钢框架设计ppt课件.ppt
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1、v 1.3.1 1.3.1 荷载及荷载组合荷载及荷载组合v 1.3.2 1.3.2 刚架的内力和侧移计算刚架的内力和侧移计算v 1.3.3 1.3.3 刚架柱和梁的设计刚架柱和梁的设计 1.3 1.3 刚架设计刚架设计永久荷载:永久荷载:包括结构构件的自重和悬挂在结构上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、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。吊顶、墙面构件和刚架自重等。 可变荷载:可变荷载:屋面活荷载屋面活荷载 、屋面雪荷载和积灰荷载、屋面雪荷载和积灰荷载 吊车荷载吊车荷载 、地震作用、地震作用 、风荷载。、风荷载。 1
2、.3.1 1.3.1荷载及荷载组合荷载及荷载组合 荷载组合原则: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;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;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;外的其他荷载同时考虑; 多台吊车的组合应符合多台吊车的组合应符合荷载规范荷载规范的规定;的规定; 当需要考虑地震作用时,风荷载不与地震作用同当需要考虑地震作用时,风荷载不与地震作用同时考虑。时考虑
3、。 在进行刚架内力分析时,荷载效应组合主要有:在进行刚架内力分析时,荷载效应组合主要有:组合(组合(1 1):): 1.21.2永久荷载永久荷载+0.9+0.91.41.4 积灰荷载积灰荷载+max+max屋面屋面均布活荷载、雪荷载均布活荷载、雪荷载+0.9+0.91.41.4( (风荷载风荷载+ +吊车吊车竖向及水平荷载竖向及水平荷载) )组合(组合(2 2):): 1.01.0永久荷载永久荷载+1.4+1.4风荷载风荷载 组合组合(1)(1)用于截面强度和构件稳定性计算,用于截面强度和构件稳定性计算, 组合组合(2)(2)用于锚栓抗拉计算。用于锚栓抗拉计算。内力计算原则:内力计算原则: 根
4、据不同荷载组合下内力分析结果,找出控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、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。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:控制截面的内力组合主要有:最大轴压力最大轴压力NmaxNmax和同时出现的和同时出现的M M及及V V的较大值。的较大值。 最大弯矩最大弯矩MmaxMmax和同时出现的和同时出现的V V及及N N的较大值。的较大值。最大弯矩最大弯矩MmaxMmax和同时出现的和同时出现的V V及及N N的较大值。的较大值。 最小轴压力最小轴压力Nmi
5、nNmin和相应的和相应的M M及及V V,出现在永久荷载,出现在永久荷载和风荷载共同作用下,当柱脚铰接时和风荷载共同作用下,当柱脚铰接时M=0M=0。 1.3.2 1.3.2 刚架内力和侧移计算刚架内力和侧移计算侧移计算原则:侧移计算原则: 变截面门式刚架柱顶侧移应采用变截面门式刚架柱顶侧移应采用弹性分析方法确弹性分析方法确定定。计算时荷载取。计算时荷载取标准值标准值,不考虑荷载分项系数。,不考虑荷载分项系数。 如果最后验算时刚架的如果最后验算时刚架的侧移不满足要求,侧移不满足要求,即需要即需要采用下列措施之一进行调整:采用下列措施之一进行调整:放大柱或梁的截面尺寸;放大柱或梁的截面尺寸;改
6、铰接柱脚为刚接柱脚;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。连接形式。梁、柱板件的宽厚比限值:梁、柱板件的宽厚比限值: 工字形截面构件受压翼缘板的宽工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比:厚比:工字形截面梁、柱构件腹板的宽工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比:厚比:yftb235151ywwfth235250 1.3.3 1.3.3 刚架柱和梁的设计刚架柱和梁的设计腹板屈曲后强度利用:腹板屈曲后强度利用: 在进行刚架梁、柱截面设计时,为了节省钢材,在进行刚架梁、柱截面设计时,为了节省钢材,允许腹板发生局部构件的屈曲,并利用其屈曲
7、允许腹板发生局部构件的屈曲,并利用其屈曲后强度。后强度。 腹板的有效宽度: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幅利用屈曲后强度时,应按有效宽度计算其截面几何特性。面几何特性。 有效宽度取值:有效宽度取值:当腹板全部受压时:当腹板全部受压时:当腹板部分受拉时,受拉区全部有效,受压区当腹板部分受拉时,受拉区全部有效,受压区有效宽度为:有效宽度为:wehhcehhhehe:腹板受压区有效宽度;:腹板受压区有效宽度;:有效宽度系数;:有效宽度系数;hchc: : 腹板受压区高度。腹板受压区高度。刚架梁
8、、柱构件的强度计算刚架梁、柱构件的强度计算刚架内力分析刚架内力分析在横向均布荷载作用下,刚架弯矩图如下在横向均布荷载作用下,刚架弯矩图如下刚架弯矩图刚架弯矩图刚架荷载计算简图刚架荷载计算简图q在水平风荷载作用下,刚架弯矩图如下:在水平风荷载作用下,刚架弯矩图如下:荷载计算简图荷载计算简图 刚架弯矩图刚架弯矩图q轻型钢结构是以构件边缘最大压应力达到钢材屈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服点作为临界状态,临界状态,没有考虑塑性发展的影响,没有考虑塑性发展的影响,所以门式刚架一般按弹性理论设计。所以门式刚架一般按弹性理论设计。考虑各种荷载组合内力分析结果,取出考虑各种荷载组合内力分
9、析结果,取出最大荷载最大荷载值值控制设计,对初选截面梁柱按压弯构件进行验控制设计,对初选截面梁柱按压弯构件进行验算。算。正应力验算:正应力验算:剪应力验算:剪应力验算: 式中:式中: 构件有效净截面面积;构件有效净截面面积; 、 对主轴对主轴x x和和y y的有效净截面抵抗矩;的有效净截面抵抗矩; 、 对主轴对主轴x x和和y y的弯矩。的弯矩。efnAefnxWefnyWxMyM弯矩作用平面内:弯矩作用平面内:弯矩作用平面外:弯矩作用平面外:工字形截面受弯构件在工字形截面受弯构件在剪力剪力V V和和弯矩弯矩M M 共同作用下的强度应符合下列要求:共同作用下的强度应符合下列要求: 当当 时时
10、当当 时时 当截面为双轴对称时当截面为双轴对称时215 . 01dfefVVMMMMddVVV5 . 0dVV5 . 0eMM fthAMwff工字形截面受弯构件在工字形截面受弯构件在剪力剪力V V、弯矩弯矩M M和和轴力轴力N N 共同作用下的强度应符合下列要求:共同作用下的强度应符合下列要求: 当当 时时 当当 时时 当截面为双轴对称时当截面为双轴对称时 dVV5 . 0ddVVV5 . 0NeMM eeeNeANWMM215 . 01dNfNeNfVVMMMMANfthAMwfNf梁腹板加劲肋的配置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梁腹板应在中柱连接处
11、、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。但中间加劲肋,根据计算需要确定。但规程规程规定规定, ,当利用腹板屈曲后抗剪强度时,横向加劲肋间距当利用腹板屈曲后抗剪强度时,横向加劲肋间距a a宜宜取取hwhw2hw2hw。 当梁腹板在剪应力作用下发生屈曲后,将以拉力带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。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
12、向加劲肋除承受集中荷载和翼缘转折因此,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。产生的压力外,还要承受拉力场产生的压力。拉力场拉力场 加劲肋稳定性验算按规范规定进行,计算长度加劲肋稳定性验算按规范规定进行,计算长度 取腹板高度取腹板高度hwhw,截面取加劲肋全部和其两侧各,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。接轴心受压构件进行计算。ywft23515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计算: : 变截面柱在刚架平面内的整体稳定按下列公式变截面柱在刚架平面
13、内的整体稳定按下列公式 计算:计算:对于变截面柱,变化截面高度的对于变截面柱,变化截面高度的目的目的是是为了适为了适应弯矩的变化,合理的截面变化方式应使两端应弯矩的变化,合理的截面变化方式应使两端截面的最大应力纤维同时达到限值截面的最大应力纤维同时达到限值。但是实际。但是实际上往往是大头截面用足,其应力大于小头截面,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故公式左端第二项的弯矩M1M1,和有效截面模量,和有效截面模量We1We1应以大头为准。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,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
14、柱的最大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。算比按大头运算安全。 变截面柱在刚架平面内的计算长度变截面柱在刚架平面内的计算长度 截面高度呈线形变化的柱,在刚架平面内的计截面高度呈线形变化的柱,在刚架平面内的计算长度应取为算长度应取为 ,式中,式中 为柱的几何高为柱的几何高度,度, 为计算长度系数。为计算长度系数。 可由下列三种方法确定:可由下列三种方法确定:查表法(适合于手算)查表法(适合于手算)一阶分析法(普遍适用于各种情况,并且适一阶分析法(普遍适用于各种情况,并且适合上机计算合上机计算
15、) )二阶分析法(要求有二阶分析的计算程序)二阶分析法(要求有二阶分析的计算程序)hh0h查表法查表法柱脚铰接单跨刚架楔形柱的柱脚铰接单跨刚架楔形柱的 可由表可由表1-21-2查得。查得。柱的线刚度柱的线刚度K1K1和梁的线刚度和梁的线刚度K2K2分别按下列公式计算:分别按下列公式计算: 表中和式中表中和式中 、 分别为柱小头和大头的截面惯性矩;分别为柱小头和大头的截面惯性矩; 梁最小截面的惯性矩;梁最小截面的惯性矩; 半跨斜梁长度;半跨斜梁长度; 斜梁换算长度系数,见图斜梁换算长度系数,见图1-91-9。当梁为等截面。当梁为等截面时时 =1=1。hIKc11sIKb202coI1cI0bIs
16、 在图在图1-91-9中,中,11和和分别为第一、二分别为第一、二楔形段的斜率。楔形段的斜率。 图图1919楔形梁在刚架平楔形梁在刚架平面内的换算长度系数面内的换算长度系数柱脚铰接楔形柱的计算长度系数柱脚铰接楔形柱的计算长度系数 ,表,表1 12 2 K2Kl 0.1 0.2 O.3 O.5 0.75 1.02.010.0 0.0l0.428 O.368 O.349 0.3310.320 0.318 0.315 0.3100.02 0.600 0.502 0.470 0.4400.428 0.420 O.411 O.4040.03O.729 0.599 O.558 0.5200.50l0.49
17、20.4830.473O.050.931O.756 O.694 0.6440.6180.6060.589 0.5800.071.075 O.873 0.801 0.7420.711 0.697 O.672 O.6500.101.252 1.027 0.935 0.857O.817 0.801 O.790 0.7390.151.5181.235 1.1091.021O.965O.938 O.8950.8720.20 1.7451.395 1.254 1.1401.080 1.045 1.000 0.96910ccII多跨刚架的中间柱为摇摆柱时,边柱的计多跨刚架的中间柱为摇摆柱时,边柱的计算长度应
18、取为算长度应取为 式中式中 放大系数;放大系数; 计算长度系数,由表计算长度系数,由表1 12 2查得,但公式查得,但公式(1(126)26)中的中的 取与边柱相连的一跨横梁的坡面长取与边柱相连的一跨横梁的坡面长度度 ,如图,如图1-101-10所示;所示; 摇摆柱承受的荷载;摇摆柱承受的荷载; 边柱承受的荷载;边柱承受的荷载; 摇摆柱高度;摇摆柱高度; 刚架边柱高度。刚架边柱高度。sblliPfiPlihfih 引进放大系数的原因是:引进放大系数的原因是:当框架趋于侧移或有初当框架趋于侧移或有初始侧倾时,不仅框架柱上的荷载始侧倾时,不仅框架柱上的荷载PfiPfi对框架起倾对框架起倾覆作用,摇
19、摆柱上的荷载覆作用,摇摆柱上的荷载PliPli也同样起倾覆作用。也同样起倾覆作用。这就是说,图这就是说,图1-101-10框架边柱除承受自身荷载的不框架边柱除承受自身荷载的不稳定效应外,还要加上中间摇摆柱荷载效应。因稳定效应外,还要加上中间摇摆柱荷载效应。因此需要根据比值此需要根据比值(Pli(Plihli)hli)(Pfi(Pfihfihfi) )对对边柱计算长度做出调整。边柱计算长度做出调整。 图图1-10 1-10 计算边柱时的斜梁长度计算边柱时的斜梁长度 摇摆柱的计算长度系数取摇摆柱的计算长度系数取1.01.0。对于屋面坡度大于对于屋面坡度大于1 1:5 5的情况,在确定刚架柱的情况,
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