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1、 门式刚架结构设计 济南大学土木建筑学院 1 1概述 1 1 1单层门式刚架的组成 主承重骨架檩条 墙梁屋面 墙面支撑 1 1 2单层门式刚架结构的特点 质量轻一般10 30kg m2 基础费用低 地震反应小 注意风吸力工业化程度高 施工周期短主要构件工厂制作 现场高强螺栓安装综合经济效益高柱网布置比较灵活门式刚架整体性可以依靠檩条 墙梁和隅撑来保证 支撑数量可减少 且多用张紧的圆钢 梁柱多用变截面 省材梁 柱腹板利用屈曲后强度塑性设计不再适用 多个塑性铰 摇摆柱柱脚约束应力蒙皮效应 板件较薄焊接板件 3mm冷弯构件 1 5mm压型钢板 0 4mm 图1 2变截面门式刚架 1 1 3我国工程应
2、用情况始于20世纪60年代 屋面用瓦材 20世纪70年代在工程上极少应用 20世纪80年代在经济特区引进国外门式刚架轻钢房屋 压型钢板始见用于屋面和墙面 20世纪90年代初外国轻钢企业进入中国大陆 带动了内资轻钢企业的发展 中期以来 采用门式刚架轻型房屋钢结构的工程数量越来越多 工程规模越来越大 充分展示了这种结构的优越性 国家标准的制订情况 冷弯薄壁型钢结构技术规范 1966年版本未颁布 TJ18 75GBJ18 87GB50018 2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102 98CECS102 2002 1 2结构形式和结构布置1 2 1门式刚架的结构形式按跨度 单跨 双跨
3、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的形式按屋面坡脊数 单脊单坡 单脊双坡和多脊多坡 图1 3门式刚架形式示例 一 图1 3门式刚架形式示例 二 常做成一个大双坡屋面 避免渗漏和堆雪 单脊双坡多跨刚架无桥式吊车 中柱多为摇摆柱有桥式吊车 中柱宜两端刚接 截面形式无桥式吊车 梁 柱可采用变截面或等截面的实腹焊接工字形截面或轧制H形截面有桥式吊车 柱宜采用等截面形式 柱脚形式无桥式吊车 多按铰接支承设计 通常为平板支座有桥式吊车 刚接 摇摆柱 变截面门式刚架 坡度1 20 1 8 运输单元柱子单独一个 梁可为多个 单元内焊接 单元间可通过端板用高强螺栓连接 吊车悬挂吊车 起重量不大于3吨桥式吊车 不大于2
4、0吨 轻 中级工作制 1 2 2结构布置 刚架的建筑尺寸和布置跨度 9 36m 高度 4 5 9m 室内净空 柱轴线 下端中心线或柱外皮梁轴线 最小截面中线 与上表面平行柱距 6m 7 5m或9m挑檐 0 5 1m温度区段 纵向 300m 横向 150m 设置伸缩缝的方法 双柱 檩条和屋面板构造有吊车时设置双柱 加插入距 图1 4有吊车时的插入距 檩条布置一般等间距布置 间距由计算确定 屋脊附近双檩 距屋脊 200mm 天沟附近布置一根以固定天沟 考虑天窗 采光带等的具体情况 墙梁布置考虑门窗 挑檐 雨棚等的具体情况 压型钢板墙面宜布置在柱外 间距由计算确定 支撑和刚性系杆布置布置原则 温度区
5、段柱间支撑与屋面横向支撑同时设置位置 间距 30 45 60 高度大时分层设 宽度大时内柱设刚架转折处支撑交叉点支撑形式 十字交叉圆钢支撑 夹角30 60 型钢支撑 1 3刚架设计 除 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102 有专门规定外 按 建筑结构荷载规范 GB50009 采用永久荷载结构自重 按 建筑结构荷载规范 GB50009采用悬挂荷载 按实际情况可变荷载屋面活荷载 对压型钢板屋面 按水平投影计 取0 5kN m2 常取0 3kN m2施工检修集中荷载 人和小工具的重力 1kN 按最不利位置 1 3 1荷载及荷载组合 屋面雪荷载和积灰荷载 按GB50009采用 考虑荷载增大系
6、数和不均匀系数 吊车荷载 竖向和水平荷载 按GB50009采用 地震作用 按 建筑抗震设计规范 GB50011采用 风荷载 按 规程 垂直于建筑物表面的风荷载 wk 风荷载标准值 kN m2 w0 基本风压 按 建筑结构荷载规范 的规定采用 z 风荷载高度变化系数 按 建筑结构荷载规范 的规定采用 当高度小于10m时 应按10m高度处的数值采用 s 风荷载体型系数 考虑内 外风压最大值的组合 含阵风系数 其中风载体型系数按美国MBMA手册的规定采用 图1 5刚架的风载体型系数分区 荷载效应组合 应符合以下原则 屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑 应取两者中的较大值 积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活
7、荷载中的较大值同时考虑 施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其它荷载同时考虑 多台吊车的组合应符合GB50009的规定 风荷载不与地震作用同时考虑 在进行刚架内力分析时 需要考虑的荷载效应组合有 1 2 永久荷载 0 9 1 4 积灰荷载 max 屋面均布活荷载 雪荷载 风荷载 吊车竖向荷载 吊车水平荷载 1 0 永久荷载 1 4 风荷载或1 0 永久荷载 1 4 0 9 风荷载 吊车荷载 组合 1 用于截面强度和构件稳定计算 2 用于柱脚锚栓验算 起有利作用者不加 但要注意同时发生的荷载 地震作用组合 采用底部剪力法 按GB50011计算 1 3 2刚架内力和侧移计算内力变截面门式
8、刚架 弹性分析方法全部为等截面构件时 可采用塑性分析方法设计取单榀刚架按平面结构分析内力 一般不考虑应力蒙皮效应 而把它当作安全储备 计算内力时可采用有限元法 直接刚度法 分段等截面单元或楔形单元 手算校核时 可将变截面构件折算为等截面构件 控制截面的内力组合 柱顶 底 牛腿处 梁端 跨中 1 对构件 最大压力Nmax和相应的M和V 2 对构件 最大弯矩Mmax和相应的N和V 3 对锚栓 最小压力Nmin和相应的M和V 侧移计算采用弹性分析方法确定 计算时荷载取标准值 不考虑荷载分项系数 简化计算公式 参见CECS102 侧移限值在风荷载标准值作用下的刚架柱顶侧向位移不应超过下列限值 不设吊车
9、 采用轻型钢板墙时为h 60 采用砌体墙时为h 100 h为柱高 设有桥式吊车 吊车有驾驶室时为h 400 吊车由地面操作时为h 180 不满足时可采取的措施放大截面修改柱脚约束若有摇摆柱 上端改为刚接 受弯构件的挠度限值门式刚架斜梁竖向挠度 L为构件跨度 仅支承压型钢板和檩条L 180尚有吊顶L 240有悬挂起重机L 400屋面坡度改变值 屋面坡度的1 3檩条竖向挠度 仅支承压型钢板L 150有吊顶L 240压型钢板竖向挠度 承受活荷载或雪荷载L 150 构件长细比要求受压构件 主要构件 180 其它构件及支撑 220 受拉构件 承受静力荷载时 桁架构件 350 吊车梁以下柱间支撑 300
10、其它支撑 400 承受动力荷载时 250 张紧的圆钢或钢绞线 不限制 1 3 3刚架柱 梁设计 1 3 3 1梁 柱板件宽厚比和腹板屈曲后强度应用 1 梁柱板件宽厚比限值梁柱的翼缘 不能发生局部失稳 要求受压翼缘 对于梁柱的腹板 腹板应按规程要求计算有效宽度 图1 6截面尺寸 2 腹板屈曲后强度利用工字形截面构件腹板的受剪板幅 当腹板高度变化不超过60mm m时可考虑屈曲后强度 拉力场 其抗剪承载力设计值应按下列公式计算 3 腹板的有效宽度 工字形截面腹板 当腹板全部受压时 he hw当腹板部分受拉时 拉区全部有效 压区有效宽度为he hc 图1 7有效宽度分布 当腹板边缘最大应力 1 f时
11、计算 时可用 R 1代替式fy R为抗力分项系数 对Q235和Q345钢 R 1 1 当截面全部受压 即 0时 当截面部分受拉 即 0时 1 3 3 2刚架梁 柱构件的强度计算 1 工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩M共同作用下的强度当V 0 5Vd时 当0 5Vd V Vd时 当为双轴对称截面时 2 工字形截面压弯构件在剪力V 弯矩M和轴力N共同作用下当V 0 5Vd时 当0 5Vd V Vd时 当为双轴对称截面时 1 3 3 3梁腹板加劲肋的配置梁腹板应在与中柱连接处 较大集中荷截作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋 其间距a取hw 2hw 中间加劲肋的设置应满足屈曲后强度计算要求 中间加劲肋除
12、承受集中荷载和翼缘转折产生的压力外 还应承受拉力场产生的压力 图1 8腹板屈曲后受力模型 计算长度取腹板高度hw 按两端铰接的轴心受压构件按GB50017计算其稳定性 考虑加紧肋及两侧各的面积 1 3 3 4变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算计算公式为 当柱的最大弯矩不出现在大头时 M1和We1分别取最大弯矩和该弯矩所在截面的有效截面模量 与GB50017差异 1 无 x 2 弯矩放大系数也有所不同 3 有效截面特性 大头截面应力较大 故弯矩项以大头截面为准 A 小头小 轴力小头大 所以轴力项以小头截面为准 m取1 0 x 按毛截面计算 1 3 3 5变截面柱在刚架平面内的计算长度计算长度应取
13、为h0 h 确定方法有3种 查表法 一阶分析法 二阶分析法 查表法 柱脚铰接的对称刚架 1 柱脚铰接单跨刚架 按下表查 表中 此表相当于GB50018规范附表A3 2的计算长度系数 乘以 s为半跨斜梁长度 为斜梁换算长度系数 见16 17页 柱脚铰接楔形柱的计算长度系数 2 多跨刚架中间柱为摇摆柱时 边柱的计算长度为 计算边柱 时s取lb 摇摆柱的计算长度系数取为 1 0 坡度大于1 5时 要考虑横梁轴力的不利影响 图1 9计算边柱时的斜梁长度 一阶分析法由一阶分析侧移刚度K H u后 柱计算长度系数为 1 对单跨对称刚架 当柱脚铰接时当柱脚刚接时有摇摆柱时乘以 图1 10一阶分析时的柱顶侧移
14、 已乘0 85 已乘1 2 1 2 P 系数 2 对中间柱为非摇摆柱的多跨刚架 当柱脚铰接时当柱脚刚接时 1 2 P 系数 二阶分析法 计入P 效应 图1 11变截面构件 楔率 不大于0 268h d0及6 0 1 3 3 6变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算 对端弯矩为零的区段 对两端弯曲应力基本相等的区段 为受压翼缘与受压区腹板1 3高度组成的截面绕y轴的回转半径 特点 1 有效截面 2 轴力取小头 弯矩取大头 3 当 b 0 6时 进行弹塑性修正 1 3 3 7斜梁和隅撑设计 1 斜梁设计当斜梁坡度不超过1 5时 在平面内可仅按压弯构件计算强度 在平面外应按压弯构件计算稳定 平面外计算长
15、度 应取侧向支承点间的距离 上翼缘承受集中荷载处不设加劲肋时 验算腹板上边缘正应力 剪应力和局部压应力共同作用的折算应力外 还应满足下式要求 集中荷载作用下的屈皱 m在负弯矩区取0 2 隅撑设计当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时 必须在受压翼缘两侧布置隅撑 端部仅布置一侧 作为斜梁的侧向支承 隅撑的另一侧连在檩条上 图1 12隅撑的连接 隅撑按轴心受压构件设计 轴心力为 当隅撑成对布置时 每根隅撑的计算轴压力可取一半 计算时不用角钢的换算长细比 要考虑单面连接时材料强度的折减 梁与柱连接节点 梁与梁拼接节点和柱脚节点 有吊车时还有牛腿节点 1 刚架梁 柱连接及梁拼接 高强螺栓 端板连接 斜梁与柱的
16、连接形式 端板竖放 端板斜放和端板平放 斜梁拼接时宜使端板与构件外边缘垂直 1 3 3 8节点设计 图1 13刚架梁与柱及梁与梁的连接 斜梁拼接按最大受力计算 且不小于被连接截面承载力的一半 连接满足强度和刚度要求 连接分摩擦型和承压型连接 螺栓成对布置 翼缘内外各设一排 转动中心在下翼缘形心线处 抗剪由受拉力较小螺栓或受压螺栓承担 构造要求 35mm 400mm 图1 14连接受力 端板的厚度t应根据支承条件按下列公式计算 但不应小于16mm 图1 15端板的支承条件 原则 螺栓达到极限拉力 板区屈服 设计时改为设计承载力 Nt 受拉承载力设计值 与翼缘板相连的边视为固定 与翼缘板相连的边视为简支 图1 16端板外伸与平齐 在门式刚架斜梁与柱相交的节点域 按下式验算剪应力 当不满足上式要求时 应加厚腹板或设置斜加劲肋 2 柱脚设计柱脚可采用刚接或铰接形式 前者可节约钢材 但基础费用有所提高 加工 安装也较为复杂 一般情况宜采用平板式铰接柱脚 a b c d 图1 17门式刚架柱脚形式 柱脚锚栓应采用Q235或Q345钢材制作 锚栓的锚固长度应符合现行国家标准 建筑地基基础设计规范 G
