门式刚架结构设计课件.ppt

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1、门式刚架结构设计 1.1.1 1.1 概述概述 1.1.1 单层门式式刚架的架的组成成柱距 主承重骨架 檩条、墙梁 屋面、墙面 支撑2.1.1 1.1 概述概述 1.1.1 单层门式式刚架的架的组成成3.1.1 1.1 概述概述 1.1.1 单层门式式刚架的架的组成成4.1.1 1.1 概述概述 1.1.1 单层门式式刚架的架的组成成5.1.1.2 单层门式式刚架架结构的特点构的特点 质量轻 一般1030kg/m2，基础费用低。地震反应小，注意风吸力工业化程度高，施工周期短 主要构件工厂制作，现场高强螺栓安装综合经济效益高柱网布置比较灵活门式刚架整体性依靠檩条、墙梁和隅撑来保证，支撑多用张紧的

2、圆钢6.梁柱多用变截面，省材 梁、柱腹板利用屈曲后强度 塑性设计不再适用（多个塑性铰）摇摆柱 柱脚约束 应力蒙皮效应 板件较薄 焊接板件 3mm 冷弯构件 1.5mm 压型钢板 0.4mm图图1.2 1.2 1.2 1.2 变变截面截面截面截面门门式式式式刚刚架架架架7.1.1.3 我国工程我国工程应用情况用情况始于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

3、越大，充分展示了这种结构的优越性。8.国家国家标准的制准的制订情况情况冷弯薄壁型冷弯薄壁型钢结构技构技术规范范 1966年版本未年版本未颁布布；TJ18-75 GBJ18-87 GB50018-2002 门式式刚架架轻型房屋型房屋钢结构技构技术规程程 CECS102:98 CECS102:2002 9.1.2 1.2 结构形式构形式 和和结构布置构布置1.2.1 门式式刚架的架的结构形式构形式按跨度：单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的形式按屋面坡脊数：单脊单坡、单脊双坡和多脊多坡图图1.3 1.3 1.3 1.3 门门式式式式刚刚架形式示例（一）架形式示例（一）架形式示例（一）架形式示

4、例（一）10.图图1.3 1.3 1.3 1.3 门门式式式式刚刚架形式示例（二）架形式示例（二）架形式示例（二）架形式示例（二）常做成一个大双坡屋面，避免渗漏和堆雪11.单脊双坡多跨脊双坡多跨刚架架无桥式吊车：中柱多为摇摆摇摆柱柱柱柱有桥式吊车：中柱宜两端刚接截面形式截面形式无桥式吊车：梁、柱可采用变截面或等截面的实腹焊接工字形截面或轧制H形截面有桥式吊车：柱宜采用等截面形式柱脚形式柱脚形式无桥式吊车：多按铰接支承设计，通常为平板支座有桥式吊车：刚接12.坡度坡度1/201/8运运输单元元柱子单独一个，梁可为多个。单元内焊接，单元间可通过端板用高强螺栓连接吊吊车悬挂吊车：起重量不大于3吨桥式

5、吊车：不大于20吨，轻、中级工作制13.1.2.2 结构布置构布置刚架的建筑尺寸和布置 跨度跨度：936m；高度高度：4.59m（室内净空）；柱柱轴线：下端中心线或柱外皮 梁梁轴线：最小截面中线，与上表面平行 柱距柱距：6m，7.5m或9m 挑檐挑檐：0.51.2m 温度区段温度区段：纵向300m，横向150m。设置伸缩缝的方法：双柱；檩条螺栓采用长圆孔 有吊车时设置双柱，加插入距图图1.4 1.4 1.4 1.4 有吊有吊有吊有吊车时车时的插入距的插入距的插入距的插入距14.檩条布置 一般等间距布置，间距由计算确定；屋脊附近双檩（距屋脊200mm）；天沟附近布置一根以固定天沟；考虑天窗、采光

6、带等的具体情况。墙梁布置 考虑门窗、挑檐、雨棚等的具体情况；压型钢板墙面宜布置在柱外；间距由计算确定。15.支撑和刚性系杆布置 布置原布置原则：温度区段 柱间支撑与屋面横向支撑同时设置 位置、间距 高度大时分层设，跨度大时内柱设 刚架转折处 支撑组成水平桁架 支撑形式支撑形式：十字交叉圆钢支撑，夹角300600 型钢支撑16.1.3 1.3 刚架架设计 除除门式式刚架架轻型房屋型房屋钢结构技构技术规程程(CECS 102)有有专门规定外，按定外，按建筑建筑结构荷构荷载规范范(GB50009)采用采用永久荷载 结结构自重构自重构自重构自重：按建筑结构荷载规范GB50009采用 悬悬挂荷挂荷挂荷挂

7、荷载载：按实际情况可变荷载 屋面活荷屋面活荷屋面活荷屋面活荷载载：对压型钢板屋面，按水平投影计，一般取0.5kN/m2，可取可取0.3kN/m2 施工施工施工施工检检修集中荷修集中荷修集中荷修集中荷载载（人和小工具的重力）：1kN，按最不利位置 1.3.1 荷荷载及荷及荷载组合合17.屋面雪荷屋面雪荷屋面雪荷屋面雪荷载载和和和和积积灰荷灰荷灰荷灰荷载载：按GB50009 采用，考虑荷载增大系数和不均匀系数。吊吊吊吊车车荷荷荷荷载载：竖向和水平荷载，按GB50009采用。地震作用地震作用地震作用地震作用：按建筑抗震设计规范 GB50011采用。风风荷荷荷荷载载：按规程，垂直于建筑物表面的风荷载：

8、wk风荷载标准值（kN/m2）；w0基本风压，按建筑结构荷载规范的规定值乘以1.05采用；z风荷载高度变化系数，按建筑结构荷载规范的规定采用；当高度小于10m时，应按10m高度处的数值采用；s风荷载体型系数，考虑内、外风压最大值的组合，含阵风系数。1.4/1.331.4/1.3318.其中 风载体型系数按美国MBMA手册的规定采用。图图1.5 1.5 1.5 1.5 刚刚架的架的架的架的风载风载体型系数分区体型系数分区体型系数分区体型系数分区19.荷荷载效效应组合合:应符合以下原则 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；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；施工

9、或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其它荷载同时考虑；多台吊车的组合应符合GB50009的规定；风荷载不与地震作用同时考虑。20.在进行刚架内力分析时，需要考虑的荷载效应组合有：1.2 永久荷载0.9 1.4 积灰荷载max屋面均布活荷载、雪荷载（风荷载吊车竖向荷载吊车水平荷载）；1.0 永久荷载1.4 风荷载或 1.0 永久荷载1.4 0.9(风荷载吊车荷载）组合(1)用于截面强度和构件稳定计算，(2)用于柱脚锚栓验算。起有利作用者不加，但要注意同时发生的荷载。地震作用组合，一般不控制，计算时可采用底部剪力法，按GB50011计算。21.1.3.2 刚架内力和架内力和侧移移计算算 内力

10、 变截面门式刚架：弹性分析方法全部为等截面构件时：可采用塑性分析方法设计取单榀刚架按平面结构分析内力，一般不考虑应力蒙皮效应，而把它当作安全储备。计算内力时可采用有限元法（直接刚度法）。分段等截面单元或楔形单元。手算校核时，可将变截面构件折算为等截面构件22.控制截面的内力组合（柱顶、底、牛腿处，梁端、跨中）（1）对构件：最大压力Nmax和相应的M和V；（2）对构件：最大弯矩Mmax和相应的N和V；（3）对锚栓：最小压力Nmin和相应的M和V。侧移计算 采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。简化计算公式：参见CECS102 23.侧移限值 在风荷载标准值作用下的刚架柱顶

11、侧向位移不应超过下列限值：不不不不设设吊吊吊吊车车：采用轻型钢板墙时为h/60，采用砌体墙时为h/100，h为柱高；设设有有有有桥桥式吊式吊式吊式吊车车：吊车有驾驶室时为h/400，吊车由地面操作时为h/180。不满足时的措施 放大截面 修改柱脚约束 若有摇摆柱，上端改为刚接24.受弯构件的受弯构件的挠度限度限值 门式刚架斜梁竖向挠度：（L为构件跨度）仅支承压型钢板和檩条 L/180 尚有吊顶 L/240 有悬挂起重机 L/400 屋面坡度改屋面坡度改屋面坡度改屋面坡度改变值变值：屋面坡度的1/3 檩条竖向挠度：仅支承压型钢板 L/150 有吊顶 L/240 压型钢板竖向挠度：承受活荷载或雪荷

12、载 L/150 25.构件构件长细比要求比要求 受压构件：主要构件180，其它构件及支撑220；受拉构件：承受静力荷载时，桁架构件350；吊车梁以下柱间支撑300；其它支撑400；承受动力荷载时250。张紧的圆钢或钢绞线：不限制 26.1.3.3 刚架柱、梁架柱、梁设计 1.3.3.1 梁、柱板件梁、柱板件宽厚比和腹板屈曲后厚比和腹板屈曲后强度度应用用(1)梁柱板件梁柱板件宽厚比限厚比限值 梁柱的翼缘，不能发生局部失稳，要求受压翼缘：对于梁柱的腹板:腹板应按规程要求计算有效宽度。图图1.6 1.6 1.6 1.6 截面尺寸截面尺寸截面尺寸截面尺寸27.(2)腹板屈曲后腹板屈曲后强度利用度利用

13、工字形截面构件腹板的受剪板幅，当腹板高度变化不超过60mm/m时可考虑屈曲后强度（拉力场），其抗剪承载力设计值应按下列公式计算：28.(3)腹板的有效腹板的有效宽度度(工字形截面腹板工字形截面腹板)当腹板全部受压时,he=hw 当腹板部分受拉时，拉区全部有效，压区有效宽度为 he=hc29.图图1.7 1.7 1.7 1.7 有效有效有效有效宽宽度分布度分布度分布度分布30.当腹板边缘最大应力10时 当截面部分受拉，即0时 31.1.3.3.2 刚架梁、柱构件的架梁、柱构件的强度度计算算(1)工字形截面受弯构件在剪力工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩和弯矩M共同作用下的共同作用下的强度度 当V0

14、.5Vd 时 当0.5Vd VVd 时 当为双轴对称截面时 32.(2)工字形截面工字形截面压弯构件在剪力弯构件在剪力V、弯矩、弯矩M和和轴力力N共同作用下共同作用下 当V0.5Vd 时 当0.5Vd VVd 时 当为双轴对称截面时 33.1.3.3.3 梁腹板加梁腹板加劲肋的配置肋的配置 梁腹板应在与中柱连接处、较大集中荷截作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋。其间距a取hw2 hw。中间加劲肋的设置应满足屈曲后强度计算要求。中间加劲肋除承受集中荷载和翼缘转折产生的压力外，还应承受拉力场产生的压力：图图1.8 1.8 1.8 1.8 腹板屈曲后受力模型腹板屈曲后受力模型腹板屈曲后受力模型腹板屈曲

15、后受力模型34.计算长度取腹板高度hw，按两端铰接的轴心受压构件按GB50017计算其稳定性，考虑加紧肋及两侧各 的面积。35.1.3.3.4 变截面柱在截面柱在刚架平面内的整体架平面内的整体稳定定计算算 计算公式为：当柱的最大弯矩不出现在大头时，M1和We1分别取最大弯矩和该弯矩所在截面的有效截面模量。与GB50017差异：(1)无x；(2)弯矩放大系数也有所不同；(3)有效截面特性。大头截面应力较大，故弯矩项以大头截面为准；(A)小头小，轴力小头大，所以轴力项以小头截面为准。36.1.3.3.5 变截面柱在截面柱在刚架平面内的架平面内的计算算长度度 计算长度应取为h0=h，确定方法有3种：

16、查表法、一阶分析法、二阶分析法：查表法表法（1）柱脚铰接，按下表查，表中此表相当于GB50018规范附表A3.2的计算长度系数乘以s为半跨斜梁长度，为斜梁换算长度系数，见1617页37.柱脚铰接楔形柱的计算长度系数 38.（2）多跨刚架中间柱为摇摆柱时，边柱的计算长度为 计算边柱时s取lb；摇摆柱的计算长度系数取为=1.0。坡度大于1：5时，要考虑横梁轴力的不利影响。图图1.9 1.9 1.9 1.9 计计算算算算边边柱柱柱柱时时的斜梁的斜梁的斜梁的斜梁长长度度度度 39.一一阶分析法分析法 由一阶分析侧移刚度K=H/u后，柱计算长度系数为：（1）对单跨对称刚架：当柱脚铰接时 当柱脚刚接时有摇

17、摆柱时乘以 图图1.10 1.10 1.10 1.10 一一一一阶阶分析分析分析分析时时的柱的柱的柱的柱顶侧顶侧移移移移 已乘已乘0.85已乘已乘1.21.2P-系数40.（2）对中间柱为非摇摆柱的多跨刚架：当柱脚铰接时 当柱脚刚接时1.2P-系数41.二二阶分析法分析法：计入P效应 图图1.11 1.11 1.11 1.11 变变截面构件截面构件截面构件截面构件 42.1.3.3.6 变截面柱在截面柱在刚架平面外的整体架平面外的整体稳定定计算算对端弯矩为零的区段 对两端弯曲应力基本相等的区段 为受压翼缘与受压区腹板1/3高度组成的截面绕y轴的回转半径43.1.3.3.7 斜梁和隅撑斜梁和隅撑

18、设计（1）斜梁设计 当斜梁坡度不超过1：5时，在平面内可仅按压弯构件计算强度，在平面外应按压弯构件计算稳定。平面外计算长度，应取侧向支承点间的距离。上翼缘承受集中荷载处不设加劲肋时，验算腹板上腹板上边边缘缘正应力、剪应力和局部压应力共同作用的折算应力外，还应满足下式要求：集中荷载作用下的屈皱m在负弯矩区取1.044.（2）隅撑设计 当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘两侧布置隅撑（端部仅布置一侧）作为斜梁的侧向支承，隅撑的另一侧连在檩条上。图图1.12 1.12 1.12 1.12 隅撑的隅撑的隅撑的隅撑的连连接接接接 45.隅撑按轴心受压构件设计。轴心力为：A实腹斜梁被支承翼支承翼

19、缘缘的面的面积积。当隅撑成对布置时，每根隅撑的计算轴压力可取一半。计算时不用角钢的换算长细比，要考虑单面连接时材料强度的折减。46.梁与柱连接节点、梁与梁拼接节点和柱脚节点。有吊车时还有牛腿节点。（1）刚架梁、柱架梁、柱连接及梁拼接（接及梁拼接（高高高高强强螺栓螺栓螺栓螺栓-端板端板端板端板连连接接接接）斜梁与柱的连接形式：端板竖放、端板斜放和端板平放。斜梁拼接时宜使端板与构件外边缘垂直。1.3.3.8 节点设计 图图1.13 1.13 1.13 1.13 刚刚架梁与柱及梁与梁的架梁与柱及梁与梁的架梁与柱及梁与梁的架梁与柱及梁与梁的连连接接接接 47.斜梁拼接按最大受力斜梁拼接按最大受力计算，

20、且不小于被算，且不小于被连接截面承接截面承载力力的一半；的一半；连接接满足足强度和度和刚度要求；度要求；连接分摩擦型和承接分摩擦型和承压型型连接；接；螺栓成螺栓成对布置，翼布置，翼缘内外各内外各设一排；一排；转动中心在下翼中心在下翼缘形心形心线处；抗剪由受拉力抗剪由受拉力较小螺栓小螺栓 或受或受压螺栓承担；螺栓承担；构造要求，构造要求，35mm;400mm。图图1.14 1.14 1.14 1.14 连连接受力接受力接受力接受力 48.端板的厚度t应根据支承条件按下列公式计算，但不应小于16mm：图图1.15 1.15 1.15 1.15 端板的支承条件端板的支承条件端板的支承条件端板的支承条

21、件 49.原则：螺栓达到极限拉力，板区屈服；设计时改为设计承载力（Nt受拉承载力设计值）50.与翼与翼与翼与翼缘缘板相板相板相板相连连的的的的边视为边视为固定固定固定固定与翼与翼与翼与翼缘缘板相板相板相板相连连的的的的边视为简边视为简支支支支图图1.16 1.16 1.16 1.16 端板外伸与平端板外伸与平端板外伸与平端板外伸与平齐齐51.在门式刚架斜梁与柱相交的节点域，按下式验算剪应力：当不满足上式要求时，应加厚腹板或设置斜加劲肋。52.刚架构件的翼缘与端板的连接，应采用全熔透对接焊缝；腹板与端板的连接，应采用角焊缝。在端板设置螺栓处，应按下列公式验算构件腹板的强度：当 Nt2 0.4P

22、时 当 Nt2 0.4P 时 当不满足上式要求时，可设置腹板加劲肋或局部加厚腹板。N Nt2t2-为轴为轴向拉力向拉力向拉力向拉力设计值设计值53.（2）柱脚柱脚设计 柱脚可采用刚接或铰接形式，前者可节约钢材，但基础费用有所提高，加工、安装也较为复杂。一般情况宜采用平板式铰接柱脚。(a)(b)(c)(d)图图1.17 1.17 门门式式式式刚刚架柱脚形式架柱脚形式架柱脚形式架柱脚形式54.柱脚锚栓应采用Q235或Q345钢材制作。锚栓的锚固长度应符合现行国家标准建筑地基基础设计规范(GB 50007)的规定，锚栓端部应设置弯钩、或锚板。锚栓的直径不宜小于24mm，且应采用双螺帽。柱脚底板的锚栓

23、孔径，宜取锚栓直径加510 mm；锚栓垫板的锚栓孔径，取锚栓直径加2mm；锚栓垫板的厚度通常取与底板厚度相同。锚栓的数目常采用2个或4个。在柱子安装校正完毕后，应将锚栓垫板与柱底板焊牢。锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力，应由柱脚底板与其下部的混凝土基础间的摩擦力来抵抗。摩擦力系数取0.4。55.（3）牛腿牛腿设计 牛腿根部的V和M为图图1.18 1.18 牛腿构造牛腿构造牛腿构造牛腿构造 焊接工字形截面 支承加劲肋 与吊车梁连接为长圆孔 hH/2 翼缘对接焊，腹板角焊缝 螺栓直径M16M2456.（4）摇摆柱与斜梁的柱与斜梁的连接接图图1.19 1.19 斜梁与斜梁与斜梁与斜梁与摇摆摇摆柱的

24、柱的柱的柱的连连接构造接构造接构造接构造57.1.4 压型钢板设计 1.4.1 压型型钢板的材料和截面形式板的材料和截面形式 1.4.1.1 压型钢板材料种类 镀锌钢板：组合楼板 彩色镀锌钢板：屋面板和墙面板 彩色镀铝锌钢板：屋面板和墙面板，价格较贵厚度 0.41.6mm，用于组合楼板时不小于0.5mm材料 Q215和Q235钢，工程中多用Q235A58.1.4.1.2 压型钢板的截面形式截面形式 表示方法 YX波高-波距-有效覆盖宽度：YX35-125-750分类 低波板（波高70mm）屋面板选用中、高波板 墙板选用低波板图图1.20 1.20 压压型型型型钢钢板的截面形式板的截面形式板的截

25、面形式板的截面形式59.1.4.2 压型型钢板的截面几何特性板的截面几何特性线性元件法：以单单槽口槽口的特性表示，用板厚的中线来计算略去略去略去略去圆圆角的影响角的影响角的影响角的影响(0.5%4.5%)(0.5%4.5%)非全截面有效非全截面有效非全截面有效非全截面有效时时用有效截面用有效截面用有效截面用有效截面计计算算算算图图1.21 1.21 压压型型型型钢钢板的截面特性板的截面特性板的截面特性板的截面特性60.1.4.3 压型型钢板的荷板的荷载和荷和荷载组合合(屋面板屋面板屋面板屋面板)1.4.3.1 压型钢板的荷载（1）永久荷载（2）可变荷载 除均布活荷载、雪荷载和积灰荷载外，还有施

26、工检修荷载（1kN的集中荷载），折算为：风荷载的体型系数按CECS 102附录A3计算。图图1.22 1.22 折算折算折算折算线线荷荷荷荷载载61.1.4.3.2 压型钢板的荷载组合计算钢板内力：（1）1.2 永久荷载+1.4 max屋面均布活荷载，雪荷载（2）1.2 永久荷载+1.4 施工检修荷载换算值计算风吸力（3）1.0 永久荷载+1.4 风吸力荷载62.1.4.4 薄壁构件的板件有效薄壁构件的板件有效宽度度 当尺寸适当(刚度和间距)时，压型钢板截面全部有效：加劲肋刚度要求 中间加劲肋：图图1.22 1.22 带带中中中中间间加加加加劲劲肋的肋的肋的肋的压压型型型型钢钢板板板板63.边

27、缘加劲肋的Ies不小于中间加劲肋的一半，式中用b代替bs加劲肋间距要求：中间加劲肋：1为受压翼缘压应力设计值。边缘加劲肋：64.1.4.5 压型型钢板板强度和度和挠度度计算算 可取单槽口的有效截面按受弯构件计算，檩条作为支座。腹板剪应力支座处腹板局部受压h h即即即即b b3 365.弯矩和支座反力作用弯矩和剪力作用挠度限值：（1）屋面板(GB50018)：屋面坡度0.7，用bx代替bx计算：1.5.4.3 变形计算卷边槽形截面，两端简支Z形截面，两端简支v 为檩条挠度容许值，仅支撑压型钢板的屋面（承受活荷载或雪荷载）时，v=l/150；尚有吊顶时，v=l/240。72.1.6 墙梁、支撑设计 1.6.1 墙梁设计 1.6.1.1 墙梁的截面形式 墙梁一般采用卷边槽钢，有时也可以采用卷边Z形钢。双向受弯构件，可设置拉条。1.6.1.2 墙梁的计算荷载组合（1）1.2 竖向永久荷载+1.4 水平风压力荷载（2）1.2 竖向永久荷载+1.4 水平风吸力荷载若需要计算双力矩B，按GB50018的附录A。73.1.6.2 支撑构件的设计 交叉支撑和柔性系杆按拉杆设计，受压杆件按压杆设计：水平支撑内力 纵风；斜梁失稳产生的力柱间支撑内力 纵风；纵向吊车制动力；柱失稳产生的力74.