钢结构设计课件-1

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1、钢结构设计,第1章 轻型门式刚架结构,1.1 概述 1.1.1 单层门式刚架结构的组成,轻型钢结构建筑形式多样，近年来在我国得到了广泛应用。门式刚架轻钢结构、多层轻钢结构是目前我国工业建筑市场需求量最大的两种结构形式。,单层轻型门式刚架结构是指以轻型焊接H形钢（等截面或变截面）、热轧H形钢（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作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢（槽形、Z形等）做檩条、墙梁；以压型金属板（压型钢板、压型铝板）做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。,门式刚架其结构体系由

2、屋盖系统、柱子系统、吊车梁系统、墙架系统、支撑系统等部分组成,单层轻钢结构体系,刚架梁,刚架柱,返回,刚架柱,山墙抗风柱,墙梁,檩条,刚架梁,1.1.2 单层门式刚架结构的特点,质量轻 围护结构采用压型金属板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻。根据国内工程实例统计，单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为1030kg/m2 ，在相同跨度和荷载情况下自重仅约为钢筋混凝土结构的1/201/30。由于结构质量轻，相应地基础可以做得较小，地基处理费用也较低。同时在相同地震烈度下结构的地震反应小。但当风荷载较大或房屋较高时，风荷载可能成为单层轻型门式刚架结构的控制荷载。,工业化程

3、度高，施工周期短 门式刚架结构的主要构件和配件多为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便；除基础施工外，基本没有湿作业；构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速。 综合经济效益高 门式刚架结构通常采用计算机辅助设计，设计周期短；原材料种类单一；构件采用先进自动化设备制造；运输方便等。所以门式刚架结构的工程周期短，资金回报快，投资效益相对较高。,柱网布置比较灵活 传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6米，当采用12米柱距时，需设置托架及墙架柱。而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。,其它特点：

4、,门式刚架体系的整体性可以依靠檩条、墙架及隅撑来保证，从而减少屋盖支撑数量，同时支撑多用圆钢做成，很轻便； 梁、柱多用变截面，节省材料； 梁、柱设计时利用屈曲后强度； 变截面刚架不能用塑性设计。,蒙皮效应 在垂直荷载作用下，坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。屋面板将与支撑檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势。这时，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而边缘檩条承受轴力起深梁翼缘的作用。显然，屋面板的抗剪切能力要远远大于其抗弯曲能力。所以，蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应。对于坡顶门式刚架，抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度，坡度越

5、大蒙皮效应越显著；而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加。,1.1.3 门式刚架结构的应用情况,轻型钢结构是国内外目前应用和发展速度最快的新型结构形式，广泛应用于工业、居住和公共建筑，具有施工速度快、建筑造型美观、钢材用量少、造价低廉等优势，而门式刚架结构体系作为轻型钢结构的一种结构形式，在我国更是大量涌现。近几年来，随着我国彩色钢板产量的增加和焊接H型钢的出现，门式刚架更是发展迅猛，我国建成此类结构工程已达800多万平方米，而且每年以约100多万平方米的速度增加。,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

6、筑等，都是它强有力的竞争领域，有广泛的市场应用前景。 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002 门式刚架轻型房屋钢构件JG1442002,1.2 结构形式和结构布置,1.2.1门式刚架的结构形式 门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨，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1/201/8。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车的房屋时，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。,1.单跨双坡刚架,等截面柱，底端固接的节点设计，承受更大的支座弯矩，适合有吊车荷载的建筑物。,2.单跨双坡刚架,内柱的设计

7、，使结构达到更大的屋面跨度，通常3672M，更经济的设计。,3.多跨多坡刚架,双跨多坡或多跨多坡的设计，适合多种使用类型建筑物的需要。,4.高低跨刚架,外形构造灵活，适合于成套组合式厂房。,门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。,刚接柱脚,铰接柱脚,柱脚构造详图,铰接柱脚,刚接柱脚,加劲板,加劲板,地脚螺栓,1.2.2 结构布置,1.2.2.1 刚架的建筑尺寸和布置 门式刚架的跨度宜为936m， 当柱宽度不等时，其外侧应对齐。 高度应根据使用要求的室内净高

8、确定，宜取4.59m。 门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。 纵向温度区段小于300m，横向温度区段小于150m（当有计算依据时，温度区段可适当放大）。,1.2.2.2 檩条和墙梁的布置 檩条间距的确定应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。侧墙墙梁的布置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等构件的设置和围护材料的要求确定,山墙抗风柱,墙梁,檩条,刚架梁,刚架梁,刚架柱,返回,刚架柱,山墙抗风柱,墙梁,檩条,刚架梁,1.2.2.3 支撑和刚性系杆的布

9、置,(1)在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。 (2)在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。 (3)端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取3045m，有吊车时不宜大于60m。 (4)当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。,(5)当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。 (6)在刚架的转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。 (7)由支撑斜杆等组成的水平桁架

10、，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。 (8)刚性系杆可由檩条兼做，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。 (9)当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。,支撑系统的主要作用是： 1）纵向刚性系杆传递纵向水平力。 2）水平支撑形成局部刚域，抵抗在柱间和屋面梁间传递的水平力作用。 3）隅撑的作用则为约束I工字型截面远端翼缘板，起到远端翼缘板平面内支座作用，避免形成局部屈曲；或出平面支点作用，减小翼缘板的出平面计算长度，从而控制出平面稳定性。 4）全部支撑系统与檩条或墙梁以及刚架一道组成

11、空间体系，参与空间协同工作。刚性系杆构件主要选用型钢和钢管，与刚架通过螺栓铰接，截面大小一般按压杆稳定性要求或通过受力计算来决定。设置主要考虑在刚架转角和屋脊联结处（其中屋脊处的刚性系杆，可由用于此处屋脊构造需要的，刚度较大的双檩条及联结所代替）。,轻型门式刚架的屋面支撑体系主要由屋面横向水平支撑和系杆组成。水平支撑为圆钢，用花篮螺栓张紧；系杆用圆管。屋面横向水平支撑系统主要用来传递风荷载，增强结构的整体稳定性能。,屋面横向水平支撑布置,山墙抗风柱,墙梁,檩条,刚架梁,柱间支撑,屋面横向水平支撑布置图,撑杆,斜拉条,拉条,隅撑,屋面横向水平支撑,拉条,檩条,屋面拉条布置,屋架横向水平支撑与刚架

12、梁连接节点构造,连接角钢,曲面造型的屋面刚架梁,隅撑,采光带,屋架横向支撑节点处刚性系杆,梁柱节点处刚性系杆,墙梁,岩棉保温材料,墙梁支架,墙梁,1.3 刚架设计,1.3.1 荷载及荷载组合,3.1.1 永久荷载 永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。 按现行建筑结构荷载规范的规定采用； 3.1.2 可变荷载 可变荷载包括屋面活荷载、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。,（1）屋面活荷载 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102:2002）规定屋面竖向均布活荷载的标准值（按投影面积算）取0.5kN/

13、m2；超过60m2 取0.3kN/m2 设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载，其标准值为1KN 检修荷载只与结构自重荷载同时考虑； （2）屋面雪荷载与积灰荷载 积灰荷载与雪荷载按现行建筑结构荷载规范(GB50009-2001)的规定采用。 均布活荷载与雪荷载不同时考虑，取其中较大值(记为L)计算； 积灰荷载与雪荷载和均布活载中的较大值同时考虑；,（3）吊车荷载(C)： 包括竖向荷载、纵向及横向水平荷载，按荷载规范（GB50009-2001）的规定取用，但吊车的组合一般不超过两台； （4）地震作用(E)： （5）风荷载(W)： 按现行门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:2002

14、)中附录A采用。 对于风荷载的取用是以GB50009-2001为基础的，关于风荷载体形系数是按照美国金属房屋制造商协会MBMA低层房屋体系手册（1996）中有关小坡度房屋的规定取用的；,3.1.3 荷载组合,荷载组合一般应遵从建筑结构荷载设计规范（GB50009-2002）的规定，针对门式刚架的特点，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102:2002给出下列组合原则： (1)屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中较大值。 (2)积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑。 (3)施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑。 (4)多台吊车的组合应符合建筑

15、结构荷载设计规范的规定。 (5)当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。,（1）1.2永久荷载+0.91.4积灰荷载+max屋面活荷载、雪荷载 +0.9 1.4（风荷载+吊车竖向及水平荷载） （2）1.0永久荷载+1.4风荷载,1.3.2 刚架的内力和侧移计算,对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。,根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。控制截面的内力组合主要有： (1)最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值。 (2)最大弯矩Mmax和同时出现的N及V的较大值。 (3)最小轴压力Nmin和相应的M及V，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M=0。,在横向均布荷载作用下，刚架弯矩图如下.,刚架弯矩图,刚架荷载计算简图,在水平风荷载作用下，刚架弯矩图如下：,荷载计算简图,刚架弯矩图,轻型钢结构是以构件边缘最大压应力达到钢材屈服点作为临界状态，没有考虑塑性发展的影响，所以门式刚架一般按弹性理论设计。 考虑各种荷载组合内力分析结果，取出最大荷载值控制设计，对初选截面梁