钢结构设计方法与工程实例解析研讨班4

第五章门式刚架第五章门式刚架门式刚架结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期，近三十年来得到迅速的发展。目前国内每年有大量的轻钢建筑工程涌现，主要用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、夹层建筑等。门式刚架轻型房屋钢结构体系，由门式刚架承重结构、配套轻型屋盖和墙体围护结构以及相应地支撑系统所组成的结构体系。目前最流行的体系构成，是采用实腹式焊接H型钢门式刚架承重结构、薄壁型刚檩条或墙梁与彩色金属压型钢板组成的组合屋面及墙面围护结构。5.0概述第五章门式刚架5.0概述门式刚架结构示意图第五章门式刚架本工程为某高校试验楼的生产车间，结构布置较为规整。本工程外门窗采用断桥铝合金中空玻璃门窗，室内一般门为装饰木门及钢制推拉门，防火门为钢制防火门，外窗立樘位置齐墙外皮，内窗的立樘位置除特殊注明者居墙中；双向平开门立樘居墙中，单向平开门立樘与开启方向墙面平，结构布置时要考虑其细部的构造要求，留好余量。另外结构布置还应考虑以下因素：(1)厂房的坡度与建筑排水、屋面材料类别密切相关。常用的坡度范围是1/10~1/20。(2)厂房的高度取决于适用条件和建筑要求，有吊车时还要满足吊车运行的净空要求。(3)厂房跨度取决于功能、经济要求。(4)刚架的间距应根据使用功能、刚架跨度、檩条合理跨度、荷载大小等综合确定，一般多在6~9m。5.1相关专业配合第五章门式刚架本结构横向长度54m，为双跨门式刚架结构，两跨分别为36m与18m，两侧各留500mm，与建筑外墙皮对齐。纵向长度102m，两侧各留400mm。结构以6m为一段布置轴网，所有柱子均布置在轴网交点处。厂房内有2台额定起重量为10t吊车，位于36m跨度区间。其平面结构布置图如下图所示。5.2结构选型与结构布置刚架平面布置图第五章门式刚架推荐的截面初选方法(a)翼缘必须满足宽厚比以保证局部稳定性；(b)腹板尽量满足高厚比要求，如果无法满足，可以通过设置加劲肋改善或者利用屈曲后强度；(c)截面尺寸要考虑常用的板型，翼缘宽度一般为10的模数，翼缘与腹板厚度均不宜小于6mm，否则工厂在加工时容易焊穿板件；(d)门式刚架结构中，常用的板厚规格为：6,8,10,12,14,16,18,20,22,26；(e)门式刚架结构中，常用的翼缘规格为：180,200,220,240,250,260,270,280,300,320,350,400,450；(f)门式刚架结构中，常用的截面高度规格为：300,400,450,500,550,600,650,700,750,800,850,900,950；5.3预估截面并建立结构模型第五章门式刚架工程结构荷载信息(1)屋面恒载标准值：0.50kN/m2(2)屋面活载标准值：0.50kN/m2(3)风荷载规范：《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）基本风压：0.50kN/m2建筑类型：封闭式轴线类型：边柱外缘地面粗糙度：B柱底标高(m)：0.00女儿墙高度(m)：0.005.3预估截面并建立结构模型第五章门式刚架工程结构荷载信息(4)地震作用规范：《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）地震烈度：7度(0.10g)水平地震影响系数最大值：0.08计算振型数：9建筑结构阻尼比：0.050特征周期值（秒）：0.45地震影响：多遇地震场地类别：Ⅱ类地震分组：第三组周期折减系数：1.00地震力计算方法：振型分解法5.3预估截面并建立结构模型第五章门式刚架施加节点荷载、单元荷载和单元导荷载5.3预估截面并建立结构模型第五章门式刚架荷载组合系数输入方式5.3预估截面并建立结构模型第五章门式刚架首先在3D3S软件的“单榀设计”菜单中，选择一榀刚架，进行刚架的设计修改。软件在界面库中自动激活宽翼缘工字钢、工字型楔形截面、圆钢和索、冷弯薄壁等四种截面，其中软件规定只有宽翼缘工字钢、工字型楔形两种截面类型可以套用《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002。设计中逐步完成构件截面、构件材性、偏心、计算长度、边界条件等方面设定。新建门架中所有的连接都是刚接，默认没有单元铰接。铰接构造相对于刚接来说，简单很多，方便支座和安装，有条件时宜尽量采用。采用的节点形式要保证结构形式为几何不变体系，柱底弯矩不太大，一般采用柱底为铰接的形式；有吊车且吊车吨位较大时，采用刚接柱脚。多跨门架中柱，柱顶弯矩较小，常做成摇摆柱。柱脚采用铰接还是刚接还要看房屋的高度和风荷载的大小，当风荷载很大，即使没有吊车，也宜设成刚接柱脚，以控制侧移。铰接与否还应结合土质情况。刚接柱脚由于存在弯矩，基础尺寸会较大，使综合造价上升。本工程柱脚全部采用刚接形式。5.3预估截面并建立结构模型第五章门式刚架结构设计是一个整体问题，一定要顾全大局，不能仅仅盯住一个指标。就构件而言，除强度外，还有稳定性、挠度、变形和长细比等指标。设计时要学会全面分析问题，综合考虑各方面的因素。这首先要保证内力和位移的正确性，在此基础上通过应力比简单判断应力结果是否满足要求，必要时候，可以通过分析计算结果文本详细判断结果的合理性。5.4结构分析与工程判定第五章门式刚架本工程结构共有6种不同榀型刚架截面，现取其中一种为例详细介绍其分析方法。5.4结构分析与工程判定第五章门式刚架采用振型分析反应谱法，其结构振动周期如下表所示5.4结构分析与工程判定振型号123456789周期(秒)0.46980.27310.16570.14800.09530.07930.06040.05240.0485截面校核中，可以查询当前截面是否满足要求。其查询窗口如下图所示强度应力比、稳定应力比、抗剪应力比：大于上限为不足，小于下限为过大；局部稳定：需要满足翼缘外伸宽厚比要求，腹板在满足的前提下取有效截面；长细比：大于180为不足；杆件沿2轴和3轴的相对挠度W/L：大于1/180为不足；结构最大竖向位移：大于180为不足；结构水平位移：无吊车大于1/60为不足有不带驾驶室吊车的厂房大于1/180不足有带驾驶室吊车的厂房大于1/400不足。第五章门式刚架此榀刚架包络图如下图所示5.4结构分析与工程判定轴力N包络图剪力V包络图第五章门式刚架此榀刚架包络图如下图所示5.4结构分析与工程判定弯矩M包络图钢架结构位移图结构最大位移为56.3mm，56.3/30000=1/5331/180，满足规范要求。第五章门式刚架屋面支撑布置中注意以下问题。(1)门式刚架的屋面支撑应和斜梁构成几何不变的桁架体系。(2)在房屋每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置独立的空间稳定结构的支撑体系。(3)柱距越大，吊车起重量越大且工作级别越高，支撑的刚度应越大。(4)地震区的支撑宜适当增加，并加强其节点构造。(5)屋面支撑一般采用交叉支撑形式，可仅按轴心拉杆设计，不考虑压杆的工作。非地震区，可考虑用圆钢截面作为支撑。此时，由于圆钢末端设有特殊的张紧装置，可以不控制其长细比。地震区或风载较大时，一般用型钢截面作支撑。支撑一般按长细比控制，当荷载较大时，还应根据内力情况，验算材料强度。(6)系杆一般按压杆设计，常用的截面形式为圆杆截面。5.4结构分析与工程判定第五章门式刚架屋面支撑布置中注意以下问题。5.4结构分析与工程判定第五章门式刚架柱间支撑布置中注意以下问题：(1)厂房的每个单元的每一柱列，都应设置柱间支撑，且边柱与中柱柱列应在同一开间内。(2)有吊车时，柱间支撑应在牛腿上下分别设置上柱支撑和下柱支撑。(3)当抗震设防烈度为8度或有桥式吊车时，厂房单元两端开间内宜设置上柱支撑。(4)厂房各列柱的柱顶，应设置通常的水平系杆。(5)柱间支撑的形式主要有十字形、人字形和门形等。十字形支撑传力直接，构造简单，用料节省，刚度较大，是应用较多的一种形式；人字形和门形主要用于柱距较大或由于建筑、功能限制不能使用十字形支撑的情况。(6)十字形支撑的设计，一般仅按受拉杆件进行设计，不考虑压杆的工作。在布置时，其倾角一般按35°~55°考虑。(7)柱截面高度小于800mm时，一般多是沿柱子中心线设置单片支撑。其截面形式多为圆钢、单角钢、双脚钢组成的T形或两槽钢组成的工字型截面。有吊车时，一般用后两种截面。(8)柱间支撑的截面大小可由计算确定，并应验算其长细比，对于荷载不大的情况，一般由长细比控制。(9)山墙风荷载由独立温度区段的所有柱间支撑承担，计算时，可按柱列求得，然后再平均分配到每道柱间支撑。分层时，可分别求。(10)吊车的纵向制动力由下柱柱间支撑承担。可按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第6.1.2条第1款规定计算。(11)纵向地震作用计算可按柱列法进行，计算按2个质点考虑。(12)纵向地震作用不与山墙风荷载和吊车的纵向制动力同时组合。5.4结构分析与工程判定第五章门式刚架屋面支撑计算支撑形式：等边角钢L125×8截面特性，毛截面面积A=0.1975×10-2m，回转半径ix=0.0388m，ix0=0.0488m，iy0=0.025m。钢材钢号为Q235钢，屈服强度fy=235MPa，强度设计值f=215MPa。构件轴线长度l0=8.485m，平面内计算长度lx=4.243m，平面外计算长度ly=8.485m。螺栓采用C级普通螺栓，抗剪强度设计值fvb=140MPa，抗压强度设计值fcb=305MPa，螺栓规格为M16，螺栓个数为2个，则承压承载力设计值为：支撑内力设计值为N=55.734kN66.368kN，故螺栓强度符合要求。5.4结构分析与工程判定0.850.850.858230566.368bbccNdtfmmMPakN第五章门式刚架截面验算设计原则：按轴心拉杆进行设计，同时按连接设计选定螺栓考虑螺栓孔径的削弱。作用本支撑段剪力设计值V=39.41kN，支撑轴力设计值N=55.734kN，螺栓孔径D0=17.5mm，考虑螺栓孔削减净截面积后，An=1.835×10-3m2。强度验算结果，长细比校核，验算满足。5.4结构分析与工程判定30.3730.850.85215182.75fMPa08.485173.87[]4000.0488xxlmi08.485218.69[]4000.0388yylmi第五章门式刚架以结构中部柱间支撑为例，支撑材料为Q235，支撑柱间距6m，分两层，每层5.05m，合计10.10m，截面为H450×300×8×12。支撑采用双层支撑形式，上层支撑为∟125×8，下层支撑为格构式2∟140×90×8，荷载信息如下：风荷载地面粗糙度B类，基本风压：0.5kN/m2，高度变化系数μz=1.0，迎风面体形系数μs=0.8，经计算后，风荷载等效为节点荷载P1=48kN，作用于柱顶与斜撑的交点位置。吊车荷载纵向吊车水平荷载经由软件先前计算提取，为P2=54.36kN，作用于第一层柱顶与斜撑的交点。5.4结构分析与工程判定第五章门式刚架5.4结构分析与工程判定第五章门式刚架5.4结构分析与工程判定第五章门式刚架5.4构件与节点设计设计窗口第五章门式刚架5.4构件与节点设计本工程以某柱脚为例电算得，柱底设计弯矩为M=98.9kN·m，柱底设计轴力为N=107kN，柱底设计剪力为V=31.3kN。柱脚底板尺寸为b×l=440×720mm，基础混凝土强度等级为C30，锚栓、柱脚底板材质均为Q345B。第五章门式刚架5.4构件与节点设计1、柱脚底板面积验算柱脚底板范围内基础混凝土所受最大正应力为MPaBlMBlN94.260.234.01072.044.09.9861072.044.010763232max基础混凝土强度等级为C30，抗压强度为fc=14.3MPaаmaxfc，所以柱脚底板面积满足要求。第五章门式刚架5.4构件与节点设计2、柱脚底板厚度验算取底板最大正应力作为作用于底板单位面积的均匀压应力进行计算。柱脚底板可分为三边支承区格和两相邻边支承区格，三边支承区格内单位宽度上的最大弯矩为2220.1102.9422516372MpaNmm