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1、1引言自进入20世纪90年代以来，我国钢结构建筑的发展十分迅速，特别是一些代表城市标志性高层建筑的建成，为钢结构在我国的发展揭开了新的一页。当今社会已进入一个节约、可持续发展的阶段。从可持续发展的战略考虑，选用对资源和能源消耗尽可能少、对生态环境影响小、循环再生利用率高的生态环境建筑材料是21世纪发展新型建筑体系的大趋势。钢材属于生态环境材料，是人们知道的最易于回收的材料。据不完全统计，20世纪60年代和70年代生产的钢约有一半已经被回收再利用。随着工业技术的不断进步，用回收的钢铁炼钢所需能源是直接用铁矿石炼钢所需能源的1/ 3 左右。钢铁企业持续不断的环保投资表明，钢能满足现代环境标准，因而
2、钢材是良好的建筑材料。而其中的轻型钢结构由于其灵活面广，用钢量小，现场安装简便迅速，施工周期短，因而在国内市场中应用越来越广泛，受到广大用户的认可及好评。轻钢结构主要构件钢板厚度：10MM。轻钢也是一个比较含糊的名词，一般可以有两种理解。一种是现行钢结构设计规范中第十一章“圆钢、小角钢的轻型钢结构”，是指用圆钢和小于L454和L56364的角钢制作的轻型钢结构，主要在钢材缺乏年代时用于不宜用钢筋混凝土结构制造的小型结构，现已基本上不大采用，所以这次钢结构设计规范修订中已基本上倾向去掉。另一种是门式刚架轻型房屋钢结构技术规程所规定的具有轻型屋盖和轻型外墙的单层实腹门式刚架结构，这里的轻型主要是指
3、围护是用轻质材料。2 轻钢结构的设计特点2.1设计一般钢结构设计的基本概念：1 . 确定结构方案：结构选型，构件选型 2 . 确定荷载：查规范，算荷载 3 . 计算内力：选用软件计算4 . 验算构件: 1）强度条件 2）稳定条件 3）刚度条件 钢架柱和梁。轻钢结构钢架柱和梁的设计主要应进行梁柱板件的宽厚比限值计算、梁柱构件的强度计算、梁腹板加劲肋的配置、钢架柱整体稳定计算等。钢结构住宅一般为大开间，钢架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应该考虑强柱弱梁的要求。屋面板楼盖设计。在多层轻钢房屋中，楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性。因此，它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是保证和抗侧
4、力结构的空间协调作用；从抗震角度来看，还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。常用的楼盖结构有:压型钢板现浇混凝土组合楼板，现浇钢筋混凝土板以及钢混凝土叠合板，而以第一种最为常用，即在钢梁上铺设压型钢板，再浇筑100 mm150 mm的钢筋混凝土板，压型钢板和钢梁之间用栓钉连接。檩条支撑构件设计。檩条可分为实腹式檩条、空腹式檩条和格构式檩条，优先采用实腹式构件。实腹式檩条宜采用卷边槽形和带斜卷边的Z形冷弯薄壁型钢。檩条一般设计成单跨简支构件，实腹式檩条尚可设计成连续构件。节点设计。框架梁柱节点一般采用两种连接方法，弱轴方向和梁的连接多采用铰接，而强轴方向采用刚接形式。一般均采用在构件端部焊一
5、端板(翼缘和端板应采用全焊透对接焊缝，腹板和端板可采用角焊缝)，然后再用高强度螺栓互相连接。2.2吊车梁的设计关于吊车梁计算的荷载取值：建筑结构荷载规范（GB2009-2001）中第五章已进行了详述，须注意的是，5.1.2条中规定吊车横向水平荷载标准值是根据小车重量和额定起重量之和乘以不同的百分数确定的。荷载规范5.3.1条中规定动力系数的取法，但并不是所有计算中都要乘动力系数，钢结构规范3.1.6条中规定只有在计算强度和稳定性时，动力荷载设计值应乘以动力系数；在计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不乘动力系数。钢结构规范中规定计算吊车梁及其制动结构的疲劳和挠度时，吊车荷载应按作用在跨间内荷载效应
6、最大的一台吊车确定，而在计算强度和稳定时，一般按两台最大吊车的最不利组合考虑；并且只有在重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架才进行疲劳验算。轻型钢结构厂房中采用的吊车,一般起重量都20t，中级或轻级工作制，以单梁桥式吊车和电动葫芦为主。吊车梁均采用焊接工字形截面简支梁，钢材为Q235或Q345,跨度在612m。吊车梁的上翼缘弧采用熔透对接焊缝连接，下翼缘和腹板间可采用角焊缝连接，值得注意的是，在满足焊缝计算要求的前提下，焊缝高度越小越好，这样对减少应力集中防止疲劳破坏等方面均比较有利。吊车梁设计应考虑以下几方面因素：2.2.1正截面抗弯强度应验算最大弯矩截面处上下翼缘的正应力：上翼缘 下
7、翼缘 2-1式中，受压和受拉力计算的对轴净截面抵抗矩；上翼缘对轴的净截面抵抗矩；，竖向荷载和横向水平荷载产生的最大弯矩。2.1.2梁端抗剪强度可按式(2)近似计算：t 2-22.1.3整体稳定性 2-3式中，按受压边计算的对，轴毛截面抵抗矩； 梁的整体稳定系数，按“规范”(GBJ17-88)确定。如果吊车梁上翼缘宽度满足的限值，可不用计算整体稳定性，但轻钢吊车梁的上翼缘宽度都不会超过450mm，一般要进行稳定验算。2.1.4吊车梁挠度吊车梁的竖向挠度可按下列公式近似计算： 2-4式中由全部竖向荷载标准值产生的最大截面弯矩；吊车梁跨度；“规范”(GBJ17-88)规定的挠度限值，对于轻钢吊车梁，
8、可取。考虑到轻钢厂房中吊车起重量小，工作制低，一般需验算吊车梁的疲劳强度。腹板横向加劲肋可按构造要求布置，间距。加劲肋的宽度可取7090mm，厚度为6mm。2.3优化设计2.3.1内力计算影响吊车梁设计的主要吊车参数包括其重量(Q)，最大轮压(P)，轮距(K)，车宽(B)和小车重量(g)。计算吊车垂直和横向荷载时应考虑动力放大系数1.05，荷载分项系数取1.4，另外，在计算垂直荷载时一般可乘以增大系数1.03，考虑吊车梁的横向水平荷载可取。图1最大弯矩计算当单台吊车作用时(图1a)，截面上最大弯矩可按下式计算： 2-5式中，每个轮子产生的竖向和水平荷载的设计值。梁端最大剪力： 2-6两台吊车时
9、(图1b)，一般有3个轮子作用在吊车梁上，截面最大弯矩： 2-7梁端最大剪力： 2-82.3.2截面选择根据吊车梁和架柱的连接构造要求和固定吊车轨道的需要，吊车梁上翼缘的最小宽度应取，下翼缘最小宽度应取，为了便于加工，减小焊接变形，翼缘进取度应取，腹板厚度。腹板的经济高度可根据最大弯矩确定，即： 2-9腹板的经济厚度取 2-10上翼缘尺寸应根据局部稳定性要求确定，即 2-11本文结合各种有吊车轻钢厂房的设计，对常用吊车梁的设计结果进行了优化分析，厂房跨度在1824m，柱距68m，吊车起重量220t，其截面经济尺寸如表1所示。本文的分析结果作为其它吊车梁的初选截面。表1吊和梁截面经济尺寸2.4
10、柱间支撑设计2.4.1柱间支撑的形式纵向水平荷载由各个柱间支撑共同承受，按各柱间支撑的刚度分配受力，因此不同刚度的支撑不应设在同一纵向柱列中，图3.1列有几种常用的支撑形式。首先，交叉支撑最为经济合理，交叉式支撑是一个几何不变体系，见图3.1(a)，其中一杆受拉一杆受压，压杆退出工作，支撑的刚度由拉杆的受力变形所决定，由于构件的轴向受力变形极小，因此这种交叉支撑刚度最大。其次，为人字支撑，见图3.1(b)，人字支撑的两斜杆相交于一点，则水平系杆仅承受轴向力，这种支撑的刚度类似于交叉支撑，但由于两斜杆必须按压杆设计，压杆需考虑稳定问题，因此用钢量增加。如果斜杆不相交于两点，逐步退向柱子，则演变成
11、类似门式刚架，则水平杆受横向力作用变成压弯构件，构件受弯变形大，刚度低，用钢量大。如果设置支撑的开间大，可将压弯构件设计成桁架式，见图3.1(c)，这样的形式，刚度会大一些，用钢量会小一些。如果无斜杆，则是完全的门式支撑，见图3.1(d)，其几何形状可变，此时，要依靠梁柱刚性连接构成受力体系，即依靠节点的抗剪切构成支撑的刚度，此种支撑体系大约是交叉式支撑刚度的10%左右，如果因开设门洞的需要将某列柱的某一个交叉支撑改为门式支撑，因同一列柱顶位移是协调相同的，则该替换的门式支撑大约承担原交叉支撑的10%，这种做法非常不经济，可以取消该处的支撑，重新考虑柱间支撑的布置和受力计算。图3.1 不同的支
12、撑形式（a）交叉支撑；（b）人字支撑；（c）类似门式支撑；（d）完全门式支撑2.4.2 交叉式柱间支撑探讨在进行柱间支撑体系的具体设计时,可以应遵照以下原则:（1) 保证柱间支撑体系能够明确、合理、简捷地传递纵向荷载，尽量缩短传力路径；（2) 使所选计算模型和柱间支撑的实际情况相符合；（3) 方便结构的安装，考虑安装中结构的稳定；（4) 满足必要的强度和刚度要求，具有可靠的连接。在上文中也已经提到，交叉式柱间支撑是四种柱间支撑形式中刚度最大，最为经济合理的支撑体系，基本符合上述原则，所以在现在工程中交叉支撑是最为常见也最具有代表性的。交叉式柱间支撑根据支撑杆件的受力状态，可以分为受拉支撑体系和
13、受压支撑体系。 下面针对这两个体系进行简单的探讨。2.4.3理论状态下交叉式柱间支撑受力分析在现有的单层钢结构厂房设计中，为了充分发挥钢材的抗拉性能，柱间支撑往往仅按受拉杆件设计，即使一些吨位比较大的重级工作制吊车厂房的下柱，其柱间支撑也往往仅按受拉杆件设计。采用该设计方法可以使构件截面较小，长细比较大，从而用钢量较少。理想的受力状态下，柱间支撑的受力体系由仅受拉的柱间支撑、纵向刚性系杆或吊车梁以及柱组成，形成了一个几何不变体系。在纵向水平力P作用下，该几何不变体3轻钢结构住宅体系的优越性轻钢结构建筑也称轻型钢结构建筑，是钢结构建筑的一种，指以轻型冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高频焊接型钢、薄钢板、
14、薄壁钢管、轻型热轧型以及以上各构件拼接、焊接而成的组合构件为主要受力构件，大量采用轻型围护隔离材料的低层和多层建筑。将轻钢结构和住宅结合而得的轻钢结构住宅具有以下优点:3.1 自重轻轻钢结构建筑主要采用热轧H 型钢，这种钢材可根据不同用途合理分配截面尺寸的高宽比，截面模数大，具有优良的力学性能和优越的使用性能，结构强度高。轻钢结构建筑和混凝土结构建筑相比，自重约为后者的1/4，结构构件断面尺寸小，既提高住宅的使用面积率， 又大大减小了地基、基础的受力。3.2 可靠性轻钢住宅可充分发挥钢材的延性好、塑性变形能力强等优点，加之和外围护结构板材结合，形成非常坚固的“板肋结构体系”, 即产生应力蒙皮效应，从而具有更强的抗震能力和抵抗水平荷载的能力，抗震性能是砖混结构的2 倍以上，并可抵抗70 m/s 的飓风。提高住宅的可靠性。3.3
