天津大学 钢结构教研室门式刚架轻型钢结构 1.概述• 体系构成及适用范围–主要承重骨架：门式刚架–纵向支撑体系：屋面水平支撑、柱间支撑–檩条和墙梁–维护结构 ：： 轻型屋面板/轻型墙面板结构体系 刚架梁刚架柱柱间支撑屋面水平支撑檩条墙梁墙梁系杆抗风柱墙面板屋面板吊车梁 1.概述• 体系构成及适用范围–竖向荷载–横向水平荷载 –纵向水平荷载*门式刚架是平面结构体系传力途径 1.概述• 体系构成及适用范围 主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1~A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构适用范围 1.概述• 门式刚架结构的特点–质量轻，用钢量省： 荷载轻/材料承载力高/变形能力强/变截面构件/独特的支撑体系/利用薄壁构件屈曲后强度 –结构布置灵活：不受模数限制–工业化程度高，施工周期短：全钢结构–综合经济效益好；优点 1.概述• 门式钢架结构的特点–结构整体刚度小：整体工作前应防止构件变形–杆件壁薄，锈蚀及局部变形影响大；–制作、运输及安装要求高；缺点 1.概述• 应用和发展–单层工业厂房–超市–仓库等 –跨度9m ~ 36m应用 1.概述• 应用和发展–极限状态的深入研究，避免特殊荷载下结构失效：雪荷载、风荷载–进一步轻型化–提高制作、安装精度发展 2.基本设计规定• 设计方法–以概率理论为基础的极限状态设计法–极限状态的概念•承载能力极限状态 •正常使用极限状态 2.基本设计规定• 设计方法–非抗震设防地区：承载能力极限状态–抗震设防地区： 2.基本设计规定• 设计方法–按荷载效应的标准组合计算变形•柱顶侧移：H/60;H/180;H/400 （多层层间H/400 ）•受弯构件挠度： 主梁：L/180;L/240;L/400（钢结构 L/400）正常使用极限状态 2.基本设计规定• 材料选用–门式刚架、吊车梁：Q235B或Q345B以上–檩条、墙梁等：Q235或Q345；C或Z–屋面板、墙面板：Q235 2.基本设计规定• 荷载及荷载组合–永久荷载：•结构自重；屋面；吊挂荷载等 –屋面活荷：•标准值 0.5kN/m2; (A>60 m2时，0.3 kN/m2); –施工或检修集中荷载：•设计屋面板和檩条时，1.0 kN 2.基本设计规定• 荷载及荷载组合–雪荷载•设置女儿墙时，应考虑女儿墙内侧积雪–积灰荷载•与屋面活荷、雪荷载较大者同时考虑 –吊车荷载 2.基本设计规定• 荷载及荷载组合–风荷载：标准值•基本风压：1.05；•高度系数；体形系数*–地震作用•底部剪力法；阻尼比0.05；•一般7度及以下，可不考虑地震作用 2.基本设计规定• 荷载及荷载组合–目前两种风荷载体型系数共存：建筑结构荷载规范/ 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程美国金属房屋制造商协会《低层房屋体系手册》关于风荷载体型系数 2.基本设计规定• 荷载及荷载组合《全国民用建筑工程设计技术措施2003(结构)》第18．1．6条规定：跨高比L／h小于等于4的门式刚架应按“规范”(GB 50009—2001)计算风荷载标准值及体型系数，跨高比大于4时宜按“规程”(CECS 102：2002)取用。
关于风荷载体型系数 2.基本设计规定• 荷载及荷载组合–非地震组合： 1.2x永久荷载 + 0.9x1.4x（积灰荷载+max{雪荷载，屋面活荷}）+ 0.9x1.4x（吊车荷载+风荷载） 1.0x永久荷载 + 1.4x风荷载–地震组合： 1.2x重力荷载代表值 + 1.3x水平地震作用 2.基本设计规定• 构造要求–构件壁厚•主刚架梁柱 t>=4mm;•檩条、墙梁 t>=1.5mm;–构件长细比•受压构件 180/220•受拉构件 250/300/350/400 3.结构体系及布置• 结构体系门式刚架门式刚架的形式–按跨数分单跨、双跨、多跨及带挑檐或毗屋–按起坡分单脊单坡、单脊双坡及多脊多坡梁柱刚接/摇摆柱 3.结构体系及布置• 结构体系门式刚架门式刚架的建筑尺寸：–刚架跨度：9~36米刚架柱轴线间的距离；边柱外翼缘对齐；–刚架高度：4.5~9.0米,<12m 地坪至柱轴线与斜梁轴线交点的高度； 考虑室内净空及吊车轨顶标高及净空；*梁、柱轴线确定 3.结构体系及布置• 结构体系门式刚架构件截面：–变截面焊接H形钢截面（腹板）高度：楔形；腹板厚度/翼缘宽度/翼缘厚度；–等截面焊接H形钢或轧制H形钢塑性设计设有桥式吊车时柱截面 3.结构体系及布置• 结构体系门式刚架柱脚种类：–铰接柱脚–刚接柱脚设有5t以上桥式吊车时屋面坡度设置：排水坡度：1/20~1/8；根据所在地区雨量大小确定； 3.结构体系及布置• 结构体系门式刚架构件连接：–构件单元划分钢柱一般为单独单元；斜梁可划分为多个单元：根据运输条件–构件单元连接构件单元内焊接连接；构件单元间高强螺栓/端板连接； 3.结构体系及布置• 结构体系支撑系统柱间支撑：–柔性支撑：Φ20圆钢/交叉支撑/张紧装置–刚性支撑：角钢等，设有桥式吊车时–30~60度/约45度；刚架较高时，分层设置–其它形式的支撑或纵向刚架； 3.结构体系及布置• 结构体系支撑系统屋面水平支撑：–柔性支撑：Φ20圆钢/交叉支撑/张紧装置–30~60度/约45度刚性系杆：–柱顶及刚架转折处–可由檩条/墙梁兼作 3.结构体系及布置• 结构体系屋面墙面系统檩条/墙梁–设置于斜梁、钢柱外侧；–双向受弯构件；冷弯薄壁型钢，C或Z/C；–跨度较大时，可使用轻型桁架；–檩条设置应考虑天窗、采光带、屋面材料等；–墙梁设置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等； 3.结构体系及布置• 结构体系屋面墙面系统拉条及撑杆–S>4米，一道/ S>6米，两道；–斜拉条与刚性檩条拉接；屋面板和墙面板设计–彩色镀锌或镀铝锌压型钢板，t>=0.4mm；–夹心压型复合钢板；–开孔洞后应适当加强； 3.结构体系及布置• 结构体系其它构件托架山墙墙架抗风柱吊车梁… 3.结构体系及布置• 结构布置–门式刚架的间距•柱网轴线纵向距离，6/7.5/9/12米–温度区段长度•伸缩缝间距离，纵向300米/横向150米•伸缩缝做法：檩条(吊车梁等)连接螺栓用长圆孔设置双柱 3.结构体系及布置• 结构布置–支撑布置•每个温度区段应设置独立、稳定支撑系统；•屋面水平支撑及柱间支撑位于同一柱间；•支撑间距30~45米；• 间距应根据纵向柱距/纵向受力/安装条件确定； 4.作用效应计算• 门式刚架内力分析分析假定–变截面门式刚架•可能几个截面同时出现塑性铰•弹性分析方法–等截面门式刚架•弹性或塑性分析方法 4.作用效应计算• 门式刚架内力分析分析模型–按平面结构进行内力分析•主刚架•平面模型–按空间结构进行内力分析•主刚架+支撑系统+屋、墙面体系（蒙皮效应）•空间整体模型 4.作用效应计算• 门式刚架内力分析分析方法–手算方法：•超静定结构体系；•结构力学力法/位移法；–电算方法：•有限元法/矩阵位移法/直接刚度法•变截面构件分段近似为若干等截面单元/楔形单元 4.作用效应计算• 门式刚架内力分析控制截面/控制内力–柱顶/柱底/梁端/梁跨中/牛腿–控制内力组合：•Nmax+M+V•Mmax+N+V•Nmin+M+V（锚栓抗拔） 4.作用效应计算• 门式刚架侧移分析–侧移按弹性分析方法计算–精确计算方法•有限元法/矩阵位移法/直接刚度法–近似计算方法–增大侧向刚度、减小侧移的措施•增大梁柱截面/刚接柱脚/梁柱刚接 5.门式刚架构件设计• 设计方法、设计过程–弹性设计方法–设计过程•初选截面•作用效应计算•内力组合•构件设计•调整截面•… 5.门式刚架构件设计• 板件宽厚比–H形钢受压翼缘板宽厚比–H形钢腹板高厚比 5.门式刚架构件设计–抗剪强度&板件失稳–腹板抗剪承载力hw - 腹板平均高度；δhw<60mm/mtw - 腹板厚度；• 屈曲后强度 5.门式刚架构件设计–腹板屈曲后抗剪强度设计值• 屈曲后强度 5.门式刚架构件设计–反应腹板受剪时稳定性的参数• 屈曲后强度 5.门式刚架构件设计–板件在剪应力作用下的屈曲系数a – 横向加劲肋间距；无加劲肋时• 屈曲后强度 5.门式刚架构件设计–腹板屈曲后，按有效宽度计算截面特性•腹板受拉区全部有效•腹板受压区有效宽度ρ– 有效宽度系数；• 屈曲后强度 5.门式刚架构件设计–有效宽度系数ρ• 屈曲后强度 5.门式刚架构件设计–反应腹板受压时稳定性的参数• 屈曲后强度 5.门式刚架构件设计–板件在正应力下屈曲系数其中• 屈曲后强度 5.门式刚架构件设计有效高度的分布 5.门式刚架构件设计–有效宽度的分布• 屈曲后强度 5.门式刚架构件设计–受弯构件•剪力V+弯矩M–压弯构件•剪力V+弯矩M+轴力N• 构件强度设计 5.门式刚架构件设计–受弯构件• 构件强度设计双轴对称截面 5.门式刚架构件设计–压弯构件• 构件强度设计双轴对称截面 5.门式刚架构件设计–较大固定集中荷载作用处及翼缘转折处–其它位置根据计算需要确定–利用腹板屈曲后抗剪强度时, a=hw~2hw–加劲肋应按轴心受压构件验算•N=P+Ns；计算长度hw•截面为加劲肋和两侧宽B腹板• 构件横向加劲肋设置 5.门式刚架构件设计–截面高度线性变化的刚架柱• 变截面柱平面内计算长度–计算长度系数确定•查表法-用于柱脚铰接的刚架柱•一阶分析法•二阶分析法 5.门式刚架构件设计–单跨刚架楔形边柱• 变截面柱平面内计算长度查表法 5.门式刚架构件设计• 变截面柱平面内计算长度查表法 5.门式刚架构件设计–多跨刚架楔形边柱（中柱为摇摆柱）• 变截面柱平面内计算长度查表法–摇摆柱计算长度系数为1.0 5.门式刚架构件设计• 刚架柱平面内稳定性–钢结构规范压弯构件平面内稳定性 5.门式刚架构件设计• 刚架柱平面外稳定性 5.门式刚架构件设计• 刚架柱平面外稳定性 5.门式刚架构件设计–平面内按压弯构件计算强度•坡度<1:5,轴力很小–平面外按压弯构件计算稳定•计算长度L：受压翼缘最大侧向支撑点间距•隅撑•L 35mm ）• 高强螺栓-端板节点设计高强螺栓 6.门式刚架节点设计• 高强螺栓-端板节点设计高强螺栓抗剪承载力设计值承压承载力设计值抗拉承载力设计值单个螺栓（承压型高强螺栓）： 6.门式刚架节点设计–高强螺栓群设计：M/V/N（不是构件内力）–计算方法：端板塑性分析/端板弹塑性分析/端板刚性分析–上下翼缘两侧各布置两对螺栓时，每个螺栓所受拉力可简化计算为：• 高强螺栓-端板节点设计高强螺栓 6.门式刚架节点设计• 高强螺栓-端板节点设计高强螺栓同时受剪、受拉的螺栓应满足相关公式为避免螺栓孔壁承压破坏，螺栓所受剪力还应满足 6.门式刚架节点设计–端板大小•梁柱截面•高强螺栓布置–端板厚度 •按端板塑性分析方法确定•厚度不宜小于16mm• 高强螺栓-端板节点设计端板设计 6.门式刚架节点设计–端板塑性分析方法•以螺栓拉力作用下端板屈服为极限状态；•根据平衡原理进行计算；•端板的屈服线分布由端板支承条件及螺栓布置确定；• 高强螺栓-端板节点设计端板设计 6.门式刚架节点设计端板屈服线 6.门式刚架节点设计–端板塑性分析方法•以螺栓拉力作用下端板屈服为极限状态；•根据平衡原理进行计算；•端板的屈服线分布由端板支承条件及螺栓布置确定；–端板厚度应根据各区域支承条件计算• 高强螺栓-端板节点设计端板设计 6.门式刚架节点设计–端板厚度计算公式•悬臂类端板• 高强螺栓-端板节点设计端板设计•无加劲肋类端板 6.门式刚架节点设计–端板厚度计算公式•两边支承类端板，端板外伸时• 高强螺栓-端板节点设计端板设计•两边支承类端板，端板平齐时 6.门式刚架节点设计–端板厚度计算公式•三边支承类端板，• 高强螺栓-端板节点设计端板设计 6.门式刚架节点设计–伸臂类端板厚度公式推导• 高强螺栓-端板节点设计端板设计 6.门式刚架节点设计伸臂类端板厚度公式推导 6.门式刚架节点设计• 高强螺栓-端板节点设计–梁柱刚接节点域腹板抗剪验算端板设计–不满足要求时，应加厚腹板或设置斜加劲肋 6.门式刚架节点设计–铰接柱脚•无吊车，楔形边柱•摇摆柱，等截面柱–刚接柱脚•有吊车，等截面柱• 柱脚节点 铰接柱脚 刚接柱脚 6.门式刚架节点设计–柱脚底板•大小（A*B）：混凝土抗压；•厚度（t）：底板受弯；–肋板–连接焊缝• 柱脚节点 6.门式刚架节点设计–锚栓设计•材料：Q235/Q345;•直径不小于24mm，双螺帽；•锚固长度：设置弯钩/锚板；•应考虑柱间支撑传至柱脚的拉力；•单个锚栓的抗拉承载力：• 柱脚节点 6.门式刚架节点设计–抗剪键设计•锚栓不抗剪;•剪力由摩擦力和抗剪键承担;• 柱脚节点 6.门式刚架节点设计• 摇摆柱与斜梁连接节点 7.其它构件及节点设计• 檩条• 墙梁• 柱间支撑• 屋面水平支撑• 抗风柱•隅撑 7.其它构件及节点设计–檩条间距•根据屋面板跨度确定，1.5m左右–檩条截面形式•一般采用实腹式构件，C形和Z形冷弯薄壁型钢；•跨度大于9m时，可采用格构式构件；• 檩条及节点设计 7.其它构件及节点设计–拉条/撑杆设置•跨度>4m，宜在跨中设置一道拉条/撑杆； •跨度>6m，应在三分点各设置一道拉条/撑杆； •每道拉条/撑杆应通过斜拉条与刚性檩条连接；•拉条由圆钢制作，直径>=10mm；•撑杆采用钢管/钢，按压杆刚度选择截面；•拉条/撑杆尽量设在距檩条受压翼缘1/3腹板高度范围内；• 檩条及节点设计 7.其它构件及节点设计–檩条设计•檩条为双向受弯构件•檩条可以设计为简支梁或连续梁•檩条设计应考虑的荷载及荷载组合：–1.2*永久+1.4*max（屋面活荷，雪荷）–1.2*永久+1.4*施工检修集中荷载–1.0*永久+1.4*风荷载（吸力）• 檩条及节点设计 7.其它构件及节点设计–檩条设计•檩条内力计算–Mx,Vx:简支梁（对接）/连续梁（搭接）–My,Vy:拉条为侧向支撑点，按简支梁/连续梁•不考虑荷载不均匀分布• 檩条及节点设计 7.其它构件及节点设计–檩条设计•檩条截面验算屋面板能阻止檩条的失稳和扭转时，仅需进行强度验算• 檩条及节点设计–截面特性均按有效净截面计算 7.其它构件及节点设计–檩条设计•檩条截面验算屋面板不能阻止檩条的失稳和扭转时，应进行整体稳定性验算• 檩条及节点设计–截面特性均按有效净截面计算 7.其它构件及节点设计–檩条设计•檩条截面验算整体稳定系数按GB50018的规定计算• 檩条及节点设计 7.其它构件及节点设计–檩条设计•檩条截面验算 风吸力使檩条下翼缘受压时，因根据屋面能否阻止上翼缘失稳按规程附录E验算檩条稳定性。
• 檩条及节点设计 7.其它构件及节点设计–檩条设计•檩条变形验算：验算垂直于屋面方向的挠度• 檩条及节点设计檩条允许挠度: l/150; l/240; l/360 7.其它构件及节点设计–檩条节点构造：对接节点• 檩条及节点设计 7.其它构件及节点设计–檩条节点构造：搭接节点• 檩条及节点设计 7.其它构件及节点设计–墙梁间距•根据墙面板跨度确定，1.5m左右–墙梁截面形式•一般采用C形冷弯薄壁型钢–墙梁布置应考虑门窗设置的要求–可以设置拉条减小墙梁竖向挠度• 墙梁及节点设计 7.其它构件及节点设计–墙梁设计•墙梁为双向受弯构件–水平风荷载+竖向永久荷载•墙面板一般直接落地与基础或防撞墙相连，此时竖向荷载仅包括墙梁自重•墙梁设计及节点构造参见檩条相关内容• 墙梁及节点设计 7.其它构件及节点设计–柔性柱间支撑•Φ20圆钢/交叉支撑/张紧装置–刚性柱间支撑•型钢，设有桥式吊车时采用–角度30~60度/约45度；刚架较高时，可分层设置或采用其它形式的支撑或纵向刚架；• 柱间支撑设计 7.其它构件及节点设计–柱间支撑的内力计算•纵向荷载：风/吊车/地震•计算模型：支承于柱脚基础的悬臂桁架•纵向荷载由多道柱间支撑共同分担–柱间支撑的截面验算•交叉支撑按拉杆设计•非交叉支撑按压杆设计• 柱间支撑设计 7.其它构件及节点设计–屋面水平支撑一般为柔性支撑：•Φ20圆钢/交叉支撑/张紧装置；•角度30~60度/约45度• 屋面水平支撑设计 7.其它构件及节点设计–屋面水平支撑的内力计算•纵向荷载：风/地震•计算模型：支承于柱顶的水平桁架•纵向荷载由多道屋面水平支撑共同分担–屋面水平支撑的截面验算•交叉支撑按拉杆设计• 屋面水平支撑设计 7.其它构件及节点设计–抗风柱一般采用等截面H形钢构件–抗风柱承受的荷载：•竖向永久荷载：自重+山墙的墙板重（山墙落地则无）•水平荷载：山墙风荷载–抗风柱柱脚：铰接柱脚–抗风柱与刚架连接：一般为柔性连接•只传递水平力，不传递竖向力• 抗风柱设计 7.其它构件及节点设计–抗风柱一般采用等截面H形钢构件–抗风柱承受的荷载：•竖向永久荷载：自重+山墙的墙板重（山墙落地则无）•水平荷载：山墙风荷载–抗风柱柱脚：铰接柱脚–抗风柱与刚架连接：一般为柔性连接•只传递水平力，不传递竖向力• 抗风柱设计 7.其它构件及节点设计–抗风柱内力计算：•两端简支；–抗风柱截面设计：•压弯构件/受弯构件• 抗风柱设计 7.其它构件及节点设计–隅撑的作用：•为斜梁的受压下翼缘提供侧向支承–隅撑通常采用单角钢截面构件–隅撑的间距• 隅撑设计 7.其它构件及节点设计–隅撑内力：• 隅撑设计*成对布置时，每根隅撑为计算值的一半–隅撑截面验算：•按轴心受压构件设计•单角钢单面连接稳定性验算 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 8.制作与安装 。