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1、门式刚架钢结构设计,内容,内容纲要,一、钢结构基本知识回顾 二、门式刚架结构设计分析三、设计实例分析四、总结,一、钢结构基本知识回顾,1.材料性质 2.钢结构的主要荷载 3.构件设计 4.钢结构的连接,1.材料性质,钢结构的特点：优点：轻质高强，材质均匀，工业化生产，施工工期短；钢结构抗震性能好。缺点：耐腐蚀性较差，耐火性差，造价较高。,钢材种类及规格,（1）碳素结构钢常用Q-235，质量等级A、B、C、D（2）低合金高强度钢常用Q345、Q390、Q420，质量等级A、B、C、D、E,设计指标,钢材的规格,1.钢板 热轧钢板有厚钢板（厚度4.560mm），薄钢板（厚度0.354mm）， 还有
2、扁钢（厚度460mm，宽度30200mm），符号“ -长度宽度厚度） 2.热轧型钢 H型钢、角钢、工字钢、槽钢 具体规格可查阅型热轧钢规格表 3.冷弯薄壁型钢 由薄钢板经模压或弯曲而制成，其壁厚一般为1.55mm，包括C型，Z型，压型钢板等。,建筑钢结构主要荷载： 恒、活荷载 风荷载 雪荷载（下雪地区） 地震作用 吊车荷载,恒荷载 轻型钢板屋面恒荷载一般为0.20.3 kN/M2,活荷载（与屋面雪荷载不同时考虑）,风荷载（一般为控制性荷载）,风对屋面、墙体的压力、吸力山墙采用抗风柱抵抗风载,雪荷载（积雪不均匀系数）,地震荷载作用 一般来讲，对于门式轻钢结构，低烈度区，地震不起控制作用。 钢结构
3、的阻尼比取0.030.05，比混凝土结构要小。,钢结构抗震方面的优势主要是从材料较轻，承载力高，地震过程中弹塑性变形较大，基本不会发生断裂，即钢结构允许的变形能力大。,吊车荷载（厂房中经常见）,吊车梁一般设计成简支梁。,钢结构构件设计计算（强度、刚度、稳定性）,1.轴心受力构件承载能力极限状态：强度、整体稳定、局部稳定（型钢不必验算）正常使用极限状态：刚度（对于轴心受力构件，主要由长细比控制）,轴心受力构件的强度及整体稳定:,轴心受力构件的刚度:,钢规：,门规：,受压构件的局部稳定:,计算内容:强度、整体稳定、局部稳定、刚度,2.受弯构件,强度：,整体稳定：,局部稳定：,腹板：通过加劲肋保证局
4、部稳定翼缘：通过限制翼缘宽厚比防止局部失稳,拉弯或压弯构件,强度：,稳定性：,刚度：主要由梁的挠度和柱的侧移控制,钢结构的连接方法,钢结构的连接方法有焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。,（一）焊缝连接焊缝连接是通过电弧产生的热量使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成焊缝，从而将焊件连接成为一体。优点：不削弱构件截面，节约钢材，构造简单，制造方便，连接刚度大，密封性能好，在一定条件下易于采用自动化作业，生产效率高。缺点：焊缝附近钢材因焊接高温作用形成的热影响区可能使某些部位材质变脆，对结构的承载力、刚度和使用性能有一定影响；焊缝连接的塑性和韧性较差，施焊时可能产生缺陷，使疲劳强度降低。,焊缝符号集及
5、标注方法焊缝符号表示法规定：焊缝符号一般由基本符号与指引线组成，必要时还可加上补充符号和焊缝尺寸。基本符号：表示焊缝的横截面形状，如用“ ”表示角焊缝,用“V”表示V形坡口的对接焊缝；补充符号：补充说明焊缝的某些特征，用“ ”表示现场安装焊缝，用“ ”表示焊件三面带有焊缝；指引线 ：一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头指向图形相应焊缝处，横线上方和下方用来标注基本符号和焊缝尺寸等。,焊缝符号,（二）螺栓连接螺栓连接是通过螺栓这种紧固件把连接件连接成为一体。 螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。优点：施工工艺简单、安装方便，特别适用于工地安装连接，也便于拆卸，适用于需要装拆结构和临时性连接
6、。缺点：需要在板件上开孔和拼装时对孔，增加制造工作量，且对制造的精度要求较高；螺栓孔还使构件截面削弱，且被连接件常需相互搭接或增设辅助连接板（或角钢），因而构造较繁且多费钢材。,普通螺栓连接的构造 普通螺栓的形式和规格 钢结构采用的普通形式为大六角头型，其代号用字母M与公称和直径（mm）表示。工程中常用M18，M20，M22，M24。按国际标准，螺栓统一用螺栓的性能等级来表示，如“4.6级”、“8.8级”等。小数点前数字表示螺栓材料的最低抗拉强度，如“4”表示400N/mm2，“8”表示800N/mm2。小数点后的数字（0.6、0.8）表示螺栓材料的屈强比，即屈服点与最低抗拉强度的比值。,高强
7、度螺栓的受力特点（钢结构连接节点通常采用高强螺栓）高强度螺栓连接按设计和受力要求可分为摩擦型和承压型两种。摩擦型连接在承受剪切时，以外剪力达到板件间可能发生的最大摩阻力为极限状态；当超过时板件间发生相对滑移，即认为连接已失效而破坏。承压型连接在受剪时，则允许摩擦力被克服并发生板件间相对滑移，然后外力可以继续增加，并以此后发生的螺杆剪切或孔壁承压的最终破坏为极限状态。两种形式螺栓在受拉时没有区别。高强度螺栓和普通螺栓连接受力的主要区别是：普通螺栓连接的螺母拧紧的预拉力很小，受力后全靠螺杆承压和抗剪来传递剪力。而高强度螺栓时靠拧紧螺母，对螺杆施加强大而受控制的预拉力，此预拉力将被连接的构件夹紧。靠
8、构件夹紧而由接触面间的摩阻力来承受连接内力是高强度螺栓连接受力的特点。,钢柱柱脚的构造柱脚的作用是将柱身的压力均匀的传给基础，并和基础牢固的连接起来。在整个柱中，柱脚是比较费钢费工的部分。设计时应力求简明，并尽可能符合结构的计算简图，便于安装固定。柱脚按其与基础的连接方式的不同可分为铰接和刚接两类，轴心受压柱、框架柱或压弯构件，这两种形式均有采用铰接柱脚不能抵抗弯矩，刚接柱脚可以抵抗弯矩。柱脚通过锚栓固定于基础，锚栓的直径一般为2432mm。,铰接柱脚,刚接柱脚,次梁与主梁连接示意，a，b，c为铰接连接，d为固结连接,正在建设的门式刚架工程实例,山墙抗风柱,吊车梁,天窗架,二、门式刚架结构设计
9、分析,结构形式及布置,门式刚架特点及应用情况 1、结构特点 （1）刚架梁、柱采用轻型H型钢（等截面或变截面）组成； （2）刚架梁与柱刚接，柱脚与基础宜采用铰接；当设有桥式吊车、檐口标高较高或对刚度要求较高时，柱脚和基础可采用刚接； （3）刚架构件的刚度较好，为制造、运输、安装提供了便利； （4）用C形、Z形薄壁型钢做檩条、墙梁，以彩钢板或夹芯板做屋面、墙面； （5）和屋架结构相比，整个构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，降低房屋的高度，减小建筑体积。,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
10、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。,2、 门式刚架结构的应用情况,显著特点质量轻工业化程度高，施工周期短综合经济效益高柱网布置比较灵活,国家标准的制定情况： 冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002） 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（GB 51022-2015）,结构形式：分为单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的刚架等形式。,（a）单跨刚架 （b）双跨刚架 （c）多跨刚架,（d）带挑檐刚架 （e）带毗屋刚架 （f）单坡刚架
11、,门式刚架的尺寸,跨度：横向刚架柱轴线间的距离，一般为936m； 高度：地坪至柱轴线与横梁轴线交点的高度。无吊车时，高度一般为4.59m；有吊车时应根据轨顶标高和吊车净空要求确定，一般为912m。 柱距：通常介于4.59m之间。 檐口高度：地坪至房屋外侧檩条上缘的高度； 最大高度：地坪至房屋顶部檩条上缘的高度； 屋面坡度：宜取1/81/20，在雨水较多地区可取较大值。,1、支撑构件的设计 （1）屋盖水平支撑,圆钢、角钢,钢管、双角钢,杆件必须交于节点的中心,支撑的设计与构造,（2）柱间支撑 无吊车时柱间支撑的间距宜取3045m；当有吊车时宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处，且
12、间距不宜大于60m； 当建筑物宽度大于60m时，内柱列宜适当增加柱间支撑； 支撑与构件的夹角应在3060范围内，宜接近45； 柱间支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑，当桥式吊车起重量大于5时，宜采用型钢支撑； 当房屋高度相对柱距较大时，柱间支撑宜分层设置； 不允许设置交叉柱间支撑时，可设置其他形式的支撑。,（2）柱间支撑 柱间支撑在建筑物跨度小、高度低的情况下，可用带张紧装置的圆钢做成交叉型的拉杆。也可采用角钢或槽钢。 在高大的建筑中柱间支撑的交叉杆除用角钢外，也可采用钢管。 柱间支撑的上端与水平压杆必须与柱中心交于一点；柱间支撑下端应尽可能与柱中心交于柱脚底面，避免出现偏心受力。,（3）
13、屋面水平支撑,屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间，端部支撑设在第二开间时，第一开间相应位置宜设置刚性系杆； 在刚架转折处（柱顶和屋脊）应沿房屋全长设置刚性系杆； 由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑 柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内，形成抵抗纵向荷载的支撑桁架； 刚性系杆可由檩条兼作，此时檩条应满足对压弯构件的刚度和承载力要求。若不满足，应另设刚性系杆； 交叉支撑可采用张紧的圆钢，屋盖横向水平支撑可仅设在靠近上翼缘处，,支撑系统的传力途径：,山墙墙板,墙梁,墙架柱,屋盖水平支撑系统,刚性系杆,柱间支撑,基础,（3）支撑构件的计算 门式刚架结构中的交叉支撑和
14、柔性系杆可按拉杆设计（认为受压斜杆不受力），非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。 柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向荷载（如风、吊车制动力）按支承于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算。 对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，山墙风力应有最靠近山墙的一道支撑承受。,支撑的节点荷载：,支撑的设计与构造,为保证刚架梁下翼缘和柱内翼缘的平面外稳定性，可在梁与檩条或柱与墙梁之间增设隅撑。隅撑间距不应大于13b（对Q345钢）或16b （对Q235钢），b为刚架梁受压翼缘的宽度。,（4） 隅撑布置,隅撑构造,A 实腹式横梁被支承翼缘的截面面积； f 实腹式横梁钢材的强度设计值；
15、fy 实腹式横梁钢材的屈服强度； 隅撑与檩条轴线间的夹角。,隅撑应按轴心受压构件设计，轴压力按下式计算,实腹式檩条,檩条一般设计成单跨简支构件，有实腹式和桁架式两大类，实腹式檩条也可以设计成连续构件。,檩条的截面形式,适用于荷载较大的屋面,热轧型钢,H型钢,冷弯薄壁型钢,适用于压型钢 板的轻型屋面,直卷边和斜卷边Z形檩条适用于屋面坡度i1/3的情况。卷边C形檩条适用于屋面坡度i1/3的情况，其截面在使用中互换性大，用钢量省。,檩条的构造与设计,适用于屋面坡度1/3,适用于屋面坡度1/3,（1）优先选用冷弯卷边槽钢C形和冷弯卷边Z形钢等简支或连续实腹式檩条； （2）C形和Z形檩条，宜将上翼缘肢尖
16、（或卷边）朝向屋脊方向； （3）屋脊檩条应采用双檩条方案，并应在高度1/3处用圆钢或钢管相互拉结； （4）檩条跨度由主刚架柱距决定； （5）檩条间距应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、天沟、屋面材料、檩条规格等因素，一般应等间距布置，但在屋脊和檐口处，为便于屋脊盖板和天沟收边，檩条布置应做局部调整。,檩条的布置和连接,拉条和撑杆是提高檩条侧向稳定性的重要构造措施，拉条仅传递拉力，撑杆主要承受压力，和拉条共同作用，将檩条沿屋面坡度方向的分力传给梁或柱。拉条一般采用直径816mm的圆钢，撑杆可采用钢管、方管或角钢做成，也可采用钢管内设拉条的做法，其长细比按压杆要求不能大于200。,拉条与撑杆,撑杆的作用是限制屋脊、檐口和天窗两侧边檩向上和向下两个方向的侧向弯曲。,（a）直拉条 （b）斜拉条,
