门式刚架讲义

门式刚架轻型钢结构体系是指“结构构件采用较薄板件，设计时考虑板件局部失稳后的后继强度的钢结构体系”。门式钢刚架是典型的轻型钢结构，也是目前国内应用最为广泛的轻型钢结构。（中国工程建设标准化协会标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002），该规程用于主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1~A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构的设计、制作和安装）一、结构组成轻型门式钢刚架的结构体系包括以下组成部分：（1）主结构：横向刚架（包括中部和端部刚架）、楼面梁、托梁、支撑体系等；主刚架包括门式刚架和山墙抗风柱等部分。（2）次结构：屋面檩条和墙面檩条等；（3）围护结构：檩条、墙梁、墙面及屋面彩板、楼面板、通风采光系统；（4）辅助结构：楼梯、平台、扶栏等；（5）基础。图1-1给出了轻型门式钢刚架组成的图示说明。图1-1轻型钢结构的组成二、结构布置轻型门式钢刚架的跨度和柱距主要根据工艺和建筑要求确定。结构布置要考虑的主要问题是温度区间的确定和支撑体系的布置。考虑到温度效应，轻型钢结构建筑的纵向温度区段长度不应大于300m，横向温度区段不应大于150m。当尺寸超过时，应设置温度伸缩缝。温度伸缩缝可通过设置双柱来实现。支撑布置的目的是使每个温度区段或分期建设的区段建筑能构成稳定的空间结构骨架。布置的主要原则如下：（1）柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内形成抵抗纵向荷载的支撑桁架。支撑桁架的直杆和单斜杆应采用刚性系杆，交叉斜杆可采用柔性构件。刚性系杆是指圆管、H型截面、Z或C型冷弯薄壁截面等，柔性构件是指圆钢、拉索等只受拉截面。柔性拉杆必须施加预紧力以抵消其自重作用引起的下垂；（2）支撑的间距一般为30m-40m，不应大于60m；（3）刚架柱顶、屋脊等转折处应设置刚性系杆。结构纵向于支撑桁架节点处应设置通长的刚性系杆；（4）轻钢结构的刚性系杆可由相应位置处的檩条兼作，刚度或承载力不足时设置附加系杆。除了结构设计中必须正确设置支撑体系以确保其整体稳定性之外，还必须注意结构安装过程中的整体稳定性。安装时应该首先构建稳定的区格单元，然后逐榀将平面刚架连接于稳定单元上直至完成全部结构。三、荷载作用在轻型钢结构上的荷载包括以下类型：（1）恒载(G)：结构自重和设备重。按现行《建筑结构荷载规范》的规定采用；（2）活载：包括屋面均布活载、检修集中荷载(M)、积灰荷载(D)、雪荷载等。其中，《钢结构设计规范》(GBJ50017-2003)规定均布活载的标准值（当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积大于60平方米时，屋面均布活荷载标准值应取为0.3kN/m2；）施岚青条件：有一门式钢结构刚架受荷水平投影面积6mx18m,承受永久荷载标准值0.6kN/m2,屋面积灰荷载标准值0.25kN/m2，风荷载标准值0.5kN/m2。要求：确定不上人屋面活荷载标准值。答案：根据《建筑结构荷载规范》4.3.1条，屋面活荷载应采用0.5kN/m2，有关设计规范可作0.2kN/m2增减。《钢结构设计规范》3.2.1条，对支撑轻屋面的构件或结构（檩条、屋架、框架等），当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积大于60平方米时，屋面均布活荷载标准值应取为0.3kN/m2；现有刚架受荷面积6X18=108〉60，且不止承受一个可变荷载，应取0.5kN/m2检修集中荷载标准值取1.0kN或实际值；积灰荷载与雪荷载按现行《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)[7]的规定采用。积灰荷载与雪和均布活载中的较大值同时考虑；（3）风载(W)：现行《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)。《全国民用建筑工程设计技术措施——结构》中提到：跨高比l/h小于等于4的门式刚架应按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）计算风荷载标准值Wk以及风荷载体型系数Us，不考虑风振系数Bj。但当跨高比l/h大于4的门式刚架及房屋所有围护结构的风荷载标准值Wk宜按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）取用。（4）温度(T)：按实际环境温差考虑；（5）吊车(C)：按GB50009-2001的规定取用，但吊车的组合一般不超过两台；（6）地震作用(E)：按GB50009-2001的规定取用，不与风荷载作用同时考虑。中国工程建设标准化协会标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）条文说明：由于单层门式刚架轻型房屋钢结构自重较小，当抗震设防烈度为7度时，一般不需作抗震验算。抗震验算时，结构阻尼比可取0.05。四、计算程序PKPM、3D3S五、蒙皮效应在垂直荷载作用下，坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。屋面板将与支撑檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势。这时，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而边缘檩条承受轴力起深梁翼缘的作用。显然，屋面板的抗剪切能力要远远大于其抗弯曲能力。所以，蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应。对于坡顶门式刚架，抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度，坡度越大蒙皮效应越显著；而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加，见图5-1所示。图5-1蒙皮效应构成整个结构蒙皮效应的是蒙皮单元。蒙皮单元由两榀刚架之间的蒙皮板、边缘构件和连接件及中间构件组成，如图5-2所示。边缘构件是指两相邻的刚架梁和边檩条（屋脊和屋檐檩条），中间构件是指中间部位檩条。图5-2蒙皮单元蒙皮效应的主要性能指标是强度和刚度。蒙皮单元有以下三种强度破坏的可能性：边缘构件破坏边缘构件可能产生压弯失稳破坏或强度破坏，这类破坏属于脆性破坏，在实际工程中应尽量避免。蒙皮板的剪切屈曲这也是一种脆性破坏，当荷载较大、钢板较薄或板型较差时可能发生，在实际工程中也应尽量避免。连接破坏连接破坏包括板之间的连接破坏和板与边缘构件间的连接破坏。板与檩条之间的连接在平行于檩条方向的破坏属于脆性破坏，其他破坏都属于延性破坏。影响蒙皮单元刚度的因素主要有以下三个：蒙皮板本身的变形刚度蒙皮板的变形包括板的拱褶扭曲变形（所谓的“手风琴”效应）和剪切变形。连接件的变形刚度边缘构件的轴向变形刚度一般而言，中间构件对蒙皮单元的剪切刚度影响不大，但对强度影响较大。在屋面板型选中后，连接件和边缘构件直接影响了蒙皮单元的抗剪刚度和强度。由于蒙皮效应，实际轻型钢结构建筑中，压型钢板在宏观上参与了受力，为刚架构件分担了一部分外荷载，同时在有良好连接的情况下为这些构件提供了很好的侧向约束和扭转约束，改善了结构的受力条件。特别对于受稳定控制的薄壁刚架构件和檩条构件，蒙皮效应尤为显著。然而，由于蒙皮效应的机理和作用条件及效果十分复杂，在实际工程设计中定量地应用蒙皮效应还有一定困难。所以，现行设计规程没有明确给出利用蒙皮效应的条款，所有设计计算公式都忽略了蒙皮效应，只是规定在有充分依据的条件下可以考虑蒙皮效应。然而，必须注意的是，设计中无论我们是否考虑蒙皮效应，蒙皮效应客观上都是存在的。例如，现行轻型钢结构设计规程对水平位移的限制是很宽的，但实际上结构的实测值总是远小于计算值；而实际工程中也发生过屋面压型钢板在正常工作荷载下率先发生破坏的工程事故。所以，忽略蒙皮效应的设计方法有时能得到偏于安全的结果，有时又恰恰相反。考虑蒙皮效应的设计方法并不仅仅具有经济上的意义，更重要的是可以使结构的设计工作状态与实际工作状态更加一致。蒙皮效应只是结构计算节省钢材的一种美好愿望，它对彩板与结构的连接提出了严格的要求。而按照目前国内的专业分工，这部分工作由建筑负责，因此在实际工程中很难实施。故在设计中不提倡考虑蒙皮效应，只是将彩板与结构的连接作为结构的安全储备。六：主刚架平面外计算长度轻型钢结构构件平面外的计算长度为其侧向支撑点间的距离，其依据主要因为支撑点处一般为平面外失稳波形的反弯点。可以认为交叉支撑和刚性系杆与刚架梁柱的连接点为构件的侧向支撑点。屋面檩条和墙面檩条往往连接于梁和柱的一侧翼缘，而梁和柱的两侧翼缘都可能因受压从而产生侧向失稳和侧向位移。所以，檩条和梁柱单侧翼缘的连接点不能作为梁柱构件的侧向支撑点，如图6-1所示。图6-1刚架梁柱单侧翼缘檩条连接处不能作为构件侧向支撑但是，如果檩条与构件连接处设置了隅撑（如图6-2所示），这样的连接能否有效阻止构件两侧翼缘的侧向位移从而作为构件的侧向支撑点呢？如果是全敞开结构，隅撑连接处可以有效阻止构件的扭转变形从而阻止构件的弯扭屈曲变形，但是却不能阻止构件平面外的平行性弯曲变形。所以，构件弯曲稳定系数计算时应取支撑刚性系杆连接间的距离作为平面外计算长度，弯扭稳定系数计算时可取隅撑之间的距离作为计算长度。但是，设置檩条和隅撑的轻型钢结构一般都为封闭式结构，围护板材的面内剪切刚度足以抵抗主结构构件绕其弱轴的弯曲变形，所以构件平面外弯扭失稳和弯曲失稳系数计算时都可以取隅撑之间的距离作为构件平面外的计算长度。图6-2刚架梁柱双侧翼缘檩条隅撑连接处作为构件侧向支撑主刚架的构件和节点形式主刚架由边柱、刚架梁、中柱等构件组成。边柱和梁通常根据门式刚架弯矩包络图的形状制作成变截面以达到节约材料的目的。中柱以承受轴压力为主，通常采用强弱轴惯性矩相差不大的宽翼缘工字钢、矩形钢管或圆管截面。刚架的主要构件运输到现场后通过高强度螺栓节点相连。典型的主刚架如图7-1所示，典型的主刚架节点连接形式如图7-2所示。图7-1主刚架包络图及基本形式图7-2主刚架典型连接节点构件截面的强度设计主刚架工字型截面（见图7-3）中翼缘属于三边支承一边自由板件，一旦发生屈曲局部失稳，其屈曲后的后继强度不明显；腹板属于四边支承板件，局部失稳后的后继强度提高较多。设计时，一般不允许翼缘发生局部失稳，容许腹板局部失稳并利用其屈曲后强度。图3-3翼缘与腹板的典型支承条件根据局部稳定计算的等强原则，当翼缘宽厚比时，翼缘不会发生局部失稳。设计时允许腹板局部失稳，但考虑到刚度及制作等要求，腹板高厚比应作一定要求，目前我国现行《钢结构设计规范GBJ17-88》规定。根据薄壁结构理论，腹板在时会发生屈曲而局部退出工作，因此确定腹板有效面积的抗剪和抗弯承载力成为确定工字型构件截面的强度承载力的关键。（2）门式刚架的刚度计算钢结构的自重轻，材料承载能力高的特点在许多情况下使得位移成了设计的控制条件。在门式刚架轻型房屋钢结构技术规程中规定的在风荷载标准值作用下，单层门式刚架轻型房屋钢结构柱顶的位移和构件挠度的限值如下表所列。表7-1刚架柱顶位移计算值的限值吊车情况其他情况柱顶位移限值不设吊车当采用轻型钢墙墙板时当采用砌体墙时时h/75h/100设有桥式吊车当吊车有驾驶室室当吊车由地面操操作h/240h/150注：h表示刚架柱高度表7-2受弯构件的挠度与跨度比限值构件类别构件挠度限值竖向挠度门式刚架斜梁仅支承压型钢板板屋面和冷冷弯型钢檩檩条（承受受活荷载或或雪荷载）尚有吊顶有吊顶且抹灰1/1801/2401/360檩条仅支承压型钢板板屋面（承承受活荷载载或雪荷载载）尚有吊顶有吊顶且抹灰1/1501/2401/360压型钢板屋面板板（承受活活荷载或雪雪荷载）1/150水平挠度和位移移墙板1/100墙梁仅支承压型钢板板墙支承砌体墙1/1001/180且<50mm注：对悬臂梁，按悬臂长度的2倍计算受弯构件的跨度规程中对构件长细比作了如下规定：表7-3受压构件的容许长细比限值构件类型长细比限值主要构件180其它构件及支撑撑220表7-4受拉构件的容许长细比限值构件类型承受静态荷载或或间接承受受动态荷载载的结构直接承受动态荷荷载的结构构桁架构件350250吊车梁或吊车桁桁架以下的的柱间支撑撑300——其它支撑（张紧紧的圆钢或或钢绞线支支撑除外）400——注：（1）对承受静态荷载的结构，可仅计算受拉构件在竖向平面内的长细比；（2）对直接或间接承受动荷载的结构，计算单角钢受拉构件的长细比时，应采用角钢的最小回转半径；在计算单角钢交叉受拉杆件平面外长细比，应采用与角钢肢边平行轴的回转半径；（3）在永久荷载与风荷载组合作用下受压的构件，其长细比不宜大于250。（3）连接节点上部构件使用高强螺栓节点板连接，在节点设计中需要进行三方面的验算。1）、螺栓群设计螺栓群设计的内容包括抗弯设计和抗剪设计两部分。2）、连接端板厚度t的设计图7-4连接端板按按支承条件件分类端板的实际应力力分布情况况由高强螺螺栓位置和和周遍支承承方式决定定，如图77-4所示为两两边支承的的板件受力力情况。螺螺栓位置可可以根据螺螺栓设计结结果得到，而而支承方式式由构件翼翼缘和腹板板提供，必必要时通过过增加加劲劲板改进支支承条件。另外，此接头端板和高强度螺栓当考虑杠杆力（撬力）影响时，应引进杠杆力影响系数。一般端板厚度不小于理论计算所得的连接螺栓直径的1.0倍，且不应小于16mm。且端板竖放时宜采用外伸式中间有加劲肋的形式，以保证端板有足够的刚度。连接端板中按照照支承情况况可以分为为悬臂类端端板区域、无无加劲肋类类端板区域域、两边支支承类端板板区域、三三边支承端端板区域四四大类，每每类区域规规范中列出出了如下不不同的板厚厚设计公式式。在连接接端板设计计过程中，要要求对每个个区域都进进行板厚设设计，最后后取最大的的板厚作为为最终结果果。3）、节点域设计节点域是指弯剪剪共同作用用的应力情情况比较复复杂的节点点区域。节节点域板件件的过度变变形会影响响节点刚度度，从而降降低计算模模型的准确确性，对构构件强度和和结构变形形造成不利利影响；未未经加强的的节点域板板件在复杂杂应力下甚甚至会发生生破坏。一一般通过增增加节点域域加劲板或或额外增加加该区域板板件厚度来来加强节点点域承载能能力，轻钢钢规范CEECS1002推荐下下列公式对对节点域进进行验算：：图7-6节点域4）、牛腿构造柱上设置牛腿以以支承吊车车梁。（a）边列柱牛腿（b）中列柱柱牛腿图7-7实腹腹柱牛腿构构造八、山墙构架端墙墙构造采用构架端墙时时，由于构构件的数量量较多而截截面较小，需需要做山墙墙整体的计计算和截面面设计。计计算模型取取山墙构架架整体，如如下图8-1所示，不不能把外框框架和抗风风柱分开，这这是由于各各构件的刚刚度差别不不大，并且且缺乏传力力明确的节节点构造，不不能避免屋屋面荷载传传递到每根根柱上；山山墙柱顶出出平面方向向由纵向支支撑和系杆杆提供约束束，认为不不会发生纵纵向的位移移。图8-1构架端墙的设计计模型刚框架架端墙的抗抗风柱计算算的标准模模型如图88-2a，柱脚铰铰接，柱顶顶由支撑系系统提供水水平向约束束。抗风柱柱承受山墙墙的所有纵纵向风荷载载和山墙本本身的竖向向荷载，屋屋面荷载则则通过端刚刚架传递给给基础。抗风柱设计一般般按照受弯弯构件考虑虑，由山墙墙面檩条提提供出平面面支承以提提高受弯构构件的稳定定性能。在在抗风柱跨跨中弯矩最最大处需要要设置墙檩檩隅撑以保保证受压情情况下内翼翼缘的稳定定。当山墙高度较高高，风荷载载较大时，设设计得到的的实腹式柱柱会具有较较高的截面面，这时可可以使用抗抗风桁架代代替抗风柱柱，如图88-2b，桁架的的自重轻并并且有很好好的抗弯性性能，较抗抗风柱有更更好的力学学性能。图8-2抗风柱柱设计模型型九、屋面檩条布布置和构造造轻型门式刚架的的檩条构件件可以采用用C型冷弯卷卷边槽钢和和Z型带斜卷卷边或直卷卷边的冷弯弯薄壁型钢钢。构件的的高度一般般为1400-2500mm，厚厚度1.44-2.55mm。冷冷弯薄壁型型钢构件一一般采用Q235或Q345，大多数数檩条表面面涂层采用用防锈底漆漆；也有采用用镀铝或镀镀锌的防腐腐措施。当当采用镀锌锌时，镀层层等级为A级，镀锌锌量250~~270gg/m2。1、檩条间距和跨跨度的布置置檩条的设计首先先应考虑天天窗、通风风屋脊、采采光带、屋屋面材料、及及檩条供货货规格的影影响，以确确定檩条间间距，并根根据主刚架架的间距确确定檩条的的跨度。确确定最优的的檩条跨度度和间距是是一个复杂杂的问题。随随着跨度的的增大，主主刚架及檩檩条的用量量势必加大大。但主刚刚架榀数的的减少可以以降低用钢钢量，檩条条间距的加加大也可以以减少檩条条的用量。厚厚度更大的的檩条也可可以降低单单位用钢量量的价格。但但是檩条跨跨度的加大大，支撑用用量也相应应增多。所所有这些因因素需要综综合考虑。我我国这方面面内容的研研究相对较较少，英国国对90米长的建筑筑作过系统统的研究，结结果显示，对对于跨度超超过20米的框架，77.5米的框架间间距是最优优的；对于于跨度小于于20米的框架，44.5米的框架是是最优的。2、简支檩条和连连续檩条的的构造檩条构件可以设设计为简支支构件，也也可以设计计为连续构构件。简支支檩条和连连续檩条一一般通过搭搭接方式的的不同来实实现。简支支檩条不需需要搭接长长度，图99-1是Z型檩条的的简支搭接接方式，其其搭接长度度很小，对对于C型檩条可可以分别连连接在檩托托上。采用用连续构件件可以承受受更大的荷荷载和变形形，因此比比较经济。檩檩条的连续续化构造也也比较简单单，可以通通过搭接和和拧紧来实实现。带斜斜卷边的ZZ型檩条可可采用叠置置搭接，卷卷边槽型檩檩条可采用用不同型号号的卷边槽槽型冷弯型型钢套来搭搭接，图99-2显示示了连续檩檩条的搭接接方法。注注意在端跨跨檩条的搭搭接与中间间跨的搭接接稍有不同同，主要是是因为端跨跨框架要跟跟山墙墙架架连接。图9-1檩条布置置（中间跨跨，简支搭搭接方式）图9-2檩条布置置（连续檩檩条，连续续搭接）连续檩条的搭接长长度由供应应厂家经试试验后提供供，但不应应小于1）第一品品刚架，不不小于1400，且不小小于0.11L。2）其余刚刚架，不小小于700，且不小小于0.11L。3、侧向支撑的设设置如前所述，外荷荷载作用下下檩条同时时产生弯曲曲和扭转的的共同作用用。冷弯薄薄壁型钢本本身板件宽宽厚比大，抗抗扭刚度不不足；荷载载通常位于于上翼缘的的中心，荷荷载中心线线与剪力中中心相距较较大；因为为坡屋面的的影响，檩檩条腹板倾倾斜，扭转转问题将更更加突出。所所有这些说说明，侧向向支撑是保保证冷弯薄薄壁型钢檩檩条稳定性性的重要保保障。（1）、拉条和支撑撑提高檩条稳定性性的重要构构造措施是是采用拉条条或撑杆从从檐口一端端通长连接接到另一端端，连接每每一根檩条条。檩条的的侧向支撑撑不宜太少少，根据檩檩条跨度的的不同，可可以在檩条条中央设一一道或者在在檩条中央央及四等分分点处各设设一道共三三道拉条。一一般情况下下檩条上翼翼缘受压，所所以拉条设设置在檩条条上翼缘11/3高的的腹板范围围内。由于需要考虑檩檩条在风吸吸力作用下下的翼缘受受压，需要要把拉条设设置在下翼翼缘附近。考考虑到蒙皮皮效应，可可以考虑上上翼缘的侧侧向稳定性性由自攻螺螺丝连接的的屋面板提提供，而只只在下翼缘缘附近设置置拉条；但但对于非自自攻螺丝连连接的屋面面板，则需需要在檩条条上下翼缘缘附近设置置双拉条。对于带卷边的C型截面檩条，因在风吸力作用下自由翼缘将向屋脊变形，因此宜采用角钢截面或方管截面作撑杆采用拉条应在檐檐口处设置置斜拉条，牢牢固地与檐檐口檩条在在刚架处的的节点连接接。图9--3(a)给出了了一般结构构拉条设置置的方法。屋屋脊处的支支撑起着将将两侧的支支撑联系起起来的作用用，以防止止所有檩条条向一个方方向失稳，所所以屋脊连连接处多采采用比较牢牢固的连接接。图9--3(b)给出了了采用槽钢钢支撑的屋屋脊连接。(2)、刚度檩条的刚度验算算根据屋面面材料的不不同有不同同的限值。仅仅支承压型型钢板的檩檩条构件挠挠度一般控控制在1//150。（3）、拉条支撑的的设计檩条间