建筑钢结构应用技术专题讲座讲稿(1~5章)

1、 建筑钢结构应用技术专题讲座讲稿魏潮文二零零四年九月1.门式刚架轻型房屋钢结构优化设计介绍内容主要包括门式刚架、支撑和檩条的优化设计介绍，本章讨论门式刚架设计，支撑和檩条的优化设计在第4章中讨论。门式刚架轻型房屋钢结构的组成及其技术特点门式刚架轻型房屋钢结构的组成基本组成（图1.1.1）屋面I拝阿炳:角部V扰风柱k了匚吊棧/0地脚常检吨统/厂忑墙面墙剿L严/、抗风柱11”崙*i.i.i门式钢架轻型房屋钢結构的基本组成图1.1.1所示各部件组成能协同工作的、稳定的整体，它们可分成四大部分：主结构刚架，吊车梁；次结构檩条，墙架柱（及抗风柱），墙；支撑结构屋盖支撑，柱间支撑，系杆；围护结构屋面（屋面

2、板、采光板、通风器等），墙面（墙板、门、窗）。门式刚架轻型房屋钢结构的技术特点门式刚架轻型房屋中的刚架又称山形门式刚架。压型钢板屋面为长坡面排水创造了条件，因而在多跨建筑中常做成单脊双坡的大屋面，多跨建筑的中柱常采用上下铰接的摇摆柱，可用钢管制作，占用空间小，且省材。实腹式单跨刚架的跨度国内最大的达83m,国际上实腹式门式刚架的跨度最大达150m。就面积而论，单幢厂房或超市达几万m2的已屡见不鲜，例如：1998年初竣工投入使用的安徽芜湖951工程1号厂房达7.56万m2（240mX315m）；2002年竣工投入使用的浙江杭萧钢构股份有限公司主厂房达8.76万m2（192mX456m），等等，与

3、传统的单层房屋相比，这种结构有如下一些特点：轻；刚架构件腹板按有效宽度理论和拉力场理论进行受弯和受剪计算，使腹板厚度显著减薄。加之屋面很轻，从而刚架构件可以做得很轻。采用压型钢板轻型屋面和墙面，其本身重量既轻亦使支承它的结构也轻，同时，由于屋面与檐檩，脊檩(以及中间檩条)和墙面牢固连接，檩条又与刚架牢固连接，因而屋面压型钢板可视为起应力蒙皮作用的隔板(图1.1.2)，从而提高刚架结构的整体刚度及其隅撑可作为刚架构件受压翼缘的侧向支承点。刚架采用变截面，基本上按弯矩图形的变化以及施工方便来改变腹板高度和厚度以及翼缘尺寸(上下翼缘可用不同截面，相邻单元的翼缘也可采用不同截面)，充分做到材尽其用。加

4、之采用轻质屋面，刚架构件以及檩条可以做得很轻，因而有很好的经济性。刚架的侧向刚度用隅撑来保证，由于隅撑用料很少，其间距可以做得较小，因而刚架构件的翼缘宽度亦可做得小，而腹板高度可加大，允许腹板失稳，利用腹板屈后强度，腹板按有效高度设计，腹板高厚比可做得较大，从而进一步节省材料。有效减小结构的实际位移，亦因此使檩条和墙梁9旬脅施作用图1.1.2受力蒙皮作用示意图由于刚架构件轻，可以采用平板柱脚以及考虑这种平板柱脚对刚架柱的嵌固作用，支撑也可以做得很轻便。结构构件可全部在工厂制作，工业化程度高，目前，国内一些大的钢构公司已逐步实行标准化，系列化，构件单元根据运输条件划分，单元之间用螺栓在现场连接，

5、方便快捷。基础亦简单，土建施工量小。亦便于拆迁。构件单元之间用端板连接，延性好，加之自重轻以及屋面蒙皮作用，对抗震有利。由于上述特点，这种结构体系用钢省，造价低，制作简便，安装快捷，施工周期短，商品化程度高，而且其适用性广，造型美观，在建筑市场上具有很强的竞争力。但亦因其轻，对于风载较大或者房屋较高时，必须特别注意风载作用下的连接设计与施工。CECS102:2002的适用范围CECS102:2002适用于主要承重结构为单跨或多跨的下列单层门式刚架轻型房屋钢结构的设计、制作和安装：1)具有轻型屋盖和轻型外墙的房屋。屋面板和墙板材料可选用建筑外用彩色镀锌或镀铝锌压型钢板、夹心压型复合板和玻璃纤维增

6、强水泥外墙板(GRC板)等轻质材料，抗震设防烈度不高于8度时，外墙可采用砌体：当抗震设防烈度不高于6度时，外墙可采用嵌砌或非嵌砌砌体；当抗震设防烈度为7度、8度时外墙可采用非嵌砌砌体。屋面采用夹心压型复合板时其蒙皮作用不如压型钢板屋面板，采用CECS102:2002时宜考虑这一因素。2)刚架的跨度不大于36m,檐口高度不大于12.5m。3）轻、中级工作制（A1A5）桥式吊车的起重量不大于20t。悬挂式起重机起重量不大于3t,当有实际需要时起重量允许不大于5t,但必须按第十二章采取加强房屋整体刚度的构造措施。4）多层钢结构房屋的顶层采用门式刚架轻型房屋钢结构及其屋盖时，该部分结构的设计、制作和安

7、装可参照CECS102:2002执行，但应进行整体分析，包括抗震分析，考虑其下部结构对顶层内力和位移的影响。5）门式刚架轻型房屋钢结构的构件截面较薄，因此CECS102:2002不适用于强侵蚀介质环境中的房屋。关于结构形式和布置CECS102:2002不推荐多脊多坡图1.2.1中作了多脊多坡与单脊双坡房屋的比较，显然，在其它条件都相同的情况下，屋脊两侧各需一根檩条，而内天沟两侧亦各需一根檩条，因此，多一个屋脊就需要多一根檩条；多一个内天沟也需要多一根檩条，同时也增加内天沟和落水管、室内排水沟的用料，设置内天沟还容易因积水、积雪而加大荷载，甚至导致渗漏。如果因为室内排水沟淤塞需要疏通，还将影响正

8、常使用，多脊多坡不等高刚架上述问题更严重，应尽可能不采用。国内最大单坡长度做到120m,刚架此时应注意屋面构造，确保排水畅通。不过，当跨度较大，由位移控制设计时，可能要增加刚架的用钢量，此时还是以多脊多坡可能较为有利。图1.2.1多脊多坡与单脊双坡的比较CECS102:2002关于中柱采用摇摆柱的数量限制风荷载不很大且房屋并不特别高时，为减少刚架用钢量，多跨刚架中间柱可采用两端均为铰接的摇摆柱（简称摆柱），但两根与梁刚接的柱之间摆柱的数量不宜超过三根（图1.2.2）。图1.2.2多跨刚架中柱采用摇摆柱的数量限制刚架的合理间距刚架的用钢量一般说来随其间距的增大而减小，但吊车梁、檩条、墙梁的用钢量

9、则随刚架间距的增大而增大。对于无桥式吊车的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以6m9m为宜（因为薄钢檩条的截面最大高度不宜超过250mm）；当没有悬挂荷载或悬挂荷载不挂在檩条上，或采用高频焊接轻型H型钢檩条，或采用格构式檩条时，刚架间距可做到12m，此时侧墙宜设墙架柱；通常，大跨度刚架宜采用大间距，跨度与间距的比一般以3.55为宜。对于有10t以上吊车或较大的悬挂荷载的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以6m为宜。托梁或托架两侧（或一侧）布置纵向水平支撑在多跨刚架局部抽掉中柱（或边柱）处。可布置托梁或托架。此时应在其两侧（或一侧）布置纵向水平支撑，并向两端各延伸一个开间，如图1.2.3，以加强整体刚度

10、，并保证托梁（托架）的整体稳定性。AXy+朋（托剰纵冋水平支搏/數向水平龙护/邂以辣A厂图1.2.3托梁（托架）侧边布置纵向水平支撑山墙山墙可设置由斜梁、抗风柱和墙梁及其支撑组成的山墙墙架；当有抗震要求或有扩建要求时，不宜采用山墙墙架，而宜采用门式刚架。1.3门式刚架设计满应力设计法刚架采用变截面构件，当为承载能力极限状态控制设计时,其截面变化的根据主要是弯曲应力b“与M轴压应力bN两者计算值“组合”的应力图形的变化。利用截面变化，使各截面“组合应力”与材料设计强度值的比值（以下简称应力比）尽可能接近，也就是使材料分布更接近于应力图形的分布，这就是满应力设计法（或称为等强度设计法）。在确定了结

11、构布置、结构及构件的选型后，在保证安全可靠的前提下，满应力设计法是使刚架设计得经济合理的基本方法，也是采用弹性设计法的变截面刚架较之采用塑性设计法的等截面刚架更为节省刚架用钢量的主要手段。应力比的最大值可以根据计算简图与实际工程的差异情况（例如：杆端约束情况，设计荷载是否充分考虑或尚有裕量等等）以及工程的重要程度和施工水平等因素由设计工程师灵活掌握。当为正常使用极限状态控制设计，例如：侧移控制时，宜采用Q235钢材，且宜加大梁的抗弯刚度或把铰接柱脚改为刚接柱脚，如果中柱采用摇摆柱时，亦可将其中部分摇摆柱改为与梁刚接的柱，以加大刚架的抗侧移刚度。变截面刚架的构件形式1.3.21刚架柱对于无吊车单

12、层轻钢房屋：边柱及与梁刚接的中柱采用楔形柱；摆柱及与梁刚接的中柱采用等截面柱（H型钢、圆管、方管、矩形管）对于有桥式吊车的单层轻钢房屋：吊车起重量5t,采用与梁刚接的楔形柱或等截面柱吊车起重量5t,采用等截面柱，与梁刚接，宜采用刚接柱脚.1.3.22刚架斜梁可采用楔形梁（图1.3.2la）、双楔形梁（图1.3.2lb）或加腋梁（图1.3.2lc,d）。选用哪一种形式可结合制作单位的生产工艺而定，国内各公司多采用图1.3.2-lc,d的形式。（b）双楔形粱心）两端加胶粱图1.3.2.1刚架形式及斜梁的构造型式刚架梁可沿梁长分段变化截面高度和腹板厚度、翼缘宽度和厚度，同一运输单元段翼缘不变化宽度，

13、不同单元段连接处梁高度应相等。当翼缘宽度变化明显时（例如相差30mm以上），宜用梯形板或三角板使翼缘平缓过渡，以免产生应力集中（如图1.3.22）图1.3.2-2变宽度梁翼缘平缓过渡初选截面时梁端加腋长度的选取可参考表1.3.2。对于单跨刚架，山尖处的加腋主要是为连接高度的需要，如果山尖一侧斜梁加腋的水平长度与刚架跨度的比值不大于0.05，在内力及变形计算时，可不考虑此段截面变化。考虑梁端加腋长度时，宜综合考虑如下几个因素：梁端截面的承载力要求以及梁端与柱连接处对连接高度的要求；为利用腹板屈后强度，腹板高度变化率不超过60mm/m；梁与中柱采用柱顶平接时，考虑运输长度的限值（火车运输要求构件长

14、度不大于12m）。表1.3.2梁端加腋长度与梁跨度的近似比值单跨或多跨跨内无桥式吊车跨内有桥式吊车与边柱相连的梁端与中柱相连的梁端与边柱相连的梁端与中柱相连的梁端单跨0.2左右0.25左右多跨0.150.20.20.250.20.250.250.3变截面刚架截面尺寸粗估1.3.3-1工字形截面尺寸模数（图1.3.3）截面高度h以10mm为模数；截面宽度b以5mm为模数（多数设计工程师亦取10mm为模数）；腹板厚度t可取4mm、5mm、6mm、8mm等，6mm以后以2mm为模数；对于技术条件较好，质w量控制严格的制作单位，t的最小值允许取用3mm；w翼缘厚度t6mm,以2mm为模数。1.3.3-

15、2工字形截面的高宽比（h/b）通常取h/b-25,承受桥式吊车荷载的柱子宜取小值，梁端与柱的连接为侧接（端板竖放）时,b该处梁端可取；6.5。h1.3.3-3变截面刚架构件工字形截面尺寸粗估（图1.3.3，表1.3.3）表1.3.3变截面刚架构件工字形截面尺寸粗估（图1.3.3）有无吊车单跨多跨hc1hb1hb0hc1hc2hb1hb2hb0无吊车H/（1015）L/（3035）L/（5565）H/（1015）H/（1218）L/（3040）L/（3045）L/（4555）或L/（3040）L/（3040）L/（3545）QV5tQ三5tH/（1218）L/（2530）L/（5055）H/（1

16、218）H/（1620）L/（3035）L/（2530）L/（4050）L/（4050）L/（4050）L/（4555）注:1.Q为桥式吊车起重量；2.中柱为摆柱时，将会加大与之相连的梁端弯矩，增加与梁刚接柱的负担。3根据国内的研究成果，楔形柱的楔率Y（见2.3.29）取为23较为合适；4.截面尺寸尚与竖向荷载、风载、抗震设防烈度以及刚架间距等诸多因素有关。本表及表1.3.2只为刚开始做门式刚架设计的工程师在设计开始需输入构件尺寸时作参考，希望在使用中总结经验，修正表中数字。（a）单跨刚架rr屮亠1ih.QL（b）多跨刚架图1.3.3刚架截面尺寸示意图注：1、承受桥式吊车起重量三5t的柱为等截

17、面柱，hc1=hco,hc2二hc02，柱两端均为刚接;2、桥式吊车起重量5t时，可采用楔形柱，但中柱柱顶亦需与梁刚接；3、无桥式吊车的中柱可采用摆柱或楔形柱；采用楔形柱时柱顶与梁刚接；4、中柱为摆柱时可按久120粗估截面尺寸，结构计算时再加调整；5、楔形柱h三200。c0关于变截面刚架构件计算1.3.4-1腹板高厚比建议值工字形截面腹板高厚比hw/tw的建议值：刚架柱：无桥式吊车时，取W160.235/f；有桥式吊车时，取0140235/f；刚架斜梁：取0180.235/f。1.3.4-2腹板屈曲后强度的利用1）当工字形截面构件腹板受弯及受压板幅利用屈曲后强度时，应按有效宽度理论计算截面特性

18、。2）工字形截面构件腹板的受剪板幅的屈曲后强度：当腹板高度变化不超过60mm/m时可考虑屈曲后强度（拉力场），腹板在剪力作用下的行为可分为三个阶段，如图1.3.4-1所示。第一阶段是屈服前阶段，腹板只在剪应力小于临界剪应力T的剪力cr场工作，腹板在剪应力作用下出现主拉应力和主压应力，其作用方向与梁轴成45度角（图1.3.4-1a）；第二阶段是屈曲后阶段，此时板的压应力虽不再增加，但拉应力随荷载的增加而增加（其方向与屈曲前的主拉应力略有差异，图1.3.4-1b），与屈曲前的主拉应力一起形成腹板屈曲后的拉力场，拉力场锚固于上、下翼缘和两旁的加劲肋和腹板，因此利用腹板拉力场时，必须设置腹板横向加劲肋

19、；第三阶段是形成机构而破坏的阶段，屈曲后随着荷载的增加，不仅腹板有一部分受拉屈服，梁的翼缘中还出现塑性铰，使整个梁成为可随时变形的机构（图1.3.4-1C）。TI.；(TT)(T(T-T)crVx图1.3.4-1受剪板的三个工作阶段工字形截面构件腹板受剪板幅利用屈曲后强度，应设置横向加劲肋，根据CECS102:2002的有关公式，按有拉力场理论计算。1.3.4-3关于刚架构件中设置横向加劲肋的讨论1）梁腹板应在与中柱连接处、较大集中荷载作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋；2）柱腹板与梁连接处以及用连接板与吊车梁上翼缘相连处应设置横向加劲肋；3）梁腹板利用屈后强度时，应按有拉力场理论设置横向加劲肋

20、；梁腹板利用屈后强度时，其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。该压力应按下列公式计算：N=V0.9htt（1.3.4-1）swwcr式中h腹板高度，对楔形腹板取板幅平均高度;WT利用拉力场时腹板的屈曲剪应力；入一一参数，其计算公式为:Wh/t九二W.ww37乎-235/fTy（分母中的系数为37与钢结构设计规范GB50017的41不同，是因为门式刚架的梁端部剪力最大处往往弯矩也最大，因而不考虑翼缘对腹板提供的嵌固作用。GB50017的对象是简支梁，梁端剪力最大处弯矩很小，翼缘可对腹板起嵌固作用，嵌固系数取1.23，因而37”123=41。（b）端板横放当验

21、算加劲肋稳定性时，其截面应包括每侧1523叫宽度范围内的腹板面积，计算长度取%图1.3.4-2节点处加劲肋的设置4）当腹板平均剪应力T=V/（hw-tw）符合表1.3.4的要求时，说明没有利用其腹板屈后强度，按无拉力场理论不需设置横向加劲肋。通常刚架斜梁的等截面段和不受水平集中力作用的柱子符合表1.3.4的要求而不需设置横向加劲肋。表1.3.4梁腹板不需要设置横向加劲肋的条件h/tww170160150140130120110100T/fy0.1160.1310.1490.1710.1990.2330.2780.336注:1.本表按Q235计算，若采用其它牌号的钢材时，表中第2行的数字尚需乘以

22、235/fy2489；235T7厂，yy0.8fh2本表按（1.3.4-2）式计算（取fvp=亍），并按美国ASD：厂=h：3360wStT/fwy考虑两国规范的差异，取恒载、活载分项系数为1.35，即以T/L35代入式中的T，则得f，计算结果基本一致。T1y3本表对柱亦适用。1.3.5刚架柱的计算1）变截面柱在刚架平面内的稳定计算，应符合下列规定TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark38 NPM0+m1f(1.3.51)9AN HYPERLINK l bookmark42 XYe0(1)WNXYelExON二兀2EA/l.l九2(1.3.5-2)ExoE0式中N

23、0小头的轴向压力设计值；Ml大头的弯矩设计值；A小头的有效截面面积；eoWel大头有效截面最大受压纤维的截面模量；el9XY杆件轴心受压稳定系数，楔形柱按本篇第二章第二节规定的计算长度系数由现行国家标准钢结构设计规范GB50017查得，计算长细比时取小头的回转半径；B等效弯矩系数，对于有侧移刚架柱取B=1.0；mxmxN参数，计算入时回转半径i0以小头为准，计算长度系数按本篇第二章第二节的规定采用；Exo0注：1.当柱的最大弯矩不出现在大头时，M和Wl分别取最大弯矩和该弯矩所在截面的有效截面量。1el2变截面柱在刚架平面内的稳定计算是整体稳定验算，而不是截面验算，如果是完全弹性的理想直杆，9A

24、对大头和小头都相同。但由于钢材是弹塑性体，且构件有残余应力和几何缺陷，考虑二阶效应，长细比越小按大头计算承载力降低得越多，即小头的(9A)0小于大头的(9A)1因按大头安全。变截面柱在刚架平面外的稳定性，应根据侧向支承点的布置分段进行计算。截面柱下端铰接时，应验算柱端的受剪承载力，当不满足承载力要求时，应对该处腹板进行加强。1.3.6斜梁的计算斜梁的设计，应符合下列规定：实腹式刚架斜梁在平面内可按压弯构件计算其强度，在平面外应按压弯构件计算稳定性,其平面外的稳定性一般通过设置隅撑来保证。实腹式刚架斜梁的出平面计算长度，应取侧向支承点间的距离；当斜梁两翼缘侧向支承点间的距离不等时，应取最大受压翼

25、缘侧向支承点间的距离。图1.3.6隅撑连接当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘的两侧布置隅撑(端部仅布置在一侧)作为斜梁的侧向支承，隅撑的另一端连接在檩条上，见图1.3.6。当斜梁上翼缘承受集中荷载处不设横向加劲肋时，除应按现行国家标准钢结构设计规范GB50017的规定验算腹板上边缘正应力、剪应力和局部压应力共同作用时的折算应力外，尚应满足下列要F15at2f-mw1.3.61)1.3.62)求，以验算腹板在集中力作用下的屈皱：a二1.5-M/(Wf)me式中F上翼缘所受的集中荷载；tf、t分别为斜梁翼缘和腹板的厚度；fwa参数，aW1.0,在斜梁负弯矩区取零;mmM集中荷载作用处的

26、弯矩；W有效截面最大受压纤维的截面模量。e5）斜梁不需计算整体稳定性的侧向支承点间最大长度,可取斜梁受压翼缘宽度的16235/f倍。y1.3.7单面角焊缝为减少腹板因焊接产生变形，并提高工效，当T形接头的腹板厚度不大于8mm且不要求全熔透（例图1.3.7单面角焊缝如刚架构件工字形截面的翼腹连接焊缝）,在技术设备和其它技术条件具备时，经工艺评定合格，单面角焊缝（图1.3.7）应符合下列规定，可采用自动或半自动埋弧焊（跨度较大又设置10吨及以上吊车的刚架柱不宜采用）1）单面角焊缝适用于仅承受剪力的焊缝；2）单面角焊缝仅可用于承受静态荷载和间接动态荷载的、非露天和不接触强腐蚀性介质的结构构件；3）焊

27、脚尺寸、焊喉及最小根部熔深应达到表1.3.7的要求；4）经工艺评定合格的焊接参数、方法不得变更；5）柱与底板的连接，柱与牛腿的连接，梁端板的连接，吊车梁及支承局部悬挂荷载的吊架等，除非设计专门规定，不得采用单面角焊缝。表1.3.7单面角焊缝参数（mm）腹板厚度t最小焊脚尺寸k有效厚度H最小根部熔深（焊丝直径1.22.0）Jw332.11.0442.81.2553.51.465.53.91.6764.21.886.54.62.01.3.8节点设计1）端板连接门式刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放（图1.3.8-la）、端板横放（图1.3.8-lb）和端板斜放（图1.3.8-lc）三种形式。斜梁拼

28、接时宜使端板与构件外边缘垂直（图1.3.8-ld）（b）端板横放（c）端板斜放（d）斜梁拼接图1.3.8-1刚架斜梁的连接柱翼缘与梁端端板用高强螺栓连接时（图1.3.81a）,连接处柱翼缘厚度应与梁端端板相同，但不应切割柱腹板（图1.3.81a）。端板横放（即柱顶平接）时，对于刚接节点，连接螺栓宜尽量放置在柱翼缘的外侧，螺栓数量由计算确定；对于摇摆柱，连接螺栓宜尽可能置于柱翼缘的内侧，一般采用四个螺栓。梁腹板与柱翼缘连接处应设置加劲肋。端板及其连接节点应符合下列规定：（1）端板连接（图1.3.81）应按所受最大内力设计。当内力较小时，端板连接应按能够承受不小于被连接截面承载力的一半设计。（2）

29、主刚架构件的连接应采用高强度螺栓，可采用承压型或摩擦型连接。不得采用普通螺栓。当为端板连接且只受轴向力和弯矩，或剪力小于其抗滑移承载力（按抗滑移系数为0.3计算，以考虑摩擦面涂刷防锈漆或不涂油漆的干净表面情况）时，端板表面可不作专门处理。吊车梁与制动梁的连接可采用高强度摩擦型螺栓连接或焊接。吊车梁与刚架的连接处宜设长圆孔。高强度螺栓直径可根据需要选用，通常采用M16M24螺栓。檩条和墙梁与刚架斜梁和柱的连接通常采用M12普通螺栓。（3）端板连接的螺栓应成对对称布置。在斜梁的拼接处，应采用将端板两端伸出截面高度范围以外的外伸式连接（图1.3.81a-c）。在斜梁与刚架柱连接处的受拉区，宜采用端板

30、外伸式连接（图1.3.81a-c）。当采用端板外伸式连接时，宜使翼缘内外的螺栓群中心与翼缘的中心重合或接近。（4）螺栓中心至翼缘板表面的距离，应满足拧紧螺栓时的施工要求，不宜小于35mm。螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径。（5）在门式刚架中，受压翼缘的螺栓不宜少于两排。当受拉翼缘两侧各设一排螺栓尚不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓（图1.3.82）,其间距可取75mm,且不小于3倍螺栓孔径。（6）与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度（图1.3.82）。当端板上两对螺栓间的最大距离大于400mm时，应在端板的中部增设一对螺栓。（7）对同时受拉和受剪的螺栓，应验算螺栓在拉、剪共同作用下的强

31、度。端板的厚度t应根据支承条件（图1.3.83）按下列公式计算，但不应小于16mm。（端板计算公式是根据“塑性分析，弹性设计”、经过多项试验验证，按不同支承情况下的屈服线得出的。例如，对于伸臂类端板，考虑了通过螺栓中心线及其根部各有一条屈服线时得出的，如果采用普通螺栓连接将不可能产生产生屈服线，因此不能采用普通螺栓连接）。连接处柱内翼缘与端板等戸图1.3.8-2端板竖放时的螺栓和檐檩b（两边）（忡臂）（两过（两边（两迦图138-3端板的支承条件a）伸臂类端板1.3.81)6eNtftbfb）无加劲肋类端板c)两边支承类端板当端板外伸时当端板平齐时c)三边支承类端板I3eNtnwt-(0.5a+

32、e)fw1.3.82)6eeNfwteb+2e(e+e)fWffw1.3.83a)12eeNfwteb+4e(e+e)fwffw1.3.83b)6eeNfwte(b+2b)+4e2wsf1.3.84)式中和图中N个高强度螺栓的受拉承载力设计值；e、ef分别为螺栓中心至腹板和翼缘板表面的距离；wfb、b分别为端板和加劲肋板的宽度；sa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哉，应按下列公式验算剪应力：tf(1.3.85)vMt二(1.3.86)ddtbcc式中d、t分别为节点域的宽度和厚度；eedb斜梁端部高或节点域高度；bM节点承受的弯矩，对多跨刚架中间柱处，应取两

33、侧斜梁端弯矩的代数和或柱端弯距；f节点域钢材的抗剪强度设计值。v当不满足公式(1.3.8-5)的计算要求时，可设置腹板加劲肋或局部加厚腹板。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，坡口形式应符合现行国家标准气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸GB/T985的规定。在端板设置螺栓处，应按下列公式验算构件腹板的强度：当叫?%时fetww(1.3.87)当Nt2W0.4P时N2一1:12_-_钢拱肋L-/L混凝土柱L(跨度)(b)不带拱拉杆的两铰直线拱O7La坡度两铰直线拱的拱脚水平推力随坡度的减小而增加,而拱脚相对位

34、移对拱顶竖向位移的影响亦随坡度的减小而加大；同时考虑到屋面采用金属面板时坡度：不宜太大；据之建议取1/12i1/5；b跨度由于拱脚位移对拱肋受力和拱顶竖向位移的影响相当敏感,建议其适宜跨度不大于30米,对于不带拉杆的两铰直线拱不大于24米。c拱拉杆拱拉杆不能受压，例如风吸力作用下，拉杆仍应保持受拉，否则不宜采用这种结构形式。因此，对于轻钢屋盖，只当拱肋上有较大的悬挂荷载而在风吸力作用下拱拉杆仍受拉时才适宜采用带拉杆的两铰直线拱。(2)结构构造a不带拉杆的两铰直线拱拱脚应设置抗剪键埋入砼柱中，以承受拱脚处水平反力，如图3.1-5；拱脚可用一对或者两对锚栓埋入砼柱，以承受风吸力作用下的上拔力，且利

35、于安装定位。b带拉杆的两铰直线拱的拱脚无需设置抗剪键，余同图3.1-5图3.1-5不带拉杆的两铰直线拱结构构件：a拱肋：拱肋轴力主要由水平反力产生，沿全长变化不大，而弯矩绝对值最大处通常不在拱顶处，因此拱肋可采用等截面构件(H型钢、矩形钢管、双角钢组成的T形截面等)。b拱拉杆：可采用2022、2025、2028,用花篮螺丝张紧；或采用双角钢、圆钢管、方钢管等；c吊杆：可采用钢筋或型钢，吊杆不参与受力，仅为减少拱拉杆的垂度。结构计算a静力计算两铰直线拱是一次超静定结构，可用力法求解，但计算5和A时必须同时考虑弯曲111p变形和轴向变形对位移的影响。对于带拉杆的两铰直线拱，计算511时必须考虑拱拉

36、杆轴向拉伸对位移的影响。对于不带拉杆的两铰直线拱的两拱脚搁置于砼柱柱顶上，在拱脚水平力作用下砼柱顶将产生侧移，因此两拱脚的支承条件应是竖向为没有线位移的铰支座，水平方向是可有一定线位移的弹性支座，这样拱实际上是一种跨变结构，由于两拱脚的相对位移对拱肋受力以及拱顶竖向位移的影响极为敏感，在设计时必须充分考虑，应与混凝土柱一起作整体分析。b结构验算a)拱肋：拱肋宜按压弯构件计算面内稳定，按有侧移取P二1.0；按反对称失稳，取mx计算长度为半坡长度S。b）拱拉杆：带拱拉杆时，若拱拉杆采用双圆钢或双角钢，截面验算时截面积需乘以共同工作系数（0.9）。c）拱肋的面外稳定：可参照规程CECS102:200

37、2，由檩条加隅撑来保证，特别是拱顶处拱肋可能内侧受压，需在内翼缘处加隅撑；风吸力作用使拱肋下翼缘受压处亦需设置隅撑。d）位移限值拱脚水平反力有利于减少拱肋弯矩，使之趋于均匀，提高拱肋承载能力；而拱脚相对位移将减小拱脚水平反力，对拱肋受力是不利的，同时亦将加大拱顶竖向位移，因此必须限制两拱脚的相对位移。拱顶竖向位移由拱肋压缩变形和拱脚位移的影响两部分组成，其中拱脚位移的影响是最主要的。拱脚的位移在满足砼柱顶侧移要求的同时，必须保证拱脚位移以及拱顶竖向位移后拱肋坡度不小于原坡度的2/3。e）风荷载作用下按横梁为有限刚度的排架计算砼柱。f）砼柱设计：砼柱按偏压构件设计，柱顶侧移除满足混凝土结构设计规

38、范GB50010的要求外，尚应符合本节位移限值的要求。此外，尚应在砼柱顶上设置圈梁，并按单层厂房的要求设置柱间支撑。3.2钢筋砼柱、钢斜梁混合门式刚架与钢门式刚架的区别只在梁柱连接节点的做法。1）梁、柱连接为刚接（图3.2）内力计算可用计算软件。此时砼柱为偏压柱。对于图3.2a,b柱顶剪力由抗剪键承受，柱顶弯矩由锚栓或锚筋承受；梁端底板与柱顶钢板的焊缝必须足以传递柱顶处的剪力和弯矩。钢梁一_=4钢梁抗剪键锚栓抗剪键钢筋砼柱一钢筋砼柱已建钢筋砼柱(a)(b)(c)-锚筋图3.2梁柱刚接节点做法示意锚栓做法同平板式柱脚。锚筋按混凝土设计规范GB50010-2002设计。2）做一段钢柱插入混凝土柱内

39、，插入深度不小于钢柱截面高度的2.5倍，钢柱埋入混凝土中的部分按埋入式柱脚处理。内力分析时可按阶形柱考虑。4.门式刚架轻型房屋钢结构的支撑、连续檩条和多跨静定檩条的设计研究门式刚架轻型房屋钢结构的支撑屋盖横向水平支撑的作用：1与柱间支撑一道保证平面刚架的整体稳定，保证结构的空间整体性；2将山墙面抗风柱顶上的纵向风荷载传递到有柱间支撑的柱列上；3与屋盖围护系统所具有的蒙皮效应一道形成对屋盖梁构件平面外的支撑作用。避免屋盖梁侧向弯扭失稳；4便于屋盖梁安装稳定性和屋盖梁定位。柱间支撑的作用1保证刚架的整体稳定和纵向刚度；2承受山墙传来的纵向风荷载，吊车的纵向水平荷载以及其他的纵向水平力（如地震力、温

40、度应力等）；3作为柱子的侧向支撑，决定柱子平面外的计算长度；4便于刚架安装稳定性和刚架定位调整。支撑体系的布置1在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。2柱间支撑宜与屋盖横向水平支撑布置在同一开间，以组成几何不变体系。如不能布置在同一开间，则应加设刚性系杆传力。各道支撑的间距，当无吊车时宜取3045m，有吊车时，可适当加大支撑的间距同时提高支撑的刚度，一般宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处且间距不大于60m。当建筑宽度大于60m时，在内柱列宜适当增加柱间支撑，当不能布置交叉支撑时，可设置纵向刚架或刚架式门式支撑。当有抽柱时，在抽柱的区段应

41、设置纵向水平支撑,当仅为局部抽柱时，纵向水平支撑尚应向两端再延伸一个柱间。.当柱距较大，边柱列采用加墙架柱的方案时，应设置纵向水平支撑见图4.1.3-1所示；当有驾驶室的行车吨位大于15吨时，应在屋盖边缘设置纵向水平支撑；当有高低跨时，宜在高低跨处分层设置柱间上支撑和下支撑，见图4.1.3-2所示；无吊车且檐高不大于9米的建筑，宜仅设单层柱间支撑，当檐高大于9米时，可根据支撑的夹角考虑设置双层柱间支撑。交叉支撑与水平面夹角以45为佳，不宜大于55。有吊车时，应以吊车梁兼做纵向系杆设置上、下两层柱间支撑。端开间可不设置下层支撑以减少吊车梁的温度应力。所有横向支撑、纵向支撑均应与屋盖梁、托架梁、天

42、窗架等构件及纵向系杆或檩条组成几何不变的桁架形式。10屋盖支撑体系中的桁架式直腹杆和纵向传力系杆，可以利用檩条兼做，按压弯构件计算，当单根檩条不能满足设计条件时，可采用双檩条办法见图4.1.3-3，以达到节省用钢量的目的。也可另加系杆。-*-(c)(d),支撑用钢量大小则是(d)(c)(b)(a)，不同刚度的支撑不宜用在同一列柱中，否则刚度小的支撑受力小，起不到应有的作用，上述4种不同的支撑结构型式可按下述原则设计：交叉支撑：可按拉杆设计，压杆退出工作；人字支撑：一杆受拉一杆受压，均应按压杆设计；架式门式支撑：下部按压杆设计，上部交叉杆可按拉杆设计；刚架式门式支撑：梁柱节点为刚接，均按压弯构件

43、设计。支撑的设计和构造要求轻钢实腹式屋盖梁的屋盖横向水平支撑可仅设在靠近上翼缘处，交叉支撑可采用圆钢，按拉杆设计；柱间圆钢支撑可设在靠近柱子的外翼缘处，利用墙面墙梁和墙面蒙皮刚度，便于圆钢支撑张紧。对于中柱则设在柱子腹板中部，此时需考虑腹板连接处的局部刚度。对于张紧的拉杆，不用考虑长细比限值，否则，按长细比九400考虑，对于按压杆设计的支撑，长细比九220。圆钢支撑的设计验算应扣除螺纹部分，采用有效截面计算，设计强度取f=170N/mm2。计算公式：c=N/AfeGB50018-2002的强制性条文规定“当支撑采用圆钢时，必须具有拉紧装置”，圆钢支撑可采用花篮螺栓张紧，见图4.1.5-1所示。

44、花篮螺栓不可直接选用非建筑用的铸钢材料制成品，应选用45号钢或其他有强度保证的类似材料制作。圆钢端头与构件槽孔连接不应采用角钢作垫块，为使连接方便，受力良好，圆钢端部应采用带卡槽的山型楔块或焊接山型垫块见图4.1.5-1所示，带卡槽山型楔块可选用球墨类铸钢材料，焊接山型垫块应选用可焊性好的建筑用钢材。圆钢支撑直接连于柱子靠近外翼缘处出或连于屋盖梁靠近上翼缘的腹板处，应考虑腹板的强度、刚度是否会产生局部屈陷。可采用局部加强的办法解决局部屈陷问题，见图4.1.5-2所示。浙江杭萧钢构股份有限公司参考国外的技术资料，设置局部加强板的规定如表4.1.5；如果支撑孔开在腹板的中心处，则应考虑在支撑的一侧

45、加焊一块横向加劲肋，见图4.1.5-3所示。图4.1.5-1圆钢支撑配件ini臓图4.1.5-2支撑孔局部加强表4.3-1不设加强板的条件圆钢丝扣规格LB允许最小腹板厚度M1270404M1670464M2090545M2490626M27110688M301307610说明：1.支撑孔应靠近翼缘板，否则应考虑设置腹板加劲肋，见图4.3-3所示；2如不满足表2.6.4-1之条件，则应在孔的背面加焊垫板，垫板尺寸可参考表中的值，厚度取610mm。圆钢交叉支撑在有吊车运行或风荷载作用时会出现振动，甚至两支撑相撞击，宜在支撑的交叉中心处将两支撑绑扎在一起，或设置挂钩挂于檩条上或檩条之间的扁担上，可消

46、除振动产生的撞击，扁担可以用C型冷弯薄壁型钢连在相邻的檩条上，见图4.1.5-4所示。当吊车吨位大于5吨时，应考虑在吊车梁以下柱间支撑采用角钢支撑，此时角钢的长细比应满足九300，若吊车吨位大，柱子截面高度大于600mm,宜采用格构式双肢角钢或槽钢分别图4.1.5-4挂支撑的扁担图4.1.5-3支撑孔附近采用加劲连于柱子的内、外翼缘处，见图4.1.5-5所示，缀条的布置，应使构件满足分肢的长细比九1小于最大长细比九口/乂的7倍，斜缀条与构件轴线夹角以45左右为佳。对于小型的格构式支撑可仅设横向缀板，不设斜缀条。图4.1.5-5双肢柱柱间支撑图4.1.5-6吊车梁加隅撑连于柱子外翼缘有吊车梁的建

47、筑柱间支撑分层设置时，宜以吊车梁兼做纵向系杆，此时吊车梁端部应设置角部隅撑连于柱子外翼缘处，一是克服柱子在吊车纵向水平力作用下发生扭转，二是使吊车梁更符合纵向系杆的受力条件，见图4.1.5-6所示。支撑计算实例单跨建筑跨度36m,长度72m,檐高8m，柱距9m，屋盖坡度1:10,地面粗糙度为A类，墙抗风柱距为6m,无吊车，基本风压0.55kN/m2,屋盖支撑与柱间支撑布置在同一柱间，建筑平面图及屋盖支撑布置如图4.1.6-1所示：MOO图4.1.6-1屋盖支撑体系 2 取计算模式，按对称性取一半，见图4.1.6-2所示：,：n、!)gb.：朋;：.C2X2h7J.6J1185.565.3&CT

48、：、斯一58、-35Ci图4.1.6-2半跨屋盖支撑内力计1荷载导算基本风荷载计算设计风压w=0.55Xl.05Xl.4=0.8085KN/m2(设计值)屋盖平均标高H=8+(1.8X0.1)/2=8.9m风压高度变化系数A类“z=1.379X(8.9/10)0.241.341Aj风压边缘带宽度Z=Min(0.1X36，0.4X8.9)43.6m左端抗风柱顶水平力(按CECS102:2002取体型系数)：11P=L=W-H-b屮一-L1DD1z22二0.8085x0.65x(8+16.5x0.1)x6x1.341x1x1二10.20KN221P二L二0.8085x0.65x(8+12x0.1)

49、x6x1.341x=19.45KNL2C21P=L=0.8085x0.65x(8+6x0.1)x5.4x1.341xL3B21+0.8085x0.9x(8+3x0.1)x0.6x1.341x=18.79KN21P=L=0.8085x0.9x(8+1.5x0.1)x3x1.341xl4a丿2=11.93KN右端抗风柱顶水平力(按CECS102:2002取体型系数)：P=R=0.23L=0.23x10.2=2.35KNR1D1P=R=0.23L=4.47KNR2C2P=R1=0.8085x0.15x(8+6x0.1)x5.4x1.341x-R3B2+0.8085x0.3x(8+3x0.1)x0.6

50、x1.341x1=4.59KNP二R二0.33L二0.33x11.93二3.94KNR4A42内力计算不考虑传力滞后效应的内力计算按CECS102：2002,纵向风荷载由各道支撑均匀分担，则每道屋盖支撑传递纵向水平力之和的三分之一11S二(L+R)二x(10.20+2.35)二4.181311311S二(L+R)二x(19.45+4.47)二7.97322311S二一(L+R)二一x(18.79+4.59)二7.79333311S二一(L+R)二一x(11.93+3.94)二5.2943443第一道支撑与第二道支撑之间的纵向系杆受力(因计算取对称，屋脊系杆X内力应1,1乘以2倍)X二2(L-S

51、)二2x(10.2-4.18)二12.0411X二L-S二19.45-7.97二11.48TOC o 1-5 h z1,222X二L-S二18.79-7.79二11.0033X二L-S二11.93-5.29二6.641,444第一道支撑直腹杆受力(因计算取对称，屋脊处直腹杆P内力应乘以2倍)1,1P二2L二2x10.20二20.401P二L+S二19.45+4.18二23.6321P二L+S+S二18.79+4.18+7.97二30.94312P二L+S+S+S二11.93+4.18+7.97+7.79二31.8741234)每道斜拉杆受力T二S/cos0二4.18/cos33.69二5.02

52、11T二(S+S)/cos9二(4.18+7.97)/cos33.69二14.60212T二(S+S+S)/cos9二(4.18+7.97+7.79)/cos33.69二23.963123第二道支撑直腹杆受力(因计算取对称，屋脊处直腹杆P内力应乘以2倍)2,1P二2X二2x6.02二12.041,1P二X+S二11.48+4.18二15.661,21P二X+S+S二11.0+4.18+7.97二23.151,312P二X+S+S+S二6.64+4.18+7.97+7.79二26.581,4123内力第二道支撑与第三道支撑之间的纵向系杆受力(因计算取对称，屋脊处系杆X应乘以2倍)X二2(X-S)

53、二2x(6.02-4.18)二3.681,11X二X-S二11.48-7.97二3.51TOC o 1-5 h z1,22X二X-S二11.00-7.79二3.211,33X二X-S二6.64-5.29二1.351,44三道支撑直腹杆受力(因计算取对称，屋脊处直腹杆P内力应乘以2倍)3,1P二2X二2x1.84二3.682,1P二X+S二3.51+4.18二7.693,22,21P二X+S+S二3.21+4.18+7.97二15.362,312P二X+S+S+S二1.35+4.18+7.97+7.79二21.293,42,4123(8)柱间支撑受力F二S+S+S+S=4.18+7.97+7.9

54、7+5.29=25.231234也可用下式计算：F二P-X二31.87-6.64二25.231,4或：F二P+R=21.29+3.9425.233,44三种计算方法得同一结果，说明计算内力是平衡的。柱间支撑斜拉杆受力：N二F/cos申二25.23/cos41.633=33.761基础反力：H4F425.231V二F-H/d二25.23x8/9二22.4311考虑传力滞后效应的内力计算迎风面首道支撑应乘上1.1内力调整系数：(6)斜拉杆受力T45.02x1.145.52KN1T414.60 x1.1416.06KN2T423.96x1.1426.36KN3(2)直腹杆P二20.401,1P二19

55、.45+4.18x1.1二24.0KN1,2P=18.79+(4.18+7.97)x1.1二32.2KN1.3P二11.93+(4.18+7.97+7.79)x1.1二33.9KN1.4纵向系杆内力不变柱间支撑受力F=25.23x1.1=27.75KNN=33.76x1.1二37.14KN1基础反力：H=25.23x1.1二27.751V二22.43x1.1二24.67KN1对于中间一道支撑内力不变3截面设计1）屋盖支撑斜拉杆设计取T3控制设计，钢材选用Q235,f二170N/mm2,T26.36x1033=A156.7eT=26.36KN，选用016,A=156.7mm23e=168N/mm

56、2f-170N/mm2，通过2）直腹杆和纵向系杆，由檩条兼做，结合檩条的受力一起计算，此处计算从略。3）柱间支撑设计已知N=37.14KN，钢材同前，选用020,A=244.8mm2N37.14x1031二A244.8e1e=152N/mm2f-170N/mm2，通过连续檩条的设计概述轻钢结构的檩条和墙梁通常采用冷弯薄壁型钢构件，如采用连续梁模式的构件则比简支梁模式的内力和挠度大大减小，可得到可观的经济效益。因此，采用冷弯薄壁型钢构件做成连续梁模式或多跨静定梁模式最为经济合理（见图4.3.1-1所示）。现行的冷弯薄壁型钢结构技术规程GB50018-2002仅有简支梁模式的稳定计算公式，不能计算

57、连续梁构件的稳定且对于屋面板蒙皮效应的作用没有专门的考虑，其计算模式与实际工程的构造情况相差很大，无法适应轻钢结构新技术的发展。就连续檩条设计、构造以及计算中的一些问题提出来作一探讨具有重要的意义。檩条的截面形式11轻钢结构中，檩条所占结构用钢量约为53。檩条的选型和计算模式的确定对其用钢量有很大影响。为节省用钢量，又便于制作和安装，通常采用冷弯薄壁型钢，其板厚在1.53mm之间，冷弯薄壁型钢有图422-1所示几种型式，其中最为常用的是（a）和（b）型，若简支时，一般可用于跨度在10米以下的结构中，（c）和（d）型，因腹板有压肋，或有反卷边，因此可以做到全截面有效，可使檩条截面做得更高，跨越更

58、大的跨度；当檩条跨度大于10米时，也可以考虑选用格构式檩条，见图4.2.2-2所示，或采用高频焊接H型钢。图4.2.2-1冷弯薄壁型钢檩条I图4.2.2-2格构式檩条4.2.3连续檩条的结构型式和受力性能1檩条是作为受弯构件承受屋盖板传来的荷载，檩条的结构型式有三种：其一是简支梁模式，可选用C型截面构件，简支檩条构造简单安装方便，但其刚度差，内力大，不经济；其二是连续梁模式，连续檩条因其内力小，挠度小具有明显经济效益日益被工程界广泛接受，但其受力模式比简支檩条复杂得多，由于连续檩条的承载能力大，还可考虑兼做纵向传力的系杆，可大大节省用钢量，当兼做纵向传力的系杆时，此檩条应按压弯构件计算；其三是

59、多跨静定梁模式，见图4.3.1-1所示，可选用C型截面构件也可选用Z型截面构件或高频焊接H型钢，此模式中悬挑部分的荷载可减轻跨中的内力和挠度而使用钢量节省。2为方便制作、运输、安装，连续梁模式的檩条适合于做成嵌套搭接模式，连续梁在支座处弯矩大于跨中弯矩，而支座处嵌套搭接具有双檩条的承载能力，使得材料得以充分运用。在图422-1的檩条截面型式中，只有图中的（a）和（d）适合做成嵌套搭接连续檩条，因此，Z型截面是广泛运用于屋盖檩条的一种型式；3轻型钢结构采用各种防水性能优良的屋盖板体系，使得屋盖坡度可做得较小，具有良好的经济效益。通常屋盖坡度远小于Z型檩条截面的主轴倾角，因此在重力作用下，Z型檩条

60、具有向屋脊方向倾覆的趋势；对于C型檩条，因重力作用远偏离剪心而具有向屋脊方向倾覆的趋势，见图4.2.3.-1所示。图4.2.3-1重力作用下檩条有偏心扭转趋势h对于Z型檩条，其倾覆力矩是M二P-cos-e-P-sin甲厅，欲使M=0，则2ebb=tg9,e值为7;，即满足=tgp条件，可消除倾覆力矩，但通常轻钢屋盖tg0.1,h2hb7Q0.3，故总存在向屋脊方向倾覆力矩，为克服或减少这种力矩，可以使一部分檩条口h图4.2.3-2一部分檩条口朝下A-A朝下坡，见图4.2.3-2所示，但采用这种措施利用了屋盖板连接件与檩条的固定传力，对于具有温度滑移性能的屋盖构造不便作这种考虑，此时，应在檐口处