钢结构工程基本构造：完全自学无难度！

钢结构工程的基本构造主要有门式刚架轻型钢结构、钢框架结构、钢网架结构及索膜结构。

（一）门式刚架轻型钢结构

门式刚架轻型钢结构主要指承重结构为单跨或多跨实腹式或格构式门式刚架，具有轻型屋盖和轻型外墙，可以设置起重量不大于20t的中、轻级工作制桥式起重机或3t悬挂式起重机的单层厂房钢结构。

1.门式刚架的特点

刚架结构是梁、柱单元构件的组合体，其形式种类繁多，但在单层工业与民用房屋的钢结构中，应用较多的为单层的单跨、双跨或多跨的双坡门式刚架，如图1-1所示。它可根据通风、采光的需要设置天窗、通风屋脊和采光带等。

门式刚架与屋架结构相比，整个构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，从而降低房屋的高度，减小建筑体积，在建筑造型上也较简洁、美观。刚架构件的刚度较好，其平面内、外的刚度差别较小，为制造、运输、安装提供较有利的条件。因此刚架用于中、小跨度的工业房屋或较大跨度的公共建筑，都能达到较好的经济效果。

刚架屋面材料一般多用石棉水泥中小波瓦、瓦楞铁以及其他轻型瓦材。屋面坡度主要取决于屋面材料及排水要求，通常采用的屋面坡度为1/3。当采用压型钢板屋面时，屋面坡度较平。

门式刚架的用钢量与荷载、跨度、柱高以及结构形式有关。屋面采用石棉水泥瓦，跨度为12～18m，柱高为4.5～6.0m的门式刚架，一般用钢量为8～13kg/m²，包括檩条、支撑、墙梁等构件在内，其总用钢量为15～25kg/m²。因影响用钢量的参数较多，故其用钢量变化的幅度比较大。

图1-1 门式刚架简图

2.门式刚架的结构形式

门式刚架的结构形式是多种多样的，按跨度可分为单跨、双跨、多跨等形式；按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡，屋面坡度宜取1/20～1/8，如图1-2所示。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式起重机的房屋时，当刚架柱不是特别高且风荷载也不是很大时，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案，门式刚架的柱脚多按铰接设计。当用于工业厂房且有桥式起重机时，宜将柱脚设计成刚接。门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂起重机和起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式起重机。

图1-2 门式刚架形式简图

a）单跨（单脊双坡） b）双跨（单脊双坡） c）多跨（单脊双坡） d）双跨（单脊单坡） e）多跨（多脊多坡）

门式刚架的结构形式按构件体系可分为实腹式与格构式；按截面组成可分为等截面与变截面两种。实腹式刚架的横截面为一个整体，一般为工字形，少数为Z形；格构式刚架的横截面为矩形或三角形，如图1-3所示。格构刚架的材料选择和截面组成比较灵活，组成形式可以因材制宜，实现多样化。当刚架内力较小时，宜采用等截面，其截面为单腹杆或双腹杆的矩形以及三腹杆的三角形，材料可用普通角钢、槽钢以及薄壁钢管等；当刚架内力较大时，宜采用变截面，其截面为双腹杆的矩形和三腹杆的三角形，材料可用普通角钢、槽钢以及无缝钢管等，如图1-3d、e、f所示。

图1-3 门式钢架形式

a）实腹式（等截面） b）实腹式（变截面） c）实腹式（Z形） d）格构式（等截面矩形） e）格构式（变截面矩形） f）格构式（三角形）

门式刚架结构体系主要包括：基础、主刚架、次结构、外围护结构和辅助结构。其中主刚架主要包括钢柱、钢梁、钢吊车梁等构件。它常采用焊接H型钢（等截面或变截面）、热轧H型钢（等截面）或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架。单层门式钢结构根据主刚架构成可分为无起重机和带起重机两类。无起重机门式刚架结构组成如图1-4所示，带起重机刚架结构组成与此类同，只是在柱上设计标高位置加上一道或几道吊车梁。次结构主要包括水平支撑、柱间支撑、系杆、隅撑、拉条、套管、檩条、墙梁等构件，用来保证主刚架的整体稳定性，构件材料常采用型钢（圆钢、钢管、角钢、槽钢等）做支撑、冷弯薄壁型钢（槽钢、C型钢、Z型钢等）做檩条和墙梁。外围护结构屋盖常采用压型钢板屋面板，也可采用隔热卷材和带隔热层的板材作屋面。外墙常采用压型钢板墙板，也可以采用砌体外墙或底部为砌体、上部为轻质材料的外墙。辅助结构主要包括楼梯、天窗架、车挡、走道板等构件，构件材料常采用槽钢、H型钢、角钢、花纹板、钢管、方钢等。

图1-4 单层门式刚架结构的组成（无起重机）

3.门式刚架的适用范围

门式刚架通常用于跨度为9～18m，柱高为4.5～6.0m，设有起重量较小的悬挂起重机的工业房屋和辅助性建筑。对于无起重机的房屋，柱高多在5m以内；对于设有起重机的房屋，则柱高多在6m左右。在某些情况下，门式刚架也有用于跨度为21～30m，柱距为6～12m，柱高为9m左右的工业房屋和公共建筑。

门式刚架轻型房屋钢结构的主要应用范围，包括单层工建厂房，民建超级市场和展览馆、库房以及各种不同类型仓储式工业及民用建筑等，有广泛的市场应用前景。

（二）钢框架结构

1.钢框架结构特点

钢框架结构是常用的钢结构形式，由于结构自身的特点，近年来在高层和超高层建筑中应用越来越广泛。不同立面形式的框架具有不同的特点，纯框架结构延性好，但侧向刚度差；中心支撑框架通过支撑提高框架刚度，但支撑受压会屈曲，支撑屈曲将导致原结构的承载力降低；偏心支撑框架可通过偏心梁段剪切屈服限制支撑的受压屈曲，从而保证结构具有稳定的承载力和良好的耗能性能，而结构侧向刚度介于纯框架和中心支撑框架之间；框筒实际是密柱框架结构，由于梁跨度小、刚度大，使周围柱近似构成一个整体受弯的薄壁筒体，具有较大的侧向刚度和承载力，因而框筒结构多用于高层建筑。

钢框架结构因为钢梁、钢柱截面小，墙板一般采用预制板材。预制板材主要有钢板、挤压铝板、以钢板为基材的铝材罩面的复合板、夹心板、预制轻混凝土大板等。各种墙板的夹层或内侧应配有隔热保温材料，并由密封材料保证墙体的水密性。现代多层民用钢结构建筑外墙面积相当于总建筑面积的30%～40%，施工量大，高空作业难度大，建筑速度缓慢，同时出于美观、耐久性要求和减轻建筑物自重等因素的考虑，外围护墙已开始采取标准化、定型化、预制装配、多种材料复合等构造方式，多采用轻质薄壁和高档饰面材料，幕墙就是其中主要的一种类型。

钢框架结构的楼盖主要有两种形式：现浇钢筋混凝土组合楼盖、压型钢板—混凝土板组合楼盖。前一种形式组合楼盖楼面刚度较大，但由于在现场浇筑混凝土板，施工工序复杂，需要搭设脚手架，安装模板和支架，绑扎钢筋，浇筑混凝土及拆模等作业，施工进度慢。后一种形式组合楼盖是目前在多层和高层钢结构中采用最多的一种，它不仅具备很好的结构性能和合理的施工工序，而且综合经济效益显著。这类组合楼盖由压型钢板—混凝土板、剪力键和钢梁三部分组成，如图1-5所示。

图1-5 压型钢板—混凝土板组合楼盖类型

a）肋平行于钢梁 b）肋垂直于钢梁

屋顶是房屋最上层起覆盖作用的围护构件，为了减小承重结构的截面尺寸、节约钢材，除个别特殊要求外，首先应采用轻型屋面。轻型屋面的材料宜采用高强、耐火、防火、保温和隔热性能好，构造简单，施工方便，并能工业化生产的建筑材料，如压型钢板等。

2.钢框架的结构形式

钢框架一般可分为单层单跨、单层多跨等结构形式，以满足不同建筑造型和功能的需求，如图1-6所示。

图1-6 框架的结构形式

a）单层单跨 b）单层多跨 c）多层多跨

根据钢框架抗侧力体系的不同，可将其分为纯框架、中心支撑框架、偏心支撑框架和框筒几种立面形式，如图1-7所示。

图1-7 钢框架的立面形式

a）纯框架 b）中心支撑框架 c）偏心支撑框架 d）框筒

3.钢框架的适用范围

钢框架多用于大跨度公共建筑，工业厂房和一些对建筑空间、建筑体型、建筑功能有特殊要求的建筑物和构筑物中，如剧院、商场、体育馆、火车站、展览厅、造船厂、飞机厂、停车库、仓库、工业车间、电厂锅炉刚架等，并在高层和超高层建筑中有越来越广泛地应用。

（三）钢网架结构

钢网架是由很多杆件从两个方向或几个方向有规律地组成的高次超静定空间结构。它改变了一般平面桁架受力体系，能承受来自各方向的荷载。

1.钢网架的特点

钢网架结构最大的特点是由于杆件之间互相支撑作用，它的刚度大、整体性好、抗震性好、抗震能力强，而且能够承受由于地基不均匀沉降所带来的不利影响。即使在个别杆件受到损伤的情况下，也能自动调节杆件内力，保持结构的安全。

钢网架结构自重轻，节约钢材，已建成的18m跨度的钢管网架用钢量仅为7～10kg/m²。某112m跨度的角钢网架用钢量仅为65kg/m²，并且由于钢网架结构高度较小，可以有效地利用建筑空间。

钢网架结构的适应性大，它既适用于小跨度的建筑，又适用于大跨度的房屋，而且从建筑物平面形式来说，钢网架结构可以适应于各种平面的建筑：如矩形、圆形、扇形及各种多边形的平面建筑形式。(www.xing528.com)

钢网架结构取材方便，一般多采用Q235钢或Q345钢，杆件截面形式多采用钢管或型钢（型钢以角钢为主），并且可以用小规格的杆件截面建造大跨度的建筑。

钢网架结构由于它的杆件规格划一，适宜工厂化生产，这就为加速工程进度提供了有利的条件和保证。

钢网架结构的计算有通用的计算程序，制图简单，加上钢网架本身所具有的特点和优越性，给钢网架结构的发展提供了有利条件。

2.钢网架的结构形式

钢网架结构的形式较多，按其外形可分为曲面网壳和平板网架两大类，在国内采用平板网架比较多，这里主要介绍平板网架。

平板网架除常采用的交叉梁系和角锥体系形式，还有桥板形网架、三层网架以及利用钢筋混凝土代替网架上弦杆的组合网架。

平板网架按其支承形式可分成周边支承、三边支承、多点支承以及周边支承和多点支承相结合的支承形式。

周边支承的网架可分成周边支承在柱子上或周边支承在圈梁上两类形式：周边支承在柱子上时，柱距可取成网格模数，将网架直接支承在柱顶上，这种形式一般用于大、中型跨度的网架；周边支承在圈梁上，这种形式的网格划分比较灵活，适用于小跨度的网架。

多点支承的网架可分成四点支承的网架或多点支承的网架：四点支承的网架，宜带悬挑，一般挑出1/4，这样可减小网架跨中弯矩，改善网架受力性能，节约钢材；多点支承网架可根据使用功能布置支点，一般多用于厂房、仓库和展览厅等建筑。多点支承网架一般受力最大的是柱帽部分，设计施工时，应注意柱帽处的处理。

周边支承和多点支承相结合的网架多用于厂房结构。

三边支承的网架多用于机库和船体装配车间，一般在自由边处加反梁或设托梁。

钢网架常用的结构形式如图1-8所示。

3.钢网架的适用范围

钢网架结构是一种适用范围很广的结构形式，从用途上来讲，可用于公共建筑，也可用于工业建筑；从跨度上来讲，可大至100m跨度以上的房屋建筑，小至几米跨度的站头装饰架或广告牌；从平面形貌上来讲，它既适用于一般矩形平面建筑，也适用于圆形、扇形、六边形乃至多边形平面的建筑；从支承条件上来讲，它既适用于周边支承、三边支承的建筑，也适用于四点或多点支承的建筑，还可适用于周边支承和多点支承二者结合的情况。

图1-8 网架常用的结构形式

a）两向正交正放网架 b）两向正交斜放网架 c）两向斜交斜放网架 d）三向网架 e）单向折线形网架 f）正放四角锥网架 g）正放抽空四角锥网架 h）棋盘形四角锥网架 i）斜放四角锥网架 j）星形四角锥网架 k）三角锥网架

l）抽空三角锥网架 m）蜂窝形三角锥网架

图1-9 膜材构造示意图

钢网架结构主要用于体育馆、俱乐部、展览馆、体育练习馆、游泳馆、影剧院、车站候车大厅、餐厅、食堂、仓库和飞机库等。由于网架结构的优越性，近些年来，钢网架结构也越来越多地用于工业建筑中，甚至对设有桥式起重机的车间屋盖也采用了网架结构；钢网架结构还可用于广告牌、脚手架、栈桥、楼板、门头装饰架等。

钢网架结构的屋面材料多用与网格大小相同的各种钢筋混凝土肋形板和各种带檩的轻型屋面。钢网架可以定型化生产，这就为钢网架发展提供了有利的条件。

（四）索膜结构

由膜面和支承结构共同组成的，属于建筑物或构筑物的一部分或整个结构称为膜结构。

1.索膜结构的特点

目前，膜结构是世界上最轻的建筑结构。膜建筑的屋面质量仅为常规钢屋面的1/30，这很明显降低了墙体与基础的造价；由于膜工程中所有的加工与制作均在工厂内完成，施工现场的安装施工工期几乎要比传统的建筑施工周期短一半；膜建筑中所用的膜材，热传导性较低，单层膜的保温效果可与砖墙相比，优于玻璃，其半透明性在建筑内部产生均匀的自然漫散射光，减少了白天电力照明时间，非常节能；膜材对紫外线有较高的过滤性，可过滤大部分的紫外线；同时膜材有很高的自洁性，通过雨水的冲刷，可保持外观的自洁，所以说膜建筑是21世纪的绿色环保建筑；由于膜建筑自重轻，可以不需要内部支撑而覆盖大面积的空间，人们可更自由地创造更大的建筑空间，跨度越大，越能体现出膜建筑的经济性；膜建筑在吸声和防火方面效果也很好。

膜结构采用的是一种高强度、柔韧性很好的柔性材料。它是由织物基材和涂层复合而成的一种复合材料，其构造如图1-9所示。膜材基本上是一种织布，织材由纤维构成，纤维分为尼龙、聚酯类、玻璃纤维和人造纤维。常用的涂层材料分为聚氯乙烯、聚四氟乙烯、硅树脂和涂层处理，其中涂层处理通常是为了额外保护织布上的覆盖层免于紫外线的破坏而增加的又一层涂层，增加膜材的自洁性。如PVC上再涂覆PVDF二氟化乙烯等。常用的建筑膜材分为PTFE玻璃纤维膜材、PVC聚酯纤维膜材、PTFE芳纶膜材和加面层的PVC膜材等。

膜结构对膜材性能有以下几点要求：

1）高抗张拉强度。

2）高抗撕裂强度。

3）材料尺寸的稳定性，即对伸长率的要求。

4）抗弯折性，有一定的柔软度。

5）要有较高的透明度和放射太阳光的能力。

6）耐久性，包括防水、耐热、抗腐、自洁性。

7）防火性能。

8）可加工性，便于裁剪和拼接。

膜材的优点很多，是理想的膜结构覆盖材料。它的弹性模量较低，有利于膜材形成复杂的曲面造型；它轻质高强，中等强度的PVC膜，其厚度仅0.61mm，但它的拉伸强度相当于钢材的一半；中等强度的PTFE膜，其厚度仅0.8mm，但它的拉伸强度已达到钢材的水平。膜材对自然光有反射、吸收和透射能力；它不燃、难燃或阻燃；具有耐久、防火、气密性良好等特性；表面经处理（涂覆PVC或PVDF）的膜材，自身不发黏，有很好的自洁性能。但它也有不足之处，膜材的不可回收性，使得膜材成为并不完全的环保材料。

索是膜结构建筑的重要受力构件。大多数的膜结构工程都是通过钢索来张拉膜面的。

2.索膜结构的结构形式

膜建筑的结构形式比较多，按支承方式可分为充气膜结构和张力膜结构。其中充气膜结构又有气承式和气肋式，就是向气密性好的膜材所覆盖的空间注入空气，利用内外空气的压力差使膜材受拉，结构就具有一定的刚度用来承重。而张力膜结构是对膜施加预应力，使得结构具有一定的刚度和稳定的形状。它又可分为刚性支承体系、柔性支承体系和混合支承体系。所谓刚性支承体系，又称框架膜结构，膜直接张覆在刚架、网架（网壳）等变形较小的结构上；柔性支承体系，又称索膜结构，膜张覆在柔性索、索网、索结构上，索与膜共同受力；混合支承体系，膜部分张覆在刚架等刚性支撑上，部分张覆在柔性索上。按膜对建筑覆盖的形式，膜结构可分为开敞式膜结构、封闭式膜结构和开合式膜结构。按膜材层数，膜结构可分为单层膜结构和双层膜结构，双层膜结构，内膜保温、隔热，满足声学性能，外膜直接受荷载作用。

根据造型需要和支撑条件等，可将膜结构分为气膜式膜结构、索系支承式膜结构、骨架支承式膜结构和整体张拉式膜结构。气膜式膜结构主要依靠膜曲面内外的气压来维持膜曲面的形状。该结构要求有密闭的充气空间，并应设置维持内压的充气装置。索系支承式膜结构由空间索系作为主要的受力构件，在索系上布置按要求设计的张紧膜材。骨架支承式膜结构是由钢构件或其他刚性结构作为承重骨架，在骨架上布置按设计要求张紧的膜材。整体张拉式膜结构是由桅杆等支撑结构提供吊点，并在周边设置锚固点，通过预张拉而形成的稳定体系。

3.索膜结构的适用范围

目前膜建筑被广泛用于以下各个领域：

1）文化设施。展览中心、剧场、会议厅、博物馆、植物园和水族馆等。

2）体育设施。体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆和篮球馆等。

3）商业设施。商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头（挑檐）和商业街等。

4）交通设施。机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站和天桥连廊等。

5）工业设施。工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室和物流中心等。

6）景观设施。建筑入口、标志性小品、步行街和停车场等。