鋼結(jié)構(gòu) 門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計,濟南大學(xué) 土木建筑學(xué)院,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,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(fēng)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,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

2、1.2 變截面門式剛架,1.1.3 我國工程應(yīng)用情況 始于20世紀(jì)60年代，屋面用瓦材。 20世紀(jì)70年代在工程上極少應(yīng)用； 20世紀(jì)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(jì)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。,國家標(biāo)準(zhǔn)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 CECS102:2002,1.2

3、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）,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,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,坡度 1/201/8,運輸單元 柱子單獨一個，梁可為

4、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,1.2.2 結(jié)構(gòu)布置 剛架的建筑尺寸和布置 跨度：936m；高度：4.59m（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：0.51m 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,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

5、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。,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(3045;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,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(CECS 102)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

6、.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,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(fēng)荷載：按規(guī)程，垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載：,wk風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）； w0基本風(fēng)壓，按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定采用； z風(fēng)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(dāng)高度小于10m時，應(yīng)按10m高度處的數(shù)值采用； s風(fēng)荷載體型系數(shù)，考慮內(nèi)、外風(fēng)壓最大值的組合，含陣風(fēng)系數(shù)。,其中 風(fēng)載體型系數(shù)按美國

7、MBMA手冊的規(guī)定采用。,圖1.5 剛架的風(fēng)載體型系數(shù)分區(qū),荷載效應(yīng)組合: 應(yīng)符合以下原則 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； 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； 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； 多臺吊車的組合應(yīng)符合GB50009的規(guī)定； 風(fēng)荷載不與地震作用同時考慮。,在進行剛架內(nèi)力分析時，需要考慮的荷載效應(yīng)組合有： 1.2 永久荷載0.9 1.4 積灰荷載max屋面均布活荷載、雪荷載（風(fēng)荷載吊車豎向荷載吊車水平荷載）； 1.0 永久荷載1.4 風(fēng)荷載 或 1.0 永久荷載1.4 0.9( 風(fēng)荷載吊車荷載） 組合(1)用

8、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。 地震作用組合，采用底部剪力法，按GB50011計算。,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(dāng)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,控制截面的內(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；

9、（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(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項系數(shù)。 簡化計算公式：參見CECS102,側(cè)移限值 在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)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,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

10、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,構(gòu)件長細(xì)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,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,(2)腹板屈曲后強度利用

11、工字形截面構(gòu)件腹板的受剪板幅，當(dāng)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：,(3) 腹板的有效寬度(工字形截面腹板),當(dāng)腹板全部受壓時, he=hw 當(dāng)腹板部分受拉時，拉區(qū)全部有效，壓區(qū)有效寬度為 he=hc,圖1.7 有效寬度分布,當(dāng)腹板邊緣最大應(yīng)力1f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(dāng)截面全部受壓，即0時,當(dāng)截面部分受拉，即0時,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(dāng)V0.5Vd 時,當(dāng)0.5Vd VVd 時,當(dāng)為雙

12、軸對稱截面時,(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(dāng)V0.5Vd 時,當(dāng)0.5Vd VVd 時,當(dāng)為雙軸對稱截面時,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hw2 hw 。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,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。,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(dāng)

13、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(zhǔn)；(A)小頭小，軸力小頭大，所以軸力項以小頭截面為準(zhǔn)。,m取1.0,x按毛截面計算,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(dāng)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1

14、617頁,柱腳鉸接楔形柱的計算長度系數(shù),（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,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(dāng)柱腳鉸接時 當(dāng)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1.2,1.2P-系數(shù),（2）對中間柱為非搖擺柱的多跨剛架 ：,當(dāng)柱腳鉸接時 當(dāng)柱腳剛接時,1.2P-系數(shù),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/d

15、0及6.0,1.3.3.6 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,特點： （1）有效截面； （2）軸力取小頭，彎矩取大頭； （3）當(dāng)b0.6時，進行彈塑性修正：,1.3.3.7 斜梁和隅撐設(shè)計,（1）斜梁設(shè)計 當(dāng)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(fù)彎矩

16、區(qū)取0,（2）隅撐設(shè)計 當(dāng)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,隅撐按軸心受壓構(gòu)件設(shè)計。軸心力為：,當(dāng)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(xì)比，要考慮單面連接時材料強度的折減。,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,斜梁拼接按

17、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(dān)； 構(gòu)造要求，35mm; 400mm。,圖1.14 連接受力,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,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）,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,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(dāng)不滿足上式要求時，應(yīng)加厚腹板或設(shè)置

18、斜加勁肋。,（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,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(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB 50007)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510 mm；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

19、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：,（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M16M24,（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,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

20、度取0.41.6mm，用于組合樓板時不小于0.5mm 材料 Q215和Q235鋼，工程中多用Q235A,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,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,圖1.25 格構(gòu)式檁條,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(fēng)載體型系數(shù)按CECS 102 附錄表A-2采用。,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,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qyl2/10,1.5.4 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,若bx0.7，用bx代替bx計算：,在風(fēng)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