有人字形和单斜式（用于常用的格构式平面桁架的腹杆体系有人字形和单斜式（用于平行弦桁架）、芬克式（常用于三角形桁架）、空腹桁架平行弦桁架）、芬克式（常用于三角形桁架）、空腹桁架(外形美观，内部空间大，腹杆最少，只有竖杆外形美观，内部空间大，腹杆最少，只有竖杆)。9 9钢管柱：钢管柱有单肢管柱和多肢（双肢、三肢及四肢管钢管柱：钢管柱有单肢管柱和多肢（双肢、三肢及四肢管柱）组合管柱。根据厂房的跨度和吊车吨位选用。柱）组合管柱。根据厂房的跨度和吊车吨位选用。有桥式吊车的单层厂房中间柱，可采用四肢管或双肢管柱；有桥式吊车的单层厂房中间柱，可采用四肢管或双肢管柱；边列柱的下段柱可采用三肢管或双肢管柱。上段柱可采用边列柱的下段柱可采用三肢管或双肢管柱。上段柱可采用单肢管柱，必要时可在单肢管的一侧或两侧加焊单肢管柱，必要时可在单肢管的一侧或两侧加焊T T形截面形截面加强。加强。钢管柱的柱脚可以是插入式的或用锚栓连接。钢管柱的柱脚可以是插入式的或用锚栓连接。谢谢大家!节日快乐！