大跨度钢结构课件(平面杆件体系)

大跨与空间

钢结构熊刚重庆大学土木工程学院12021/10/10星期日2桁架22021/10/10星期日大跨度屋盖结构中，作为受弯的梁式体系，桁架是一种常见的结构体系。大跨度桁架一般采用简支或悬挑结构形式，桁架的优点是制作与安装都比较简单，其上、下弦及腹杆仅承受拉力或压力。适用跨度：4060m，更大的跨度由于耗钢量过大而不经济。

32021/10/10星期日常用的屋架形式有：三角形、矩形、梯形与拱形等。

屋架的选择首先应符合建筑物的用途，其次应考虑经济、施工方便、便于连接以及结构刚度问题。腹杆的布置应尽量使长杆受拉、短杆受压，杆件之间的夹角在30o~60o之间。2.1桁架的形式和选型42021/10/10星期日三角形屋架在大跨度屋盖中很少用，因为跨中的高度要做得很高。平行弦的矩形屋架也因为不利于屋面排水而很少采用，最常用的是如图2-1所示的梯形（常用钢结构屋架）与拱形桁架（常用预应力混凝土屋架）。52021/10/10星期日图2-1常用桁架形式62021/10/10星期日桁架结构常用于大跨度屋盖结构。我国在50年代北京人民大会堂中曾采用60m跨度的钢屋架，在一些工业厂房中也曾建造了最大跨度达72m的梯形钢屋架。在北京民航港的机修库上，曾采用60m跨度的预应力混凝土拱形桁架。施工时桁架在地面拼装，利用设在柱顶的千斤顶提升就位(图2-2)。

桁架结构还大量用于体育场馆等公共建筑的挑棚结构当中(图2-3)。72021/10/10星期日图2-2预应力混凝土拱形桁架提升82021/10/10星期日在公共建筑中大量用于体育场挑棚结构图2-3

大阪长居田径场(OsakaStadium)92021/10/10星期日

钢结构桁架杆件的形式：（1）角钢（或T型钢）桁架；（2）槽钢、H型钢重型桁架；（3）钢管桁架（圆钢管或矩形管）。102021/10/10星期日

2.2.1基本假定1、节点处所有杆件轴线交与一点；2、荷载作用于节点上，对节间荷载将其分配到相邻两节点并计入节间弯矩；3、各节点为理想铰接。2.2桁架的内力计算112021/10/10星期日对于第3条假定，钢结构设计规范规定：对于节点板连接的桁架，当杆件为H型、箱型等刚度较大的截面，且在桁架平面内的杆件截面高度与其几何长度（节点中心距离）之比大于1/10(对弦杆)或大于1/15(对于腹杆)应考虑节点刚性引起的次弯矩。

同时规定，对于钢管桁架，在桁架平面内杆件的节间长度或杆件长度与截面高度(直径)之比不小于12(对主管)和24(对支管)时才能假定节点为铰接。122021/10/10星期日

2.2.2内力计算和荷载组合

桁架杆件的内力一般采用计算机或图解法及数解法进行计算。

进行荷载组合时，应考虑下列荷载作用情况：1、全跨荷载；2、半跨荷载；3、对轻屋面应考虑风吸力的影响；4、大吨位吊车可能引起的下弦杆件内力变化。132021/10/10星期日

2.2.3抗震分析

桁架结构是平面多自由度铰接体系，每个铰接节点上有两个自由度（图2-4）。地震时，结构体系上受到的水平地震作用主要由屋盖的支承系统（如柱、墙等）承担。所以，大跨度平面杆系屋盖结构的抗震设计中，主要问题是确定地震时结构尚受到的竖向地震作用。一旦求出地震作用，即可将其视为等效静荷载作用于结构来计算地震效应（内力、变形等），进行结构的承载力和刚度验算。142021/10/10星期日图2-4

平面多自由度铰接体系152021/10/10星期日一、自振特性

基本假定：1、节点处所有杆件轴线交与一点；2、荷载作用于节点上；3、各节点为理想铰接；4、竖向地震作用下结构始终处于弹性工作段；5、支座简化为简支，不考虑柱变形对地震作用及效应的影响。162021/10/10星期日基本周期与跨度的关系：

对跨度为24m到72m的钢结构梯形屋架和预应力混凝土拱形屋架的理论分析和实验研究表明：1、大跨度桁架的基本周期在0.2~0.7s之间；2、基本周期随跨度增加而增长，表明跨度越大刚度越小。3、相同跨度的混凝土桁架基本周期小于钢结构桁架。172021/10/10星期日桁架结构的振型：

平面桁架结构类似梁式结构，它的竖向振型与简支梁一样依次为一个半波、两个半波、三个半波，如图2-5：

图2-5

桁架的振型第一振型第二振型第三振型182021/10/10星期日二、竖向地震内力1、振型对内力的影响：

对简支桁架结构的竖向内力，采用振型分解法进行分析，有以下规律：(1)绝大部分杆件的竖向地震内力由第一振型贡献；(2)上下弦中第三振型贡献极小；(3)部分腹杆第三振型起重要作用，主要是位于第三振型节点附近的腹杆。因此，较高振型的影响在于腹杆。192021/10/10星期日

2、竖向地震内力系数：

为方便讨论竖向地震内力与静内力的关系，引入竖向地震内力系数ξi式中：

ξi—第i杆竖向地震内力；

Ssi—第i杆静内力；SEi—第i杆竖向地震内力。202021/10/10星期日

竖向地震内力系数的分布规律：(1)竖向地震影响系数ξ分布较均匀；(2)个别腹杆ξ值较大，但这些腹杆的内力相当小，通常按构造要求设置，不必过多注意。(3)ξ值从支座向跨中逐渐增加，但增长率不大，考虑实际工程中上下弦杆通常采用同一断面，为简化，往往忽略这一变化，取最大ξ值；

(4)相同跨度的预应力混凝土屋架ξ值大于钢屋架的ξ值。212021/10/10星期日三、规范采用的方法

基于以上ξ值的分布规律，为方便应用，《建筑抗震设计规范》直接规定：1、跨度大于24m的屋架、屋盖横梁及托架的竖向地震作用标准值，宜取其重力荷载代表值和竖向地震作用系数的乘积。竖向地震作用系数按表2-1选用。222021/10/10星期日结构类型烈度场地类别ⅠⅡⅢ、Ⅳ平板网架、钢屋架8可不计算（0.10）0.08（0.12）0.10（0.15）90.150.150.20钢架混凝土屋架80.10（0.15）0.13（0.19）0.13（0.19）90.200.250.25表2-1

竖向地震作用系数注：括号中数值用于设计基本地震加速度为0.30g的地区。232021/10/10星期日2、长悬背构件竖向地震作用标准值，8度和9度可分别取该结构、构件重力荷载代表值的10%和20%，设计基本地震加速度为0.3g时，可取该结构、构件重力荷载代表值的15%。242021/10/10星期日根据计算的内力，对杆件进行验算，一般按轴心受力构件验算截面。

强度验算：长细比验算：

整体稳定验算：

局部稳定验算：对有节间荷载的构件，尚应考虑局部弯矩的影响，分别按压弯或拉弯构件进行截面验算。2.3桁架的杆件验算252021/10/10星期日杆件在桁架平面外的计算长度，通常与支撑或檩条的设置有关，对于空间桁架，由于弦杆在桁架平面外支撑较强，一般可减少或取消支撑的设置。262021/10/10星期日2.4节点设计桁架设计的难点在节点和支座，跨度大于35～40m时，梁式结构的支座之一必须作成可移动的，以减小对支承墙体或支柱传递的横向反力，横向反力一般由屋架下弦的弹性变形产生。

272021/10/10星期日2.4.1角钢（或T型钢）桁架一般用节点板连接，过去采用的方法是按桁架弦杆或腹杆的最大内力选择节点板厚，当受力较复杂时不可靠。国外有些规范（如美国AISC规范）规定需进行计算。

88规范后的90年代，重庆钢铁设计研究院会同云南省建筑设计院作了一系列双角钢杆件桁架节点板的试验，其中受拉试件16个，受压试件8个。

282021/10/10星期日

（1）受拉节点试件的破坏特征均为沿最危险的线段撕裂破坏，即图b中的三折线撕裂，和均与节点板边缘线基本垂直。292021/10/10星期日

《钢结构设计规范》用撕裂面法，沿BACD撕裂线割取自由体，假定由于板内塑性区的发展引起应力重分布，破坏时撕裂面各线段上的正应力均匀分布且平行于腹杆轴力，当各撕裂段上的折算应力均达到抗拉强度fu时板件破坏。根据平衡条件并忽略M和V，则第i段撕裂面的平均正应力

i和平均剪应力

i为:302021/10/10星期日折算应力为即令第i段的拉剪折算系数则由写成计算式则为（1）312021/10/10星期日

——第i段撕裂面与拉力作用线的夹角。公式（1）符合破坏机理，其计算结果与试验值之比平均为87.5%，略偏安全且离散性小。公式还适用于下图两种板件的撕裂面的计算。

322021/10/10星期日

由于桁架节点板的外形往往不规则，同时，一些受动力荷载的桁架还需要计算节点板的疲劳，用撕裂面法推导出来的公式计算比较麻烦。故参照国外多数国家的经验，规范建议对桁架节点板也可采用有效宽度法进行承载力计算。有效宽度法假定腹杆轴力Ｎ通过连接件在节点板内按照应力扩散角度传至连接件端部与N相垂直的一定宽度范围内，称为有效宽度be。332021/10/10星期日

假定be范围内的节点板应力达到fu，并令be·t·fu=Nu(节点板破坏时的腹杆轴力)，按此法拟合的结果，当应力扩散角

=270时精度最高，计算值与试验值的比值平均为98.9%；当

=300时，比值为106.8%，考虑到国外多数国家对应力扩散角均取为300，规范取

=300。342021/10/10星期日

有效宽度法适用于腹杆与节点板采用侧焊、围焊、铆钉、螺栓等多种连接情况，（采用铆钉或螺栓连接时，be应取为有效净宽度）。352021/10/10星期日

（2）受压节点在压力作用下，与受压杆件相连的节点板区域除强度破坏外，还有可能丧失稳定。试验共作了8个受压斜腹杆的试件，其中有、无竖腹杆的试件各4个。试验结果有以下特点：①当节点板的自由边长度lf与厚度t之比时（一般出现在无竖腹杆的节点板），节点板稳定性很差，此时应沿自由边加劲。加劲后，稳定承载力有较大提高。362021/10/10星期日②在斜腹杆压力作用下，失稳形式一般为在AB—BC—CD线附近或前方呈三折线屈折破坏。屈折线的位置和方向与受拉时的撕裂线类似，而且一般在区的前方首先失稳，其它各区相继失稳。372021/10/10星期日③节点板的抗压性能取决于c/t的大小（c为受压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距），在一般情况下，c/t愈大稳定承载力愈低，对有竖腹杆的节点板，当时，可不验算节点板的稳定。382021/10/10星期日④对无竖腹杆的节点板，当时，节点板的稳定承载力约为强度承载力的80%，故稳定承载力取0.8betf。当时应按规范附录F进行稳定计算。但当时，规范规定的计算值将大于试验值，不安全，故规定c/t不能超过。对自由边加劲的无竖腹杆节点板，要求与有竖腹杆的相同。392021/10/10星期日

当不满足上述构造要求时，应按规范进行稳定验算。402021/10/10星期日412021/10/10星期日BA区稳定验算AC区稳定验算CD区稳定验算422021/10/10星期日式中t—节点板厚度N—受压斜腹杆轴力—分别为BA、AC、CD长度—各受压区轴心受压稳定系数，按b类截面查取；相应长细比分别为：，

。式中QR、ST、UV为各受压半段中线长度。

—各屈折线在有效宽度上的投影，分别为线段WA、AC、CZ长度。432021/10/10星期日

为保证节点板受压时的稳定，桁架杆件间间隙不能太大，例如有竖腹杆的节点板（或自由边有加劲的节点板），不能理解为c值愈小愈好。规范规定“弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间隙，不应小于20mm”，是由于间隙过小，焊接残余应力影响过大。而对吊车桁架，为避免疲劳破坏又规定此间隙“不宜小于50mm”；同时还规定在工作温度-20

C地区的桁架，为防冷脆，“腹杆与弦杆相邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5t”。同样，这些规定不能理解为杆件间间隙愈大愈好，在某些情况如出现矛盾，应妥善处理。442021/10/10星期日

随着热轧H型钢在我国投产，剖分T型钢用于桁架弦杆或腹杆的情况越来越多。T型钢桁架的优点是：无离缝、防腐易处理、用钢量省。

问题：（1）节点施工不方便；（2）节点构造方式不同，节点内的应力状态更加复杂，同时，对节点受力研究不够，故规范公式均不适用.452021/10/10星期日2.4.2槽钢或H型钢重型桁架桁架节点铰接是一种近似，条件是杆件较细长，以槽钢或H型钢作弦杆或腹杆的重型桁架，设计时应注意节点的次应力，或按刚接节点设计，对重要的节点还应进行有限元分析。

462021/10/10星期日H型钢桁架节点构造472021/10/10星期日

上海证卷大厦

连接两幢主楼的天桥桁架跨度63m，共支承着从17层至26层共8个楼层，采用了H型钢重型桁架。482021/10/10星期日2.4.3钢管桁架（圆管或矩形管）

所有弦杆和腹杆均采用圆钢管或方钢管，在节点处直接焊接连接。方管桁架圆管桁架492021/10/10星期日日本大分体育公园综合竞技场502021/10/10星期日

钢管桁架节点受力复杂，原88规范只有直接焊接的平面桁架式圆管结构的条文。近几年同济大学对圆钢管空间桁架节点作了一些试验和分析；哈建大对直接焊接的方管桁架结构（主管为方管，支管为方管或圆管）的节点作了一些试验和分析，《钢结构设计规范》修订时，其成果已部分纳入。512021/10/10星期日直接焊接的平面圆钢管节点a)X型节点；b)T型或Y型节点；c）K型节点钢管结构的节点形式522021/10/10星期日直接焊接的空间圆钢管节点e)TT型节点；f)KK型节点532021/10/10星期日XX型管节点：

XX型管节点的数据量较少，计算结果与试验结果吻合情况也不甚理想，而这种节点类型目前在实际应用中较少用到，故在规范内未予列入。542021/10/10星期日直接焊接的矩形管（含方管）平面管节点

a)T、Y型节点；b)X型节点；c)K、N型节点，有间隙；d）K、N型节点，搭接。552021/10/10星期日钢管结构的适用范围：（1）不直接承受动力荷载。对于承受交变荷载的直接焊接钢管节点，其疲劳问题远较其它型钢杆件节点受力情况复杂。（2）为防止钢管发生局部屈曲，限制钢管的径厚比或宽厚比；（或）

（3）管结构采用的管材不应采用屈服强度fy超过345N/mm2以及屈强比fy/fu>0.8的钢材，且钢管壁厚不宜大于25mm。因为目前国内外对钢管节点的试验研究工作仅限于此范围。562021/10/10星期日管结构节点的失效模式钢管结构构件的管壁一般很薄，而管径较大，在节点处直接焊接的钢管节点实际上是由几个圆筒壳交汇在一起的一个空间薄壳结构。理论上采用有限元方法或弹性薄壳理论进行分析是可行的，全过程分析需考虑局部材料进入塑性造成的材料非线形和节点处主管局部变形造成的几何非线形。但目前主要依赖试验。圆形和矩形的管节点有7种破坏模式：（1）主管壁因冲切或剪切而破坏；（2）主管壁因受拉屈服或受压局部失稳而破坏；572021/10/10星期日

（3）与支管相连的主管壁因形成塑性铰线而失效；（4）支管与主管间连接焊缝的破坏；（5）受压支管管壁的局部屈曲；（6）受拉支管侧主管壁的局部屈曲；582021/10/10星期日（7）有间隙的K、N形节点中，主管在间隙处被剪坏或丧失轴向承载力而破坏。以上几种失效模式，有时会同时发生。规范针对不同破坏模式给出了节点承载力的计算公式及构造要求，这些公式只有少数是理论推出的，大部分是经验公式。592021/10/10星期日例如：

（1）当由支管与主管间连接焊缝的破坏控制时，可视支管与主管的连接焊缝为全周角焊缝按正面角焊缝公式进行计算，但取

f＝1。角焊缝的计算厚度沿支管周长是变化的，当支管轴心受力时，平均计算厚度可取0.7hf。

602021/10/10星期日

焊缝的长度实际上是支管与主管相交线长度，主、支管均为圆管的节点焊缝传力较为均匀，焊缝的计算长度取为相交线长度，该相交线是一条空间曲线。规范取为：当di/d≤0.65时：lw＝(3.25di－0.025d)(＋0.466)

当di/d>0.65时：lw＝(3.81di－0.389d)(＋0.466)式中

d、di─分别为主管和支管外径；

i─支管轴线与主管轴线的夹角。612021/10/10星期日（2）当由主管壁塑性铰线的失效模式控制时，对X形节点，受压支管在管节点处的承载力设计值按下式计算：式中

n─参数；

n＝1-0.3-0.3()2；当节点两侧或一侧主管受拉时，

n＝1。

t─主管壁厚；

─支管轴线与主管轴线之夹角；

f─主管钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值；

fy─主管钢材的屈服强度；

─节点两侧主管较小轴心压应力的绝对值。

622021/10/10星期日2.2拱

拱式结构外形美观，体现了结构受力与建筑造型的完美结合，是大跨度钢结构中一种重要的形式。632021/10/10星期日642021/10/10星期日3钢拱652021/10/10星期日662021/10/10星期日3.1

拱的特点（1）拱在大跨度屋盖中经常采用，特别是当建筑物要求墙体与屋顶连成一体时，落地拱尤为适用。拱在竖向均布荷载作用下，基本上处于受压状态，适合于以钢筋混凝土之类的材料制成。但在大跨度时，往往做成格构式钢拱。（2）拱的水平推力较大，在设计时必须保证可靠的传递或承受水平推力，这个问题有时会影响拱的选型。672021/10/10星期日对于落地拱来说，最理想的是将推力由基础直接承受(图3-1a)，并由基础传给地基，但这一定要有较好的地质条件。如果拱不能落地，而要设置在一定的高度上，则应考虑利用两侧的框架(3-1b)或纵向水平边梁(图3-1c)来承受拱的推力，这时框架或边梁必须具有足够的水平刚度。有时也可在拱脚处设置三角形的钢筋混凝土框架(图2-1d)，将拱推力通过框架传给地基。此外，也可以在拱脚处设立水平拉杆图2-1e)，这样支承拱的柱子就不承受拱的推力，受力大为简化，大跨度拱的拉杆最好施加预应力。682021/10/10星期日图2-1拱推力的处理692021/10/10星期日图2-1拱推力的处理702021/10/10星期日3.2

拱的形式（1）按结构组成和支承方式，拱可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱三类。

双铰拱三铰拱无铰拱712021/10/10星期日

三铰拱是静定结构，计算分析简单，当基础有不均匀沉降时；不会引起附加内力。但由于跨中存在着铰，使得拱和屋盖结构的构造都比较复杂，刚度也是三者中较差的。

无铰拱的跨中弯矩分布最为有利，但温度应力较大，同时还需要较强的支座。

大跨度屋盖中用得较多的是两铰拱，它的优点是安装简单，用料经济，在温度变化时，由于铰可以转动，温度应力也较低，但如有基础不均匀沉降，则应考虑其对结构内力的影响。722021/10/10星期日（2）拱截面分实腹式和桁架式两种，一般为等截面。拱身所受弯矩较小，因而截面高度不大，实腹式可取l/50~l/80，桁架式可取l/30~l/60。拱截面可采用H型钢、双角钢、T型钢、槽钢、圆钢管和方钢管等。732021/10/10星期日3.3

拱的设计（1）选型：拱轴线的形状应尽可能选择与压力曲线接近。对称并沿拱弦线均布的荷载起主要作用时，宜采用二次抛物线（与弯矩图接近）。为简化拱的设计与制造，也可用圆弧代替，对扁平拱不会引起内力实质性的变化。对于自重很大的高拱，宜采用悬链线外形。在风荷载作用下，由于压力线变化较大，拱的外形宜取两极限压力线的中间线。742021/10/10星期日

（2）风荷载是拱结构计算中一项非常重要的荷载，特别应注意风吸力对拱结构的影响，还应考虑侧风压或端风压作用在建筑物上的情况。

（3）平面的拱式结构为一受压曲杆，应按压弯杆件设计，拱在弯矩作用平面内需要验算强度和稳定性。因曲杆平衡微分方程的求解比较困难，目前只能按弹性方法近似求解杆件的临界力，现行规范暂时还没有曲杆计算长度取值的规定。拱的计算长度系数与拱的形状、拱的矢高f与拱跨l的比值有关752021/10/10星期日

（4）拱在弯矩作用平面外的刚度如果与平面内相差很大，受压时容易产生平面外的失稳，应利用沿房屋长度方向设置的横向支撑系统及檩条体系作为平面外的支撑点。同时，还应按压弯杆件验算平面外的稳定。

（5）拱的支座铰可以有不同的形式。762021/10/10星期日拱脚的构造772021/10/10星期日

（6）三铰拱中的拱顶铰是构造设计的难点，格构式拱在支座铰和拱顶铰的部位，其截面需改变为实腹式，同时还需设置适当的加劲肋，以传递较大的集中反力。782021/10/10星期日重庆市武警总队训练场（跨度61.4m）792021/10/10星期日802021/10/10星期日重庆出口加工区卡口812021/10/10星期日822021/10/10星期日达州市体育场效果图832021/10/10星期日

达州市体育场看台挑棚采用了在节点处相贯连接的圆钢管空间桁架结构，拱顶为覆盖的膜结构。圆钢管空间桁架的主拱跨度为240m，与主拱垂直的次拱最大跨度34m。主拱截面为菱形空间桁架，次拱为三角形空间桁架，次拱与主拱间均采用相贯连接。842021/10/10星期日主、次拱均采用钢管桁架852021/10/10星期日主、次拱钢桁架平面布置图862021/10/10星期日主、次拱截面形状872021/10/10星期日

由于屋面采用膜结构，自重较轻，内力计算中风荷载起控制作用。同时由于结构体型复杂，对风荷载体型系数的取值很难套用现成的数据，因而对风荷载的计算考虑了几种不同的情况。（1）风压力作用；（2）风吸力作用；（3）半跨压力半跨吸力作用。

对复杂而重要的结构，一般应进行风洞试验。882021/10/10星期日3.4

压型钢板拱

压型钢板波纹拱屋盖也是拱式结构的一种，最大跨度可做到60m，造价极低，且施工速度快。缺点是隔热保温效果差，在不对称荷载和集中荷载作用下易丧失整体稳定。892021/10/10星期日4框架式体系902021/10/10星期日与梁式结构体系相比，框架式体系比较经济，且横梁高度可以取得比梁式结构的高度小，刚度也较大，常用于工业建筑。框架柱柱脚可以作成铰接，也可以作成刚接。无铰框架刚度更好，用钢量省、便于安装，但这种框架对温度作用比较敏感，对基础及地基的要求较高。主要有实腹式和格构式两大类。912021/10/10星期日4.1

实腹式框架体系

实腹式框架适用于跨度不太大（L=18～60m）的框架结构。它的优点是制作简单、便于运输，还能降低房屋高度。实腹框架常设计成铰接柱脚。实腹式框架横梁的高度一般取L/12~L/20。当采用卸荷措施后，可取跨度的1/30～1/40。922021/10/10星期日在我国得到大力发展的轻型门式刚架结构，是实腹式框架结构体系的一种，其特点是屋盖及墙体均采用压型钢板，结构主要承受自身的重量。932021/10/10星期日942021/10/10星期日门式刚架是一种有效利用材料的结构形式。由于构件尺寸小，房屋高度相应降低，减轻了建筑体积和重量。构件可以在工厂批量生产，工地安装用高强螺栓连接，简便而迅速，施工期短。同时，门式刚架造型简洁美观，在房屋建筑中可适用于覆盖大面积的单跨、多跨等厂房、仓库和各类公共建筑。952021/10/10星期日4.1.1建筑特点（1）轻型化，屋盖及墙体均为压型钢板，以减轻建筑自重；

（2）吊车吨位：

A1~A5工作级别的桥式吊车

20t；悬挂式起重机

3t。

轻型房屋的刚度相对差，若悬挂吊车吨位大，可能刚架挠度难于满足要求或设计效果不经济。

（3）常用跨度：18

30m，高度4.5~9m。规程规定跨度可作到36m。962021/10/10星期日

目前已建工程最大跨度为72m（粮库、机库），据计算分析，门式刚架跨度大于42m经济性较差，所以技术规程规定适用于跨度小于36m。

关于高度问题，美国MBMA有关条文规定的低层房屋高度是小于60呎，相当于18m。我国的实践经验证明，房子如到18m就6层楼高，那么风荷载、抗震设计、构造等设计问题可能超出门式刚架技术规程的规定，故建议适宜高度一般控制在9m，有桥式吊车不超过12m，这是根据20t桥吊所需的高度测算出来的。972021/10/10星期日982021/10/10星期日4.1.2结构特点（1）主体结构采用门式刚架，刚架可以是单跨、双跨或多跨，还可带附跨。把中柱做成摇摆柱体现了材料集中使用的原则。992021/10/10星期日

（2）采用变化构件截面的手段以适应弯矩变化是门式刚架轻型化的技术措施之一。柱脚常用铰接，（当有桥式吊车时用等截面、柱脚固定）。1002021/10/10星期日

（3）刚架间距一般6m左右，亦可采用7.5~9m，间距太大将增加檩条的用钢量。（4）温度区段长度纵向

300m；横向150m

。

当不超过以上数值时，一般情况下可不考虑温度应力和温度变形的影响。过去苏联钢结构规范关于温度区段长度规定比较严，而美国有关规范规定却比较宽松，门式刚架规程参照美国规范规定纵向温度区段不大于300米。1012021/10/10星期日

柱间支撑的纵向水平刚度较单独柱大得多（约10～20倍），故厂房纵向温度变形的不动点接近于柱间支撑的中点（有两道柱间支撑时，为两支撑距离的中点）。1022021/10/10星期日

规程补充：“当有计算依据时，温度区段长度可适当加大”，是考虑到影响温度区段长度限值的因素较多，在规范中无法逐一反映，让设计人员根据具体情况考虑增减。当温度区段长度超过规范规定的数值时，应进行温度应力的计算或设置温度伸缩缝。温度伸缩缝的两种做法：

a.在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔；此外，吊车梁与柱的连接宜采用长圆孔。

b.设置双柱。1032021/10/10星期日

（5）刚架斜梁的坡度取决于屋面排水坡度，一般i=1/8~1/20。门式刚架常用双坡排水，这样屋面板辅设简易，屋面渗水、漏水现象可能性减少，但排水面积增大，如果有积水现象将很不利，故应严格控制各构件挠度和施工质量。

当屋面坡度大于1/20时，应校核结构变形后雨水排泄的能力，校核时应考虑安装差，支座沉降、构件挠度、侧移和起拱的影响。1042021/10/10星期日

（6）减小构件翼缘及腹板厚度，是门式刚架结构省材料的主要手段之一，一般腹板壁厚在4~10mm（4mm是规程规定的下限），由于板薄，局部稳定很难满足，主要利用腹板截面的屈曲后强度。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002推荐采用Q235、Q345钢材。对冷弯薄壁型钢，北美地区对高强度钢材仅用到其屈服强度的75%左右。1052021/10/10星期日

（7）檩条采用冷弯薄壁型钢，截面一般为C型钢或Z型钢（坡度较大时，可以做到主轴与地面平行）。檩条壁厚一般1.5~3.0mm，1.5mm为规范规定的下限。新修定的国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》已取消了壁厚6mm上限的规定，板厚由设计者自行掌握。1062021/10/10星期日

（8）支撑体系：必须设屋盖支撑系统和柱间支撑系统。屋盖支撑布置在温度区段的两端或端部第二开间（此时第一开间设刚性系杆）。柱间支撑设在与屋盖支撑相同的柱间，无吊车时，间距一般30~45m，不大于60m。有吊车时柱间支撑宜设在温度区段中部。1072021/10/10星期日

支撑一般为十字交叉，截面采用张紧的圆钢或小角钢。1082021/10/10星期日4.1.3荷载计算的特点

1、《建筑结构荷载规范》将不上人的屋面均布活荷载标准值统一规定为0.5kN/m2，不同的结构体系按相应专业规范采用，但不低于0.3kN/m2。对不上人的屋面均布活荷载，较早的荷载规范取0.3kN/m2，后发现对重屋面偏低，74规范改为0.5kN/m2。采用概率极限状态设计法后发现对以恒载为主的结构（混凝土结构）可靠度下降，故又提高到0.7kN/m2。1092021/10/10星期日

现在采用的荷载规范增加了以恒载为主的不利组合式，屋面活荷载中主要考虑的仅是施工荷载即偶然因素的不利影响，故又恢复到0.5kN/m2。但注明“对不同结构可按有关设计规范作0.2kN/m2的增减”。新修订的《钢结构设计规范》规定“对支承轻屋面的构件或结构，当仅有一个可变荷载且受荷面积超过60m2时，取0.3kN/m2

”

。新修订的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》亦按此进行了修订，应注意檩条的计算。1102021/10/10星期日

2、风荷载

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002关于风荷载体型系数是参照美国MBMA编制的《低层房屋系统手册》，其规定的系数是综合压力系数，包含了风的阵风影响，是内外压力的组合系数。由国际权威机构加拿大SICC和美国MBMA共同研究、通过边界层风洞试验求得的，已使用近百年，我国没有自己的数据，故参照采用。

1112021/10/10星期日

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002对风荷载作用下的体型系数有特殊规定。对刚架、檩条、屋面板、墙梁等均有专门的规定。特别应注意房屋端区的风荷载体型系数不同于中间区。

1122021/10/10星期日

（3）雪荷载

雪荷载对轻型钢结构房屋很敏感，故应认真对待，应考虑：半跨雪荷载的增大及多跨门式刚架沟壑处雪荷载增大等；对高大女儿墙宜采取措施防止雪的堆积。我国荷载规范规定两坡面分别取雪荷载标准值的0.75倍和1.25倍；对双山形屋面的规定是：外侧坡面取全载，沟壑处取1.4倍荷载值，其分布长度为自谷底算起每侧各l/4，l为一个山形屋顶的跨长。

1132021/10/10星期日4.1.4檩条设计特点

1、檩条为薄壁构件，在受力状态其组成板件可能丧失局部稳定而产生屈曲，但屈曲后仍能承载（利用薄膜效应，即张力场）。设计中利用其屈曲后强度，一般采用有效截面的方法进行强度计算。

1142021/10/10星期日

构件截面的组成板件按其纵边的支承条件可分为：

1)两边支承板件；

2)一边支承、一边卷边板件

3)一边支承、一边自由板件

1152021/10/10星期日

均匀受压两边支承板件的屈曲后强度及有效宽度

受压板件的有效宽度与板件厚度比值bef/t称为受压板件的有效宽厚比。

1162021/10/10星期日2、檩条的整体稳定计算分为两种情况：

a.风压力作用下：一般压型钢板（条件是有足够的抗剪件）和受压区设置的檩间拉条能起侧向约束作用。

b.风吸力作用下：下翼缘受压（连续设置的檩条在风压力作用下也有类似情况），受力状态类似弹性地基梁，有研究认为可按弹性地基梁的压杆计算，受拉翼缘对其的约束作用视为弹性地基梁的作用，截面扭转和侧向弯曲效应等效转化为作用于下翼缘的侧向荷载，以简化计算。1172021/10/10星期日

保证框架稳定的构造处理—加隅撑，此时檩条按连续梁计算。1182021/10/10星期日4.1.5构件设计特点（1）斜梁轴力较大，一般按压弯构件设计，须满足强度、整体稳定、局部稳定的要求。工字形截面的腹板也可按考虑屈曲后强度进行设计，但最大高厚比不宜大于250。

工字形截面构件腹板考虑屈曲后强度的设计特点

（a）条款不适用于吊车梁，因有关资料不充分，多次反复屈曲可能导致腹板边缘出现疲劳裂纹。1192021/10/10星期日（b）腹板受剪屈曲后的强度计算利用了张力场概念，使极限剪力大于屈曲剪力。精确确定张力场剪力值需要算出张力场宽度，比较复杂，为简化计算采用了相当于下限的近似公式。

（c）利用腹板屈曲后强度，即使hw/tw很大，只要腹板的抗剪承载力不低于构件的实际最大剪力，一般不再考虑设置加劲肋。1202021/10/10星期日

（d）利用腹板屈曲后强度后，构件的抗弯及抗压承载力有所降低，此时应按有效宽度计算截面特性，受压区的有效宽度取:当截面全部受压时：he=

hw

当截面部分受拉时：he=hc

1212021/10/10星期日

有效宽度系数

，与板件局部稳定的临界应力有关，

以通用高厚比作为参数，分为三个阶段，完全弹性、完全塑性及弹塑性，即：当时，

(a)当

(b)当

(c)1222021/10/10星期日

(e)腹板屈曲后的抗剪承载力Vd，应为屈曲剪力与张力场剪力之和，用下列公式计算：当λw

0.8时

Vd=hwtwfv(a)当0.8<λw<1.4时：Vd=hwtwfv[1-0.64(λw-0.8)](b)当λw1.4时：Vd=hwtwfv(1-0.275λw)(c)式中λw——用于抗剪计算的腹板通用高厚比。1232021/10/10星期日（f）工字形截面受弯构件在剪力和弯矩作用下的强度，借用了欧洲规范EC3的基本计算式：当V

0.5Vd时,

M

Me

(a)当0.5Vd<V

Vd时,

(b)Mf—梁两翼缘所承担的弯矩，对双轴对称截面梁

Mf=Af(

hw·+t)f（Af为一个翼缘截面积）；Me—构件有效截面所承担的弯矩，Me=Wef

。1242021/10/10星期日（g）工字形截面压弯构件在剪力、弯矩和轴力共同作用下的强度，采用以下基本计算式：当V

0.5Vd时,

M

Me-NWe/Ae(a)当0.5Vd

V

<

Vd时,

(b)—兼受压力时梁两翼缘所承担的弯矩，对双轴对称截面梁，=Af(

hw·+t)(f-N/A)；Ae

—构件的有效截面面积。1252021/10/10星期日

（h）考虑腹板屈曲后强度的加劲肋设计梁腹板利用屈曲后强度时，其中间加劲肋除承受集中荷载和翼缘转折外，还承受张力场产生的压力，该压力按下式计算：Ｎs=V-0.9hwtw

cr

式中，Ｎs为腹板屈曲后张力场产生的压力；cr为临界剪应力。上式比理论值偏大，以考虑张力场张力的水平分力的不利影响。1262021/10/10星期日

（2）当采用变截面门式刚架时，刚架柱为楔形，其在刚架平面内的计算长度系数、不能再套用《钢结构设计规范》，规程另有特殊规定。变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算公式仍借用了钢结构设计规范的形式。轴力取小头，弯矩取大头。等效弯矩系数按有侧移刚架取1.0。1272021/10/10星期日等截面刚架柱的计算长度1282021/10/10星期日

（3）摇摆柱失稳时，其挠曲线类似于两端铰接的欧拉柱，因此计算长度取1.0。（4）连于刚架的摇摆柱，屈曲时对刚架产生水平