第一章：轻型门式钢架结构设计

1、第第1 1章章 轻型门式刚架结构轻型门式刚架结构1.1 概述1.2 结构形式和结构布置1.3 刚架设计1.4 压型钢板设计1.5 檩条设计1.6 墙梁、支撑设计1.3 刚架设计1.4 压型钢板设计1.5 檩条设计1.1 1.1 概述概述1.1.1 1.1.1 单层门式刚架的组成单层门式刚架的组成1、质量轻2、综合经济效益高3、工业化程度高，施工周期短4、柱网布置比较灵活1.1.2 1.1.2 单层门式刚架结构的特点单层门式刚架结构的特点1.1.3 1.1.3 工程应用情况工程应用情况1、20世纪70年代在工程上极少应用；2、始于20世纪60年代，屋面用瓦材。 3、20世纪80年代在经济特区引进

2、国外门式刚架轻钢房屋，压型 钢板始见用于屋面和墙面； 4、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，工程规模越来越大，充分展示了这种结 构的优越性。1.2 1.2 结构形式和结构布置结构形式和结构布置按跨度：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1.2.1 1.2.1 门式刚架的结构形式门式刚架的结构形式门式刚架的结构形式就是结构设计中首先进行选型，选型对结构工程师来说很重要，可以说是最关键的一步。1.2 1.2 结构形式和结构布置结构形式和结构布置按跨度：

3、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1.2.1 1.2.1 门式刚架的结构形式门式刚架的结构形式单脊双坡多跨刚架单脊双坡多跨刚架无桥式吊车：中柱多为摇摆柱有桥式吊车：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：刚接坡度坡度1/20-1/8运输单元运输单元柱子单独一个，梁可为多个。单元内焊接，单元间用通过端板用高强螺栓连接吊车吊车悬挂吊车：起重量不大于3吨桥式吊车：不大于20吨，轻、中级

4、工作制1.2.2 1.2.2 结构布置结构布置刚架的建筑尺寸和布置 跨度：9-36m；高度：4.5-9m； 柱轴线：下端中心线或柱外皮 梁轴线：最小截面中线，与上表面平行 柱距：6m，7.5m或9m 温度区段：纵向300m，横向150m。 设置伸缩缝的方法：双柱；檩条和屋面板构造檩条和墙梁布置 屋脊附近双檩（距屋脊200mm ）,天沟附近布置一根以固定天沟支撑和刚性系杆布置布置原则： 温度区段 屋面与柱间 位置 分层 刚架转折处 支撑交叉点支撑形式： 圆钢 型钢1.3 1.3 刚架设计刚架设计除除门式刚架轻型房屋钢结构技术规程门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS：102)有规有规定外，按定

5、外，按建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范(GB50009)采用采用永久荷载结构自重结构自重：按建筑结构荷载规范GB50009采用悬挂荷载悬挂荷载：按实际情况可变荷载 屋面活荷载屋面活荷载 ：对压型钢板屋面，按水平投影计，一般取0.5kN/m2，可取可取0.30.3kN/m2 施工检修集中荷载施工检修集中荷载（人和小工具的重力）：1kN ，按最不利位置 1.3.1 1.3.1 荷载及荷载组合荷载及荷载组合屋面雪荷载和积灰荷载屋面雪荷载和积灰荷载 ：按GB50009 采用，考虑增大系数和不均匀系数。吊车荷载吊车荷载：竖向和水平荷载，按GB50009采用。地震作用地震作用：按建筑抗震设计规范 GB50

6、011采用。风荷载风荷载：垂直于建筑物表面的风荷载，按下式计算： 0wwzskwk风荷载标准值（kNm2）；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。 表 1 刚架的风荷载体型系数 分 区 端 区 中 间 区 建筑 类型 1E 2E 3E 4E 5E 6E 1 2 3 4 5 6 封闭式 0.50 1.40 0.80 0.70 0.90 0.30 0.25 1.00 0.65 0.55 0.65 0.15 部分封闭式 0.10 1.80 1.20 1.10 1

7、.00 0.20 0.15 1.40 1.05 0.95 0.75 0.05 注： 表中正号(压力)表示风力由外朝向表面，负号(吸力)表示风力自表面向外离开，下同； (a) (b) 图 5 刚架的风荷载体型系数分区 (a) 双坡刚架；(b) 单坡刚架 荷载效应组合荷载效应组合: : 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。 在进行刚架内力分析时，需要考虑的荷载效应组合有：

8、 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 1.3.2 1.3.2 刚架内力和侧移计算刚架内力和侧移计算 内力 变截面门式刚架应采用弹性分析方法确定各种工况下的内力，仅构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法设计。分析时，通常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）。计算时宜将变截面刚架梁、柱构件划分为若干段，每段可视为等截面，也可采用楔形单元。当需要手算校核时，可将变截面构件折算为等截面构件，采用结构力学方法计算，或利用静力计

9、算的公式和图表。控制截面的内力组合（1）最大压力Nmax和相应的M 和V；（2）最大压力Mmax和相应的N 和V；（3）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 侧移限值 在风荷载标准值作用下的刚架柱顶侧向位移不应超过下 列限值： 不设吊车：采用轻型钢板墙时为h/60，采用砌体墙时为 h/100，h为柱高； 设有桥式吊车：吊车有驾驶室时为h/400，吊车由地面操 作时为h/180。1.3.3 1.3.3 刚架柱、梁设计刚架柱、梁设计 梁、柱板件宽厚比和腹板屈曲后强度

10、应用梁、柱板件宽厚比和腹板屈曲后强度应用(1)梁柱板件宽厚比限值 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:yftb23515 (ywwfth235250 (2)腹板屈曲后强度利用 工字形截面构件腹板的受剪板幅，当腹板高度变化不超过60mmm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：vwwdfthV vwvwvwvwvvwffffff)275. 01 ( 4 . 1)8 . 0(64. 01 4 . 18 . 0 8 . 0时，当时，当时，当ywwwfkth2353722)(434. 5 1)(34. 54 1wwwwhakhahakha，当时，当(

11、3) 腹板的有效宽度 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=hc当8 . 0时 1 当2 . 18 . 0时 ) 8 . 0( 9 . 01 当2 . 1时 ) 2 . 1(24. 064. 0 ywwfkth2351 .2811112. 011622k12 he2 he1 hc 1 he1 hw he2 2=1 1 2 有效宽度分布 当腹板边缘最大应力10时 521eehh12eeehhheehh4 . 01当截面部分受拉，即0时 eehh6 . 0 刚架梁、柱构件的强度计算刚架梁、柱构件的强度计算(1)工字形截

12、面受弯构件在剪力V和弯矩M共同作用下的强度 当V0.5Vd 时 eMM 215 . 01dfefVVMMMM 当0.5Vd VVd 时 当为双轴对称截面时 fthAMwff)(2)工字形截面压弯构件在剪力V、弯矩M和轴力N共同作用下 当V0.5Vd 时 eeeNeAWNMMM215 . 01dNfNeNfVVMMMM 当0.5Vd VVd 时 当为双轴对称截面时 )(ANfthAMwfNf 梁腹板加劲肋的配置 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

13、产生的压力外，还应承受拉力场产生的压力： crwwsthVN9 . 02 25. 1)8 . 0(8 . 01 25. 18 . 0wvcrwvwcrwff时，当时，当 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。 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 计算公式为：fWNNMANexyExmxexy100100)1 (20201 . 1eExEAN 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。 变截面柱在刚架平面内的计算长度变截

14、面柱在刚架平面内的计算长度 计算长度应取为h0=r h ，方法有3种：查表法、一阶分析法 、二阶分析法 查表法查表法（1）柱脚铰接，按下表查，表中hIKc11)2(02sIKb此表相当于GB50018规范附表A3.2的计算长度系数乘以10/85. 0ccII 柱脚铰接楔形柱的计算长度系数r K2 /K1 0.1 0.2 0.3 0.5 0.75 1.0 2.0 10.0 10ccII 0.01 0.02 0.03 0.05 0.07 0.10 0.15 0.20 0.428 0.600 0.729 0.931 1.075 1.252 1.518 1.745 0.368 0.502 0.599

15、0.756 0.873 1.027 1.235 1.395 0.349 0.470 0.558 0.694 0.801 0.935 1.109 1.254 0.331 0.440 0.520 0.644 0.742 0.857 1.021 1.140 0.320 0.428 0.501 0.618 0.711 0.817 0.965 1.080 0.318 0.420 0.492 0.606 0.697 0.801 0.938 1.045 0.315 0.411 0.483 0.589 0.672 0.790 0.895 1.000 0.310 0.404 0.473 0.580 0.650

16、0.739 0.872 0.969 计算边柱时的斜梁长度 （2）多跨刚架中间柱为摇摆柱时，边柱的计算长度为 hhr0)()(1fifililihPhP 摇摆柱的计算长度系数取为r =1.0。一阶分析法一阶分析法 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 当柱脚刚接时有摇摆柱时乘以 3014. 4KhEIcr3085. 5KhEIcr)(2 . 1 )(1fifililihPhP H h1 u h3 h2 H u 一阶分析时的柱顶侧移 （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iiiiErhPPPK02 . 185. 0i

17、iiiErhPPPK02 . 12 . 12020iiiEhEIP二阶分析法二阶分析法：计入P效应 变截面构件 )0775. 01 (08. 0375. 012r1)/(01dd d0 d1 h 变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算fWMANebtey1100对一端弯矩为零的区段 20000)(75. 01ExExtNNNN对两端弯曲应力基本相等的区段 0 . 1tyywsxybfhtWhA2354 .44320200040002000/ysyilfsAlh /023. 0 斜梁和隅撑设计斜梁和隅

18、撑设计（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，验算腹板上边缘正应力、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 ： ywfwmfttftF235152)/(5 . 1fWMem（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。 隅撑按轴心受压构件设计。轴心力为： 60cos235yfAfN 当隅撑成对布置时，每根隅撑的计算轴压力可取式一半。计算时不用角钢的

19、换算长细比，要考虑单面连接时材料强度的折减。 轻型门式刚架结构中节点包括梁与柱连接节点、梁与梁拼接节点和柱脚节点，其设计计算应符合门式刚架轻形房屋钢结构技术规程的要求。 （1 1） 刚架梁、柱连接节点及梁拼接节点设计刚架梁、柱连接节点及梁拼接节点设计 门式刚架斜梁与柱的连接形式有端板竖放、 端板斜放和端板平放三种。斜梁拼接时宜使端板与构件外边缘垂直。 (a) (b) (c) (d) 图 7 刚架梁与柱及梁与梁的连接 节点设计节点设计 刚架梁与柱及梁与梁的连接 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： 端板的支承条件 伸臂类端板 bfNett

20、f6 (4a) 无加劲肋类端板 feaNetwtw)5 . 0 (3 (4b) 两边支承类端板 当端板外伸时 (4b) 两边支承类端板 当端板外伸时 feeebeNeetwffwtwf)(26 (4c) 当端板平齐时 feeebeNeetwffwtwf)(412 (4d) 三边支承类端板 (4d) 三边支承类端板 febbeNeetfswtwf4)2(62 (4e) 式中和图中 Nt 一个高强度螺栓的拉力设计值； ew、ef 分别为螺栓中心至腹板和翼缘板表面的距离； b、bs 分别为端板和加劲肋板的宽度； a 螺栓的间距； f 端板钢材的抗拉强度设计值。 在门式刚架斜梁与柱相交的节点域，按下式

21、验算剪应力： vccbftddM当不满足上式要求时，应加厚腹板或设置斜加劲肋。 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，应采用角对接组合焊缝或与腹板等强的角焊缝。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 时 ftePww4 . 0当 Nt2 0.4P 时 fteNwwt2当不满足上式要求时，可设置腹板加劲肋或局部加厚腹板。（2 2）柱脚设计）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)门式刚架柱脚形式1.4 1.4 压型钢板

22、设计压型钢板设计 1.4.1 1.4.1 压型钢板的材料和截面形式压型钢板的材料和截面形式 压型钢板材料压型钢板材料种类 镀锌钢板 彩色镀锌钢板 彩色镀铝锌钢板厚度 0.41.6mm材料 Q215和Q235钢，工程中多用Q235A 压型钢板的截面形式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）1.4.2 1.4.2 压型钢板的截面几何特性压型钢板的截面几何特性线性元件法：以单槽口的特性表示，用板厚的中线来计算1232bbbb23()h bbcb221 233

23、23xthIbbbbbb21 2332323sxxth bbbbbIwcbb21 2331323xxxth bbbbbIwhcbb1.4.3 1.4.3 压型钢板的荷载和荷载组合压型钢板的荷载和荷载组合 压型钢板的荷载压型钢板的荷载（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，还有施工检修荷载（1kN的集中荷载），折算为：repiFqb折算线荷载风荷载的体型系数按CECS 102附录A3计算。 压型钢板的荷载组合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1.4.4 1.4.4 薄壁构件的板件有效宽度薄壁构件的板件有效宽度 当尺寸适当时，压型钢板截面全部有效：加劲肋刚度要求 中间加劲肋：带中间加劲肋的压型钢板24isy4is271003.6618sbItft