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1、门式刚架轻钢结构设计技术门式刚架轻钢结构设计技术0. 引言引言1. 门式刚架轻钢结构技术概述门式刚架轻钢结构技术概述1.1 钢结构建筑在我国的发展情况钢结构建筑在我国的发展情况1.2 门式刚架轻钢房屋的技术特点门式刚架轻钢房屋的技术特点1.2.1 门式刚架轻型房屋钢结构组成门式刚架轻型房屋钢结构组成 （1）主刚架系统：梁和柱+支撑 吊车梁系统：吊车梁+制动结构 （2）次结构系统：檩条和墙梁+拉条 （3）围护结构：屋面板和墙面板+各种泛水、包边板1.2.2 主刚架系统：主刚架系统： （1 1）平面受力体系，仅承受平面内各种荷载，）平面受力体系，仅承受平面内各种荷载， （2 2）支撑体系解决刚架平
2、面外的荷载及刚度）支撑体系解决刚架平面外的荷载及刚度 （3 3）主刚架支承次结构传来的荷载，但同时次结构反）主刚架支承次结构传来的荷载，但同时次结构反过来对主刚架提供侧向支撑作用以解决其稳定问题。过来对主刚架提供侧向支撑作用以解决其稳定问题。传力路径分析：山墙上的风荷载是如何传递的？传力路径分析：山墙上的风荷载是如何传递的？1. 2. 3 次结构系统次结构系统次结构指屋面檩条和墙梁，它们支承围护板传来次结构指屋面檩条和墙梁，它们支承围护板传来的荷载，但同时围护板反过来对次结构提供侧向的荷载，但同时围护板反过来对次结构提供侧向支撑作用以提高其稳定；次结构受主刚架支承，支撑作用以提高其稳定；次结构
3、受主刚架支承，但同时对主刚架提供侧向支撑作用解决其稳定问但同时对主刚架提供侧向支撑作用解决其稳定问题。题。1. 2. 4 围护板系统围护板系统 围护板承受风、雨、雪、施工等荷载，受到次结围护板承受风、雨、雪、施工等荷载，受到次结构支承，但反过来约束次结构提高了次结构的稳定。构支承，但反过来约束次结构提高了次结构的稳定。 这三大结构系统组成一个完整的全钢结构体系，这三大结构系统组成一个完整的全钢结构体系，它们之间的相互支持、约束关系，使得这种结构体它们之间的相互支持、约束关系，使得这种结构体系可以得到非常经济合理的结构形式，得到极为广系可以得到非常经济合理的结构形式，得到极为广泛的应用。泛的应用
4、。1.2.5 与普通钢结构相比的技术特点：与普通钢结构相比的技术特点：（1 1）结构自重轻，上拨风吸力大于屋盖自重，需）结构自重轻，上拨风吸力大于屋盖自重，需考虑风吸力作用下的工况考虑风吸力作用下的工况（2 2）地震力一般不控制设计，使结构能够做得轻）地震力一般不控制设计，使结构能够做得轻巧细长巧细长（3 3）围护板之蒙皮效应作用，使结构具有良好的）围护板之蒙皮效应作用，使结构具有良好的空间效果空间效果2. 门式刚架轻钢结构设计基本理门式刚架轻钢结构设计基本理念念2.12.1门式刚架的使用范围：门式刚架的使用范围：门式刚架的使用范围：门式刚架的使用范围：1 1、主要承重结构：单跨或多跨实腹门式
5、刚架；、主要承重结构：单跨或多跨实腹门式刚架；、主要承重结构：单跨或多跨实腹门式刚架；、主要承重结构：单跨或多跨实腹门式刚架；2 2、具有轻型屋盖和轻型外墙；、具有轻型屋盖和轻型外墙；、具有轻型屋盖和轻型外墙；、具有轻型屋盖和轻型外墙；3 3、无桥式吊车或有起重量不大于、无桥式吊车或有起重量不大于、无桥式吊车或有起重量不大于、无桥式吊车或有起重量不大于20t20t的的的的A1A5A1A5工工工工作级别吊车或作级别吊车或作级别吊车或作级别吊车或5t5t悬挂吊起重机（悬挂吊起重机（悬挂吊起重机（悬挂吊起重机（3t3t）; ;4 4、刚架单跨跨度不大于、刚架单跨跨度不大于、刚架单跨跨度不大于、刚架单
6、跨跨度不大于36m36m，檐口高度不大于，檐口高度不大于，檐口高度不大于，檐口高度不大于18m18m，柱距不大于，柱距不大于，柱距不大于，柱距不大于12m;12m;5 5、门式刚架房屋的外墙也可以为砌体，相关要求、门式刚架房屋的外墙也可以为砌体，相关要求、门式刚架房屋的外墙也可以为砌体，相关要求、门式刚架房屋的外墙也可以为砌体，相关要求见见见见CECS102 CECS102 第第第第4.4.34.4.3条条条条6 6、由于构件截面较薄，不适于有强侵蚀介质的环、由于构件截面较薄，不适于有强侵蚀介质的环、由于构件截面较薄，不适于有强侵蚀介质的环、由于构件截面较薄，不适于有强侵蚀介质的环境。境。境。
7、境。钢结构应进行哪些方面的计算？钢结构应进行哪些方面的计算？钢结构应进行哪些方面的计算？钢结构应进行哪些方面的计算？2.2 强度设计概念强度设计概念 （1 1）线弹性理论概念）线弹性理论概念 （2 2）钢材弹塑性的重要性）钢材弹塑性的重要性 （3 3）动荷载作用下的疲劳强度）动荷载作用下的疲劳强度2.3 构件整体稳定设计概念构件整体稳定设计概念2.3.1 弯扭失稳的物理意义弯扭失稳的物理意义2.3.2 提高构件整体稳定的措施提高构件整体稳定的措施(1) 加宽受压翼缘 (2) (2) 加侧向支撑加侧向支撑侧向支撑需满足受力条件（包括稳定条件）： 侧向支撑需满足刚度条件：弹性支座刚度2.3.3.
8、整体稳定计算要点整体稳定计算要点(1) 稳定曲线的意义稳定系数的概念：稳定系数与长细比有一一对应关系。 (2) 计算稳定的关键是解决计算长度问题对于杆件系统，基本以支撑节点间距作为计算长度；对于刚架系统，判断有无侧移非常重要：强支撑（无侧移）、弱支撑、无支撑（有侧移）；钢结构设计规范附录D计算长度是一个相对的概念：当某柱轴压力大，受到无轴压力的柱子支持时，稳定性增加，意味计算长度要减少；反之，无轴压力的柱子支持其他有轴压力柱子时，稳定性减少，意味计算长度要增加。 有兴趣可比较一下有兴趣可比较一下钢规钢规与与门规门规的计算长度区的计算长度区别；别；(3) (3) 压弯构件的稳定计算：压弯构件的稳
9、定计算：平面内平面内: :平面外：平面外： 大头与小头问题，除大头与小头问题，除MMx x 和和WWex ex 用大头外，其余的计用大头外，其余的计算全部按小头算全部按小头( (包括包括 b b) )；问：屋面斜梁需要计算平面内稳定吗？问：屋面斜梁需要计算平面内稳定吗？问：屋面斜梁需要计算平面内稳定吗？问：屋面斜梁需要计算平面内稳定吗？2.4 局部稳定设计概念局部稳定设计概念2.4.1 局部失稳的物理意义局部失稳的物理意义 2.4.2 2.4.2 提高局部稳定的办法提高局部稳定的办法提高局部稳定的办法提高局部稳定的办法 (1) (1) 减小高厚比，宽厚比：加厚板件用钢量增加；减小高厚比，宽厚比
10、：加厚板件用钢量增加； (2) (2) 设横向加劲肋设横向加劲肋: : 针对什么情况？针对什么情况？ (3) (3) 设纵向加劲肋：针对什么情况？设纵向加劲肋：针对什么情况？2.4.3 局部稳定计算局部稳定计算构造措施与计算结合构造措施与计算结合问问问问：如何理解开根号的意义？如何理解开根号的意义？如何理解开根号的意义？如何理解开根号的意义？用用用用Q235 Q235 的钢材能否用的钢材能否用的钢材能否用的钢材能否用Q345Q345替换？替换？替换？替换？局部稳定曲线2.4.4 屈曲后强度利用：屈曲后强度利用： (1)全张拉应力场 利用加劲肋和梁翼缘的刚度（2） 有效截面设计方法有效截面设计方
11、法2.5 刚度条件设计概念刚度条件设计概念2.5.1 为使用状况考虑的刚度条件为使用状况考虑的刚度条件控制构件的变形注意用钢量问题2.5.2 为稳定考虑的刚度条件：为稳定考虑的刚度条件： （1）整体刚架：P-效应问题； (2) 支撑的刚度：保证对被支撑构件提供稳定（3）构件刚度：关于控制压杆的长细比问题3. 门式刚架轻钢结构实用设计门式刚架轻钢结构实用设计 方法及其问题讨论方法及其问题讨论3.1 初步确定设计方案初步确定设计方案（1）根据建筑设计图确定柱网布置：跨度、柱）根据建筑设计图确定柱网布置：跨度、柱距和建筑高度。距和建筑高度。（2）根据以下原则确定柱底是刚接或铰接）根据以下原则确定柱底
12、是刚接或铰接 吊车吨位是否超过吊车吨位是否超过5吨吨 檐口高度是否超过檐口高度是否超过10m 是否有夹层是否有夹层3.2 主刚架设计主刚架设计3.2.1 主刚架斜梁的平面外计算长度主刚架斜梁的平面外计算长度（1 1）按隅撑作为斜梁平面外支撑点存在的问题）按隅撑作为斜梁平面外支撑点存在的问题（相对刚度问题）：（相对刚度问题）：CECS102CECS102的规定的规定: :隅撑的间距作为受压翼缘平面隅撑的间距作为受压翼缘平面外的计算长度外的计算长度隅撑隅撑- -檩条体系的临界弯矩檩条体系的临界弯矩钢结构平面外稳定钢结构平面外稳定纯弯梁的临界弯矩： 当 ，隅撑可作为斜梁平面外的支撑点。（2 2）实用
13、的设计方法：）实用的设计方法：以斜梁受压翼缘面积不大于以斜梁受压翼缘面积不大于A Ac c=3000=3000mmmm2 2（Q345Q345）, ,斜梁受压翼缘面积不大于斜梁受压翼缘面积不大于A Ac c=3600=3600mmmm2 2（Q235Q235）为界）为界判断其平面外计算长度；判断其平面外计算长度；（3 3）当斜梁受压翼缘较大时，考虑到实际结构存在的）当斜梁受压翼缘较大时，考虑到实际结构存在的初始缺陷，可以以隅撑间距乘以一个大于初始缺陷，可以以隅撑间距乘以一个大于1 1的修正系数的修正系数作为斜梁的平面外计算长度。作为斜梁的平面外计算长度。3.2.2 钢钢混凝土组合楼盖梁的设计混
14、凝土组合楼盖梁的设计（1）次梁的设计要点 简支梁，抗剪栓钉（2 2）主梁的设计要点）主梁的设计要点 固端梁，在端头混凝土受拉开裂弯矩释放，是否固端梁，在端头混凝土受拉开裂弯矩释放，是否考虑按组合梁设计？考虑按组合梁设计？（3 3）楼面混凝土沿主梁的开裂问题）楼面混凝土沿主梁的开裂问题3.2.3 门式刚架的刚度设计门式刚架的刚度设计（1 1）刚度条件对用钢量的影响）刚度条件对用钢量的影响（2 2）确定柱底刚接与铰接的）确定柱底刚接与铰接的3 3个主要因素：个主要因素： 当出现吊车吨位当出现吊车吨位5 5吨以上、有夹层、檐高吨以上、有夹层、檐高10 10 米以米以 上三种情况之一时，需考虑柱底刚接
15、。上三种情况之一时，需考虑柱底刚接。（3 3）带吊车的刚架侧移限制：）带吊车的刚架侧移限制： 空操：空操：h/400h/400 地操：地操：h/180(h/180(轻中轻中) )及及h/400 (h/400 (重重) )（4 4）屋面梁的挠度限制）屋面梁的挠度限制（5 5）楼层（夹层）梁的挠度限制）楼层（夹层）梁的挠度限制（6 6）应根据墙体结构考虑刚架柱顶位移限制条件：）应根据墙体结构考虑刚架柱顶位移限制条件： 砌体墙：砌体墙：h/100h/100，轻型刚墙板，轻型刚墙板h/60h/60（7 7）柱子长细比限值：带吊车的上柱计算长度，）柱子长细比限值：带吊车的上柱计算长度，钢钢结构设计规范结
16、构设计规范中关于柱的计算长度未考虑横梁的影响。中关于柱的计算长度未考虑横梁的影响。（8 8）设置纵向水平支撑，提高结构的整体作用）设置纵向水平支撑，提高结构的整体作用3. 2. 4 构件的局部稳定设计构件的局部稳定设计 （1 1）轻钢结构的加劲肋问题：）轻钢结构的加劲肋问题： 当当 可按可按 条件判断是否条件判断是否设加劲肋设加劲肋 ( (适用条件在弹性范围内）适用条件在弹性范围内）（2 2）考虑构件的受弯计算，考虑构件的受弯计算，规程规程 CECS102CECS102中的参数中的参数 用于计算用于计算有效截面，有效截面，6.1.16.1.1条第条第4 4款公式中的换算高厚比款公式中的换算高厚
17、比应按应按fy=1.1 fy=1.1 计算才合理。计算才合理。（3 3）考虑构件的受剪计算，）考虑构件的受剪计算，规程规程 CECS102CECS102直接采用局部屈曲稳定直接采用局部屈曲稳定曲线，根据换算高厚比曲线，根据换算高厚比 计算相应的临界剪力计算相应的临界剪力 。（4）关于腹板高厚比不超过 60mm/m的问题（规程CECS102的规定）（5）关于抗震构造措施：高厚比，宽厚比3.2.5 山墙框架的设计山墙框架的设计（1 1）山墙架受力及结构特点）山墙架受力及结构特点 山墙面风荷载作用山墙面风荷载作用 抗风柱的设置抗风柱的设置是否采用弹簧板与柱子连接？是否采用弹簧板与柱子连接？（2）抗风
18、柱的设计：柱子怎么放？挠度限制怎么考虑？（3 3）山墙框架角柱的计算长度问题：）山墙框架角柱的计算长度问题： 加柱间支撑，按无侧移考虑加柱间支撑，按无侧移考虑。（4 4）用冷弯薄壁型钢做山墙架的）用冷弯薄壁型钢做山墙架的3 3个条件：个条件： 无吊车无吊车 无夹层无夹层 檐高较小檐高较小( (不大于不大于8m8m）3.2 支撑设计支撑设计3.2.1 屋面横向水平支撑屋面横向水平支撑 （1 1）两种计算模式：）两种计算模式： a) a) 普通钢结构设计手册模式（对应荷载规范普通钢结构设计手册模式（对应荷载规范B5009B5009） 仅计算一面山墙的风荷载仅计算一面山墙的风荷载 b) CECS10
19、2b) CECS102模式：模式： 计算二面山墙的风荷载计算二面山墙的风荷载 利用一个假定将超静定结构转化为静定结构计算利用一个假定将超静定结构转化为静定结构计算 CECS102 6.5.3CECS102 6.5.3：纵向力在（多道）支撑间可按均：纵向力在（多道）支撑间可按均匀分布考虑。匀分布考虑。3.2.2 屋面纵向水平支撑屋面纵向水平支撑 （1 1）在什么情况下应布置屋面纵向水平支撑？）在什么情况下应布置屋面纵向水平支撑？ a) a) 当横向水平力不是均匀分布且对横向刚度要当横向水平力不是均匀分布且对横向刚度要 求较严时求较严时 b) b) 当建筑需抽柱设置托架梁时当建筑需抽柱设置托架梁时
20、 c) c) 当建筑物的刚架平面内刚度有突变时当建筑物的刚架平面内刚度有突变时 d) d) 在刚架柱之间设有墙架柱在刚架柱之间设有墙架柱（2 2）除以上情况外，尚应针对以下情况，考虑是）除以上情况外，尚应针对以下情况，考虑是 否设置屋面纵向水平支撑：否设置屋面纵向水平支撑： 近海边地区和内地的台风地区；近海边地区和内地的台风地区； 超过超过36m36m的大跨度刚架；的大跨度刚架； 檐高超过檐高超过15m15m； 建筑平面为凹凸型，非矩型的不规则形状；建筑平面为凹凸型，非矩型的不规则形状； 刚架间距大于刚架间距大于10m10m；当同时有以上两种情况应设通长的屋面纵向水平当同时有以上两种情况应设通
21、长的屋面纵向水平支撑。支撑。(3) (3) 屋面纵向水平支撑设置的位置屋面纵向水平支撑设置的位置 宜与屋面横向水平支撑设置在同一平面内宜与屋面横向水平支撑设置在同一平面内问：对于抽柱托架梁的纵向水平支撑应设何处？问：对于抽柱托架梁的纵向水平支撑应设何处？问：对于抽柱托架梁的纵向水平支撑应设何处？问：对于抽柱托架梁的纵向水平支撑应设何处？ 3.2.3 柱间支撑的设计柱间支撑的设计 (1)支撑按拉杆设计 (2）不同刚度的支撑不应混合使用 (3)超过5吨吊车的厂房柱子不宜用圆钢支撑3.2.4 支撑传力偏心问题支撑传力偏心问题（1）屋面支撑位置（2）柱间支撑位置3.2.5 圆钢支撑的构造圆钢支撑的构造
22、（1 1）用花篮螺栓张紧：可不考虑长细比）用花篮螺栓张紧：可不考虑长细比（2 2）端部楔型垫块构造）端部楔型垫块构造: : 使圆钢轴向受力使圆钢轴向受力（3 3）腹板焊加强垫片：如果腹板相对过薄才需考）腹板焊加强垫片：如果腹板相对过薄才需考 虑，避免腹板局部破坏。虑，避免腹板局部破坏。3.2.6 关于隅撑的内力计算问题：关于隅撑的内力计算问题：陈绍蕃陈绍蕃钢结构稳定设计指南钢结构稳定设计指南 N=1.56/100Ncr,Ncr=Af3.2.7 抽柱设置托架梁时刚架计算方法抽柱设置托架梁时刚架计算方法：如何模拟托架梁对屋面梁的支承作用？如何模拟托架梁对屋面梁的支承作用？(1) 计算出在屋面梁的荷
23、载作用下托架梁的下挠(2) 用一个弹性支座或一个虚拟的柱子替代这根托架梁，这个弹性支座或虚拟的柱子在同样的荷载作用下产生同样的位移。 由虚拟柱子（或弹簧支座）代替托架梁的刚度（针对计由虚拟柱子（或弹簧支座）代替托架梁的刚度（针对计算刚架内力）：算刚架内力）：（ 为托架梁长；为托架梁长； 为托架梁惯性矩；为托架梁惯性矩； 为虚拟柱截为虚拟柱截面积；面积； 为虚拟柱长，柱子上下铰接）为虚拟柱长，柱子上下铰接） (3)将抽柱刚架与不抽柱刚架串联起来，由 虚拟柱子（或弹簧支座）代替托架梁的刚度，分别加上各自的荷载，可一次性计算得到内力和位移。问：如果抽两个柱（一托架梁支承两个屋架梁），问：如果抽两个柱（一托架梁支承两个屋架梁），问：如果抽两个柱（一托架梁支承两个屋架梁），问：如果抽两个柱（一托架梁支承两个屋架梁），该怎么考虑？该怎么考虑？该怎么考虑？该怎么考虑？注：冶金工业部注：冶金工业部注：冶金工业部注：冶金工业部钢筋混凝土柱设计规程钢筋混凝土柱设计规程钢筋混凝土柱设计规程钢筋混凝土柱设计规程YS09-YS09-7878第第第第3939条、条、条、条、4040条、条、条、条、4141条推荐的方法条推荐的方法条推荐的方法条推荐的方法
