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1、v 1.3.1 荷载及荷载组合v 1.3.2 刚架的内力和侧移计算v 1.3.3 刚架柱和梁的设计1.3 刚架设计永久荷载：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。 可变荷载：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。 1.3.1荷载及荷载组合荷载组合原则： 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 外的其他荷载同时考虑； 多台吊车的组合应符合荷载规范的规定； 当需要考虑地震作用时，风
2、荷载不与地震作用同 时考虑。 在进行刚架内力分析时，荷载效应组合主要有： 组合（1）：1.2永久荷载+0.91.4积灰荷载+max屋面 均布活荷载、雪荷载+0.91.4(风荷载+吊车 竖向及水平荷载) 组合（2）： 1.0永久荷载+1.4风荷载 组合(1)用于截面强度和构件稳定性计算， 组合(2)用于锚栓抗拉计算。内力计算原则： 根据不同荷载组合下内力分析结果，找出控 制截面的内力组合，控制截面位置一般在柱底、 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： 最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值。 最大弯矩Mmax和同时出现的V及N的较大值。 最大弯矩Mmax和同
3、时出现的V及N的较大值。 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。1.3.2 刚架内力和侧移计算侧移计算原则： 变截面门式刚架柱顶侧移应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 。 如果最后验算时刚架的侧移不满足要求，即需要 采用下列措施之一进行调整： 放大柱或梁的截面尺寸； 改铰接柱脚为刚接柱脚； 把多跨框架中的摇摆柱改为上端和梁刚接的节点 连接形式。梁、柱板件的宽厚比限值： 工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比：工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比：1.3.3 刚架柱和梁的设计腹板屈曲后强度利用：在进行刚架梁、柱截面设计时，为
4、了节省钢材，允许腹板发生局部构件的屈曲，并利用其屈曲后强度。 腹板的有效宽度： 当工字形截面梁、柱构件的腹板受弯及受压板幅利用屈曲后强度时，应按有效宽度计算其截面几何特性。 有效宽度取值： 当腹板全部受压时： 当腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区有效宽度为：he：腹板受压区有效宽度；：有效宽度系数；hc: 腹板受压区高度。刚架梁、柱构件的强度计算 刚架内力分析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
5、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，对初选截面梁柱按压弯构件进行验 算。正应力验算：剪应力验算：式中：构件有效净截面面积；、 对主轴x和y的有效净截面抵抗矩；、 对主轴x和y的弯矩。弯矩作用平面内：弯矩作用平面外：工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩M共同作用下的强度应符合下列要求： 当 时当 时当截面为双轴对称时工字形截面受弯构件在剪力V、弯矩M和轴力N共同作用下的强度应符合下列要求： 当 时当 时当截面为双轴对称时梁腹板加劲肋的配置: 梁腹板应在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处 和翼缘转折处设置横向加劲肋。其他部位是否设置 中间加劲肋，根据计算需要确定。但规程规定
6、, 当利用腹板屈曲后抗剪强度时，横向加劲肋间距a宜 取hw2hw。 当梁腹板在剪应力作用下发生屈曲后，将以拉力带 的方式承受继续增加的剪力，亦即起类似桁架斜腹 杆的作用，而横向加劲肋则相当于受压的桁架竖杆 。因此，中间横向加劲肋除承受集中荷载和翼缘转 折产生的压力外，还要承受拉力场产生的压力。拉力场 加劲肋稳定性验算按规范规定进行，计算长度 取腹板高度hw，截面取加劲肋全部和其两侧各 宽度范围内的腹板面积，按两端铰接轴心受压构件进行计算。变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算: 变截面柱在刚架平面内的整体稳定按下列公式计算：对于变截面柱，变化截面高度的目的是为了适 应弯矩的变化，合理的截面变化方式
7、应使两端 截面的最大应力纤维同时达到限值。但是实际 上往往是大头截面用足，其应力大于小头截面 ，故公式左端第二项的弯矩M1，和有效截面模 量We1应以大头为准。公式第一项源自等截面的稳定计算。根据分析 ，小头稳定承载力的小于大头，且刚架柱的最 大轴力就作用在小头截面上，故第一项按小头 运算比按大头运算安全。 斜梁和隅撑的设计 斜梁的设计当斜梁坡度不超过1：5时，因轴力很小可按压弯构件计算其强度和刚架平面外的稳定，不计算平面内的稳定。n实腹式刚架斜梁的平面外计算长度，取侧向支承点的间距。当斜梁两翼缘侧向支承点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支承点间的距离。斜梁不需要计算整体稳定性的侧向支承点
8、间最大长度，可取斜梁下翼缘宽度的 倍。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(山墙处刚架仅布置在一侧)作 、为斜梁的侧向支承，隅撑的另一端连接在檩条 上。 隅撑间距不应大于所撑梁受压翼缘宽度的 倍。 隅撑应根据规范规定按轴心受压构件的支撑来设 计。隅撑截面选用单根等边角钢，轴向压力按下 式计算：当隅撑成对布置时，每根隅撑的计算轴压力可取 上式计算值的一半。 需要注意的是，单面连接的单角钢压杆在计算其 稳定性时，不用换算长细比，而是对f值乘以相 应的折减系数。刚架横梁刚度和柱顶水平位移验算横梁容许挠度：柱顶水平容许位移：式中 、 分别为刚架横梁的跨度和柱的高度。
9、刚架节点设计刚架横梁与柱拼装节点 刚架横梁屋脊拼装节点 柱脚设计 牛腿设计 斜梁与柱的连接及斜梁拼接一般采用高强螺栓端板连接，按刚接节点设计，其形式： 端板竖放端板斜放端板平放h1Me（a）端板竖放（b）端板斜放（c）端板平放（d）斜梁拼接刚架斜梁与柱的连接及斜梁间的拼接高强螺栓计算 验算最不利螺栓的拉力：横梁与柱在连接处传递的弯矩；最远一排螺栓至承压点的距离；螺栓列数；任意一排螺栓至承压点的距离；一个螺栓所能承受的抗拉容许承载力。分析研究表明，外伸式连接转动刚度可以满足 刚性节点的要求。外伸式连接在节点负弯矩作用下 ，可假定转动中心位于下翼缘中心线上。上翼缘两 侧对称设置4个螺栓时，每个螺栓
10、承受下面公式表 达的拉力，并依此确定螺栓直径：当受拉翼缘两侧各设一排螺栓不能满足承载 力要求时，可以在翼缘内侧增设螺栓。 螺栓排列应符合构造要求，下图的 ， 应满 足扣紧螺栓所用工具的净空要求，通常不小于 35mm，螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径，两排螺栓 之间的最小距离为3倍螺栓直径，最大距离不应超 过400mm。端板的厚度t可根据支承条件按下列公式计算，但 不应小于16mm，和梁端板相连的柱翼缘部分应与 端板等厚度。(a)伸臂类端板(b)无加劲肋类端板(c)两边支承类端板当端板外伸时当端板平齐时(d)三边支承类端板在门式刚架斜梁与柱相交的节点域，应按下列公式验算剪应力：刚架构件的翼缘与端板的
11、连接应采用全熔透对接 焊缝，腹板与端板的连接应采用角焊缝。在端板 设置螺栓处，应按下列公式验算构件腹板的强度 ：n当 时，n当 时，节点构造设计节点有加腋与不加腋两种基本形式。在加腋 形式中又有梯形加腋与曲线加腋之分，一般采用 梯形加腋并在加腋部分的两端设置加劲肋及侧向 支撑，以保证该加腋部分的稳定性，防止侧向压 屈。加腋连接可使截面的变化符合弯矩图形的要 求，并大大提高了刚架的承载能力。下图为加腋 节点图。横梁屋脊拼装节点图柱脚设计 根据受力要求，柱脚分刚接柱脚和铰接柱脚两 类，当吊车起重量5吨时应考虑设置刚性柱 脚。 本工程实例：吊车吨位20吨，柱脚形式为刚接 柱脚，主要用来传递吊车荷载、
12、风荷载和结构 自重。柱脚形式平板式铰接柱脚刚接柱脚一般情况当有桥式 吊车或刚 架侧向刚 度过弱时平板式 铰接柱脚刚接柱脚柱脚的计算一、底板的计算 1、底板的平面尺寸 底板面积：式中柱轴心压力设计值；基础混凝土轴心抗压强度设计值；锚栓孔面积。按构造要求确定底板宽度：式中柱截面宽度或高度；靴梁厚度；底板悬臂长度。 再根据底板面积确定底板长度。2、底板的厚度底板的厚度决定于板的抗弯强度。式中： 为底板承受的最大弯矩值。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 (GB 50007-2002)的规定，锚栓端部按规定设置 弯钩或锚板。 计算风荷载作用
13、下柱脚锚栓的上拔力时，应计入柱 间支撑的最大竖向分力，此时，不考虑活荷载(或 雪荷载)、积灰荷载和附加荷载的影响，同时永久 荷载的分项系数1.0。锚栓直径不宜小于24mm，且 应采用双螺帽以防松动。 柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水 平剪力可由底板与混凝土基础之间的摩擦力(摩擦 系数可取0.4)或设置抗剪键承受。靴梁的构造与计算 (1) 靴梁的高度由靴梁与柱的连接焊缝长度决定 。 (2) 靴梁厚度可取与柱翼缘的厚度相同。 (3) 靴梁与底板间的水平焊缝计算按承受全部轴压力N计算。 (4) 靴梁的抗弯和抗剪强度验算，按双悬臂简支 梁计算。柱脚构造详图铰接柱脚刚接柱脚加劲板加劲板地脚螺
14、栓浇入素混凝土 保护地脚锚栓 牛 腿当有桥式吊车时，需在刚架柱上设置牛腿，牛腿 与柱焊接连接，其构造见下图。牛腿根部所受剪 力V、弯矩M根据下式确定：牛腿截面一般采用焊接工字形截面，根部截面尺寸 根据V和m确定，做成变截面牛腿时，端部截面高度 h不宜小于日2。在吊车梁下对应位置应设置支承 加劲肋。吊车梁与牛腿的连接宜设置长圆孔。高强 度螺栓的直径可根据需要选用，通常采用M16-24螺 栓。牛腿上翼缘及下翼缘与柱的连接焊缝均采用焊 透的对接焊缝。牛腿腹板与柱的连接采用角焊缝， 焊脚尺寸由剪力V确定。摇摆柱与斜梁的连接构造摇摆柱与斜梁的连接比较简单，构造图如下： 刚架设计小结l刚架内力计算 l变截面柱在平面内的整体稳定计算 l变截面柱在平面外的整体稳定计算 l斜梁的设计 l刚架节点设计
