鋼結(jié)構(gòu)門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計

門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計

濟南大學(xué)土木建筑學(xué)院第1頁，共74頁。第2頁，共74頁。第3頁，共74頁。柱距1.1概述

1.1.1單層門式剛架的組成

主承重骨架檁條、墻梁屋面、墻面支撐第4頁，共74頁。1.1.2單層門式剛架結(jié)構(gòu)的特點

質(zhì)量輕一般10-30kg/m2，基礎(chǔ)費用低。地震反應(yīng)小，注意風吸力工業(yè)化程度高，施工周期短主要構(gòu)件工廠制作，現(xiàn)場高強螺栓安裝綜合經(jīng)濟效益高柱網(wǎng)布置比較靈活門式剛架整體性可以依靠檁條、墻梁和隅撐來保證，支撐數(shù)量可減少，且多用張緊的圓鋼第5頁，共74頁。

※梁柱多用變截面，省材梁、柱腹板利用屈曲后強度塑性設(shè)計不再適用（多個塑性鉸）搖擺柱柱腳約束應(yīng)力蒙皮效應(yīng)※板件較薄焊接板件≥3mm冷彎構(gòu)件≥1.5mm壓型鋼板≥0.4mm圖1.2變截面門式剛架第6頁，共74頁。1.1.3我國工程應(yīng)用情況始于20世紀60年代，屋面用瓦材。20世紀70年代在工程上極少應(yīng)用；20世紀80年代在經(jīng)濟特區(qū)引進國外門式剛架輕鋼房屋，壓型鋼板始見用于屋面和墻面；20世紀90年代初外國輕鋼企業(yè)進入中國大陸，帶動了內(nèi)資輕鋼企業(yè)的發(fā)展。中期以來，采用門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量越來越多，工程規(guī)模越來越大，充分展示了這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。第7頁，共74頁。國家標準的制訂情況《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》

1966年版本未頒布；

TJ18-75

GBJ18-87

GB50018-2002

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》

CECS102:98

CECS102:2002

第8頁，共74頁。1.2結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布置1.2.1門式剛架的結(jié)構(gòu)形式按跨度：單跨、雙跨、多跨剛架以及帶挑檐的和帶毗屋的形式按屋面坡脊數(shù)：單脊單坡、單脊雙坡和多脊多坡圖1.3門式剛架形式示例（一）第9頁，共74頁。圖1.3門式剛架形式示例（二）常做成一個大雙坡屋面，避免滲漏和堆雪第10頁，共74頁。單脊雙坡多跨剛架無橋式吊車：中柱多為搖擺柱有橋式吊車：中柱宜兩端剛接截面形式無橋式吊車：梁、柱可采用變截面或等截面的實腹焊接工字形截面或軋制H形截面有橋式吊車：柱宜采用等截面形式柱腳形式無橋式吊車：多按鉸接支承設(shè)計，通常為平板支座有橋式吊車：剛接搖擺柱變截面門式剛架第11頁，共74頁。坡度1/20~1/8運輸單元柱子單獨一個，梁可為多個。單元內(nèi)焊接，單元間可通過端板用高強螺栓連接吊車懸掛吊車：起重量不大于3噸橋式吊車：不大于20噸，輕、中級工作制第12頁，共74頁。1.2.2結(jié)構(gòu)布置﹡剛架的建筑尺寸和布置

跨度：9~36m；高度：4.5~9m（室內(nèi)凈空）；

柱軸線：下端中心線或柱外皮

梁軸線：最小截面中線，與上表面平行

柱距：6m，7.5m或9m

挑檐：0.5~1m

溫度區(qū)段：縱向≤300m，橫向≤150m。

設(shè)置伸縮縫的方法：雙柱；檁條和屋面板構(gòu)造有吊車時設(shè)置雙柱，加插入距圖1.4有吊車時的插入距第13頁，共74頁。﹡檁條布置一般等間距布置，間距由計算確定；屋脊附近雙檁（距屋脊≤200mm）；天溝附近布置一根以固定天溝；考慮天窗、采光帶等的具體情況。﹡墻梁布置考慮門窗、挑檐、雨棚等的具體情況；壓型鋼板墻面宜布置在柱外；間距由計算確定。第14頁，共74頁。﹡支撐和剛性系桿布置

布置原則：

溫度區(qū)段柱間支撐與屋面橫向支撐同時設(shè)置位置、間距(30～45;60)高度大時分層設(shè)，寬度大時內(nèi)柱設(shè)剛架轉(zhuǎn)折處支撐交叉點

支撐形式：

十字交叉圓鋼支撐，夾角30°-60°型鋼支撐第15頁，共74頁。1.3剛架設(shè)計

除《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102)有專門規(guī)定外，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009)采用永久荷載

結(jié)構(gòu)自重：按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009采用

懸掛荷載：按實際情況可變荷載

屋面活荷載：對壓型鋼板屋面，按水平投影計，取0.5kN/m2，常取0.3kN/m2

施工檢修集中荷載（人和小工具的重力）：1kN，按最不利位置

1.3.1荷載及荷載組合第16頁，共74頁。屋面雪荷載和積灰荷載

：按GB50009采用，考慮荷載增大系數(shù)和不均勻系數(shù)。吊車荷載：豎向和水平荷載，按GB50009采用。地震作用：按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011采用。風荷載：按《規(guī)程》，垂直于建筑物表面的風荷載：

wk——風荷載標準值（kN/m2）；w0——基本風壓，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定采用；z——風荷載高度變化系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定采用；當高度小于10m時，應(yīng)按10m高度處的數(shù)值采用；s——風荷載體型系數(shù)，考慮內(nèi)、外風壓最大值的組合，含陣風系數(shù)。

第17頁，共74頁。其中風載體型系數(shù)按美國MBMA手冊的規(guī)定采用。圖1.5剛架的風載體型系數(shù)分區(qū)第18頁，共74頁。荷載效應(yīng)組合:

應(yīng)符合以下原則⑴屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應(yīng)取兩者中的較大值；⑵積灰荷載應(yīng)與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮；⑶施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其它荷載同時考慮；⑷多臺吊車的組合應(yīng)符合GB50009的規(guī)定；

⑸風荷載不與地震作用同時考慮。

第19頁，共74頁。在進行剛架內(nèi)力分析時，需要考慮的荷載效應(yīng)組合有：⑴1.2×永久荷載＋0.9×1.4×[積灰荷載＋max｛屋面均布活荷載、雪荷載｝＋（風荷載＋吊車豎向荷載＋吊車水平荷載）］；⑵1.0×永久荷載＋1.4×風荷載或1.0×永久荷載＋1.4×0.9×(風荷載＋吊車荷載）組合(1)用于截面強度和構(gòu)件穩(wěn)定計算，(2)用于柱腳錨栓驗算。起有利作用者不加，但要注意同時發(fā)生的荷載。

⑶地震作用組合，采用底部剪力法，按GB50011計算。第20頁，共74頁。1.3.2剛架內(nèi)力和側(cè)移計算

內(nèi)力

變截面門式剛架：彈性分析方法全部為等截面構(gòu)件時：可采用塑性分析方法設(shè)計取單榀剛架按平面結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力，一般不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)，而把它當作安全儲備。計算內(nèi)力時可采用有限元法（直接剛度法）。分段等截面單元或楔形單元。手算校核時，可將變截面構(gòu)件折算為等截面構(gòu)件第21頁，共74頁?？刂平孛娴膬?nèi)力組合（柱頂、底、牛腿處，梁端、跨中）（1）對構(gòu)件：最大壓力Nmax和相應(yīng)的M和V；（2）對構(gòu)件：最大彎矩Mmax和相應(yīng)的N和V；（3）對錨栓：最小壓力Nmin和相應(yīng)的M和V。側(cè)移計算

采用彈性分析方法確定，計算時荷載取標準值，不考慮荷載分項系數(shù)。簡化計算公式：參見CECS102

第22頁，共74頁。側(cè)移限值在風荷載標準值作用下的剛架柱頂側(cè)向位移不應(yīng)超過下列限值：不設(shè)吊車：采用輕型鋼板墻時為h/60，采用砌體墻時為h/100，h為柱高；設(shè)有橋式吊車：吊車有駕駛室時為h/400，吊車由地面操作時為h/180。不滿足時可采取的措施放大截面修改柱腳約束若有搖擺柱，上端改為剛接第23頁，共74頁。受彎構(gòu)件的撓度限值

門式剛架斜梁豎向撓度：（L為構(gòu)件跨度）僅支承壓型鋼板和檁條L/180尚有吊頂L/240有懸掛起重機L/400

屋面坡度改變值：≤屋面坡度的1/3

檁條豎向撓度：

僅支承壓型鋼板L/150有吊頂L/240壓型鋼板豎向撓度：

承受活荷載或雪荷載L/150

第24頁，共74頁。構(gòu)件長細比要求

受壓構(gòu)件：主要構(gòu)件[]≤180，其它構(gòu)件及支撐[]≤220；

受拉構(gòu)件：承受靜力荷載時，桁架構(gòu)件[]≤350；吊車梁以下柱間支撐[]≤300；其它支撐[]≤400；承受動力荷載時[]≤250。張緊的圓鋼或鋼絞線：不限制

第25頁，共74頁。1.3.3剛架柱、梁設(shè)計

1.3.3.1梁、柱板件寬厚比和腹板屈曲后強度應(yīng)用(1)梁柱板件寬厚比限值梁柱的翼緣，不能發(fā)生局部失穩(wěn)，要求受壓翼緣：對于梁柱的腹板:腹板應(yīng)按規(guī)程要求計算有效寬度。圖1.6截面尺寸第26頁，共74頁。(2)腹板屈曲后強度利用工字形截面構(gòu)件腹板的受剪板幅，當腹板高度變化不超過60mm/m時可考慮屈曲后強度（拉力場），其抗剪承載力設(shè)計值應(yīng)按下列公式計算：

第27頁，共74頁。(3)腹板的有效寬度(工字形截面腹板)

當腹板全部受壓時,he=hw

當腹板部分受拉時，拉區(qū)全部有效，壓區(qū)有效寬度為

he=hc第28頁，共74頁。圖1.7有效寬度分布第29頁，共74頁。當腹板邊緣最大應(yīng)力1<f時，計算時可用R1代替式fy

，R為抗力分項系數(shù)，對Q235和Q345鋼，R=1.1。

當截面全部受壓，即>0時

當截面部分受拉，即<0時

第30頁，共74頁。1.3.3.2剛架梁、柱構(gòu)件的強度計算(1)工字形截面受彎構(gòu)件在剪力V和彎矩M共同作用下的強度

當V≤0.5Vd時

當0.5Vd＜V≤Vd時

當為雙軸對稱截面時

第31頁，共74頁。(2)工字形截面壓彎構(gòu)件在剪力V、彎矩M和軸力N共同作用下當V≤0.5Vd時

當0.5Vd＜V≤Vd時

當為雙軸對稱截面時

第32頁，共74頁。1.3.3.3

梁腹板加勁肋的配置梁腹板應(yīng)在與中柱連接處、較大集中荷截作用處和翼緣轉(zhuǎn)折處設(shè)置橫向加勁肋。其間距a取hw~2hw。中間加勁肋的設(shè)置應(yīng)滿足屈曲后強度計算要求。中間加勁肋除承受集中荷載和翼緣轉(zhuǎn)折產(chǎn)生的壓力外，還應(yīng)承受拉力場產(chǎn)生的壓力：

圖1.8腹板屈曲后受力模型第33頁，共74頁。計算長度取腹板高度hw

，按兩端鉸接的軸心受壓構(gòu)件按GB50017計算其穩(wěn)定性，考慮加緊肋及兩側(cè)各的面積。

第34頁，共74頁。1.3.3.4變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定計算

計算公式為：當柱的最大彎矩不出現(xiàn)在大頭時，M1和We1分別取最大彎矩和該彎矩所在截面的有效截面模量。與GB50017差異：(1)無x；(2)彎矩放大系數(shù)也有所不同；(3)有效截面特性。大頭截面應(yīng)力較大，故彎矩項以大頭截面為準；(A)小頭小，軸力小頭大，所以軸力項以小頭截面為準。

m取1.0x按毛截面計算第35頁，共74頁。1.3.3.5變截面柱在剛架平面內(nèi)的計算長度

計算長度應(yīng)取為h0=

h，確定方法有3種：查表法、一階分析法、二階分析法：查表法（柱腳鉸接的對稱剛架）（1）柱腳鉸接單跨剛架，按下表查，表中此表相當于GB50018規(guī)范附表A3.2的計算長度系數(shù)乘以s為半跨斜梁長度，為斜梁換算長度系數(shù)，見16~17頁第36頁，共74頁。

柱腳鉸接楔形柱的計算長度系數(shù)

第37頁，共74頁。（2）多跨剛架中間柱為搖擺柱時，邊柱的計算長度為計算邊柱時s取lb；搖擺柱的計算長度系數(shù)取為

=1.0。坡度大于1：5時，要考慮橫梁軸力的不利影響。圖1.9計算邊柱時的斜梁長度第38頁，共74頁。一階分析法

由一階分析側(cè)移剛度K=H/u后，柱計算長度系數(shù)為：（1）對單跨對稱剛架：

當柱腳鉸接時當柱腳剛接時有搖擺柱時乘以圖1.10一階分析時的柱頂側(cè)移已乘0.85已乘1.21.2—P-?系數(shù)第39頁，共74頁。（2）對中間柱為非搖擺柱的多跨剛架：當柱腳鉸接時

當柱腳剛接時1.2—P-?系數(shù)第40頁，共74頁。二階分析法：計入P—?效應(yīng)

圖1.11變截面構(gòu)件--楔率，不大于0.268h/d0及6.0第41頁，共74頁。1.3.3.6變截面柱在剛架平面外的整體穩(wěn)定計算對端彎矩為零的區(qū)段

對兩端彎曲應(yīng)力基本相等的區(qū)段

為受壓翼緣與受壓區(qū)腹板1/3高度組成的截面繞y軸的回轉(zhuǎn)半徑第42頁，共74頁。特點：（1）有效截面；（2）軸力取小頭，彎矩取大頭；（3）當b>0.6時，進行彈塑性修正：第43頁，共74頁。1.3.3.7斜梁和隅撐設(shè)計（1）斜梁設(shè)計當斜梁坡度不超過1:5時，在平面內(nèi)可僅按壓彎構(gòu)件計算強度，在平面外應(yīng)按壓彎構(gòu)件計算穩(wěn)定。平面外計算長度，應(yīng)取側(cè)向支承點間的距離。上翼緣承受集中荷載處不設(shè)加勁肋時，驗算腹板上邊緣正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力共同作用的折算應(yīng)力外，還應(yīng)滿足下式要求：集中荷載作用下的屈皺m在負彎矩區(qū)取0第44頁，共74頁。（2）隅撐設(shè)計當實腹式剛架斜梁的下翼緣受壓時，必須在受壓翼緣兩側(cè)布置隅撐（端部僅布置一側(cè)）作為斜梁的側(cè)向支承，隅撐的另一側(cè)連在檁條上。圖1.12隅撐的連接第45頁，共74頁。隅撐按軸心受壓構(gòu)件設(shè)計。軸心力為：

當隅撐成對布置時，每根隅撐的計算軸壓力可取一半。計算時不用角鋼的換算長細比，要考慮單面連接時材料強度的折減。第46頁，共74頁。梁與柱連接節(jié)點、梁與梁拼接節(jié)點和柱腳節(jié)點。有吊車時還有牛腿節(jié)點。

（1）剛架梁、柱連接及梁拼接（高強螺栓-端板連接）

斜梁與柱的連接形式：端板豎放、端板斜放和端板平放。斜梁拼接時宜使端板與構(gòu)件外邊緣垂直。

1.3.3.8節(jié)點設(shè)計

圖1.13剛架梁與柱及梁與梁的連接第47頁，共74頁。斜梁拼接按最大受力計算，且不小于被連接截面承載力的一半；連接滿足強度和剛度要求；連接分摩擦型和承壓型連接；螺栓成對布置，翼緣內(nèi)外各設(shè)一排；轉(zhuǎn)動中心在下翼緣形心線處；抗剪由受拉力較小螺栓或受壓螺栓承擔；構(gòu)造要求，35mm;400mm。圖1.14連接受力第48頁，共74頁。

端板的厚度t應(yīng)根據(jù)支承條件按下列公式計算，但不應(yīng)小于16mm：

圖1.15端板的支承條件第49頁，共74頁。原則：螺栓達到極限拉力，板區(qū)屈服；設(shè)計時改為設(shè)計承載力（Nt—受拉承載力設(shè)計值）第50頁，共74頁。與翼緣板相連的邊視為固定與翼緣板相連的邊視為簡支圖1.16端板外伸與平齊第51頁，共74頁。在門式剛架斜梁與柱相交的節(jié)點域，按下式驗算剪應(yīng)力：

當不滿足上式要求時，應(yīng)加厚腹板或設(shè)置斜加勁肋。第52頁，共74頁。（2）柱腳設(shè)計柱腳可采用剛接或鉸接形式，前者可節(jié)約鋼材，但基礎(chǔ)費用有所提高，加工、安裝也較為復(fù)雜。一般情況宜采用平板式鉸接柱腳。(a)(b)(c)(d)圖1.17門式剛架柱腳形式第53頁，共74頁。

柱腳錨栓應(yīng)采用Q235或Q345鋼材制作。錨栓的錨固長度應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007)的規(guī)定，錨栓端部應(yīng)設(shè)置彎鉤、或錨板。錨栓的直徑不宜小于24mm，且應(yīng)采用雙螺帽。

柱腳底板的錨栓孔徑，宜取錨栓直徑加5～10mm；錨栓墊板的錨栓孔徑，取錨栓直徑加2mm；錨栓墊板的厚度通常取與底板厚度相同。錨栓的數(shù)目常采用2個或4個。在柱子安裝校正完畢后，應(yīng)將錨栓墊板與柱底板焊牢。錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力，應(yīng)由柱腳底板與其下部的混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力來抵抗，摩擦力系數(shù)取0.4。不滿足時設(shè)抗剪鍵：第54頁，共74頁。（3）牛腿設(shè)計牛腿根部的V和M為圖1.18牛腿構(gòu)造焊接工字形截面支承加勁肋與吊車梁連接為長圓孔

hH/2翼緣對接焊，腹板角焊縫螺栓直徑M16~M24第55頁，共74頁。（4）搖擺柱與斜梁的連接圖1.19斜梁與搖擺柱的連接構(gòu)造第56頁，共74頁。1.4壓型鋼板設(shè)計

1.4.1壓型鋼板的材料和截面形式1.4.1.1壓型鋼板材料種類

鍍鋅鋼板：組合樓板彩色鍍鋅鋼板：屋面板和墻面板彩色鍍鋁鋅鋼板：屋面板和墻面板，價格較貴原板材料：建筑功能、使用條件、使用年限和結(jié)構(gòu)形式

厚度取0.4~1.6mm，用于組合樓板時不小于0.5mm材料

Q215和Q235鋼，工程中多用Q235A第57頁，共74頁。1.4.1.2壓型鋼板的截面形式截面形式

表示方法

YX波高-波距-有效覆蓋寬度：YX35-125-750分類

低波板（波高<30mm）中波板（波高30~70mm）高波板（波高>70mm）屋面板選用中、高波板墻板選用低波板圖1.20壓型鋼板的截面形式第58頁，共74頁。1.5檁條設(shè)計

1.5.1檁條的截面形式截面形式實腹式：跨度9m以下格構(gòu)式：荷載較大或跨度大于9m圖1.24實腹式檁條的截面形式第59頁，共74頁。圖1.25格構(gòu)式檁條第60頁，共74頁。1.5.2檁條的荷載和荷載組合和壓型鋼板類似，只是增加了檁條和懸掛物的自重，組合仍為3種。風載體型系數(shù)按CECS102附錄表A-2采用。第61頁，共74頁。1.5.3檁條的內(nèi)力分析檁條為雙向受彎構(gòu)件，在兩個主軸的分力為：圖1.26實腹式檁條截面的主軸和荷載qx=qsin0，qy=qcos0第62頁，共74頁。簡支檁條（墻梁）的內(nèi)力見下表：對多跨連續(xù)梁，計算Mx時，不考慮活載不利組合，跨中和支座均取qyl2/10第63頁，共74頁。1.5.4檁條的截面選擇1.5.4.1強度計算1.5.4.2整體穩(wěn)定計算l0=bl第64頁，共74頁。若bx>0.7，用bx代替bx計算：在風吸力的作用下，屋面能阻止上翼緣的側(cè)移和扭轉(zhuǎn)時，受壓下翼緣的穩(wěn)定按規(guī)程附錄E計算，否則，按前面公式計算。課本第40頁截面有效的判別條件僅供參考，應(yīng)按GB50018計算第65頁，共74頁。1.5.4.3變形計算（垂直于屋面方向的撓度）卷邊槽形截面，兩端簡支Z形截面，兩端簡支[v]

為檁條撓度容許值：僅支撐壓型鋼板的屋面（承受活荷載或雪荷載）時：[v]=l/150；尚有吊頂時：[v]=l/240；吊頂且抹灰：[v]=l/360第66頁，共74頁。1.5.5構(gòu)造要求（1）拉條和撐桿的布置圖1.27拉條和撐桿的布置第67頁，共74頁。拉條和檁條的連接圖1.28拉條和檁條的連接第68頁，共74頁。（2）檁條和剛架的連接圖1.28檁條和剛架的連接（3）檁條的放置方向：卷邊朝向屋脊（4）計算檁條時，不能把隅撐作為檁條的支承