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第3章轻型单层工业厂房钢结构设计轻型房屋钢结构体系轻型房屋钢结构体系在传统观念中，一般指由圆钢、小角钢（∟45×4及∟56×36×4以下）组成的小型或小跨度屋架、钢架结构，采用砖墙、混凝土墙板和屋面板，多用于小型厂房、仓库或临时建筑。随着冷弯薄壁型钢和彩色压型钢板等新型围护结构和材料的出现，其概念已发生根本性变革，与传统钢结构相比，其“轻”主要体现在:¾采用轻质围护结构，大大减轻恒载，整体结构自重轻；¾采用标准化、自动化生产构件，现场装配，施工进度快；¾广泛用于大中小跨度、工业与民用建筑，空间布置灵活，建筑造型轻；¾可回收，符合环保及可持续发展原则。1概述1.1单层门式刚架的组成柱距山墙抗风柱山墙抗风柱吊车梁吊车梁天窗架天窗架1.2单层门式刚架结构的特点¾质量轻一般10~30kg/m2，地震反应小，注意风吸力¾工业化程度高，施工周期短主要构件工厂制作¾综合经济效益高¾柱网布置比较灵活¾梁柱多用变截面，省材¾整体性依靠檩条、墙梁和隅撑来保证，支撑多用张紧的圆钢1.3工程应用情况¾20世纪70年代在工程上极少应用；¾始于20世纪60年代，屋面用瓦材。¾20世纪80年代在经济特区引进国外门式刚架轻钢房屋，压型钢板始见用于屋面和墙面；¾20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。国家标准的制订情况¾《冷弯薄壁型钢结构技术规范》1966年版本未颁布；TJ18-75GBJ18-87GB50018-2002¾《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:98CECS102:20022结构形式和结构布置2.1门式刚架的结构形式按跨度：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图2门式刚架形式示例(d)(e)(f)(a)(b)(c)图1.2门式刚架形式示例单脊双坡多跨刚架¾无桥式吊车：中柱多为摇摆柱¾有桥式吊车：中柱宜两端刚接截面形式¾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¾有桥式吊车：柱宜采用等截面形式柱脚形式¾无桥式吊车：多按铰接支承设计，通常为平板支座¾有桥式吊车：刚接坡度1/20~1/8运输单元¾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¾悬挂吊车：起重量不大于3吨¾桥式吊车：不大于20吨，轻、中级工作制图1.3门式刚架实例2.2结构布置¾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：昀小截面中线，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¾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¾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3刚架设计除《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS：102)有规定外，按《建筑结构荷载规范》(GB50009)采用¾永久荷载结构自重：按《建筑结构荷载规范》GB50009采用悬挂荷载：按实际情况¾可变荷载屋面活荷载：对压型钢板屋面，按水平投影计，一般取0.5kN/m2，可取0.3kN/m2施工检修集中荷载（人和小工具的重力）：1kN，按昀不利位置3.1荷载及荷载组合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：竖向和水平荷载，按GB50009采用。地震作用：按《建筑抗震设计规范》GB50011采用。风荷载：垂直于建筑物表面的风荷载，按下式计算：0wwzsk⋅⋅=μμwk——风荷载标准值（kN／m2）；w0——基本风压，按《建筑结构荷载规范》的规定值乘以1.05采用；μz——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；μs——风荷载体型系数，考虑内、外风压昀大值的组合，含阵风系数。其中风载体型系数按美国MBMA手册的规定采用。表1刚架的风荷载体型系数分区端区中间区建筑类型1E2E3E4E5E6E123456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＋1.00－0.20－0.15－1.40－1.05－0.95＋0.75－0.05注：①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)单坡刚架图1.4刚架的风载体型系数分区¾荷载效应组合:应符合以下原则⑴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；⑵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；⑶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；⑷多台吊车的组合应符合GB50009的规定；⑸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：⑴1.2×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）］；⑵1.0×永久荷载＋1.4×风荷载或1.0×永久荷载＋1.4×0.9×(风荷载＋吊车荷载）组合(1)用于截面强度和构件稳定计算，(2)用于柱脚锚栓验算。3.2刚架内力和侧移计算¾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，或利用静力计算的公式和图表。¾控制截面的内力组合（1）昀大压力Nmax和相应的M和V；（2）昀大压力Mmax和相应的N和V；（3）昀小压力Nmin和相应的M和V。¾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CECS102¾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。¾受弯构件的挠度限值门式刚架斜梁竖向挠度：（L为构件跨度）仅支承压型钢板和檩条L/180尚有吊顶L/240有悬挂起重机L/400檩条竖向挠度：仅支承压型钢板L/150有吊顶L/240压型钢板竖向挠度：承受活荷载或雪荷载L/150¾构件长细比要求受压构件：主要构件[λ]≤180，其它构件及支撑[λ]≤220；受拉构件：承受静力荷载时，桁架构件[λ]≤350；吊车梁以下柱间支撑[λ]≤300；其它支撑[λ]≤400；承受动力荷载时[λ]≤250。3.3刚架柱、梁设计3.3.1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：yftb23515≤对于梁柱的腹板:ywwfth235250≤thwtbtw图7-5截面尺寸图1.5截面尺寸腹板应按规程要求计算有效宽度。(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60mm／m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[4.18.08.0''λλλλλ−=≥−−==′≤时，当时，当时，当y⋅=τλ22)(434.51)(34.541=≥+=ττ，当时，当(3)腹板的有效宽度当腹板全部受压时,he=ρhw当腹板部分受拉时，拉区全部有效，压区有效宽度为he=ρhc当8.0≤ρλ时1=ρ当2.18.0≤ρλ时)8.0(9.01−−=ρλρ当2.1ρλ时)2.1(24.064.0−−=ρλρywwfkth2351.28⋅=σρλ()()()βββσ++−++=11112.011622k12σσβ=he2he1hcσ1he1hwhe2σ2=βσ1σ1σ2有效宽度分布当腹板边缘昀大应力σ1f时，计算λρ时可用γRσ1代替式fy，γR为抗力分项系数，对Q235和Q345钢，γR=1.1。当截面全部受压，即β0时()β−=521eehh12eeehhh−=当截面部分受拉，即β0时eehh4.01=eehh6.02=3.3.2刚架梁、柱构件的强度计算(1)工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩M共同作用下的强度当V≤0.5Vd时eMM≤当0.5Vd＜V≤Vd时()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−⋅−+≤215.01dfefVVMMMM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V≤0.5Vd时当0.5Vd＜V≤Vd时当为双轴对称截面时eeeNeAWNMMM⋅−=≤()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−−+≤215.01dNfNeNfVVMMMM))((ANfthAMwfNf−+=3.3.3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hw~2hw。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产生的压力外，还应承受拉力场产生的压力：crwwsthVNτ9.0−=225.1)]8.0(8.01[25.18.0wvcrwvwcrwffλτλλτλ=−−=≤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。3.3.4变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算计算公式为：fWNNMANexyExmxexy≤′−+100100)1(ϕβϕ20201.1λπeExEAN=′当柱的昀大弯矩不出现在大头时，M1和We1分别取昀大弯矩和该弯矩所在截面的有效截面模量。3.3.5变截面柱在刚架平面内的计算长度计算长度应取为h0=μrh，方法有3种：查表法、一阶分析法、二阶分析法¾查表法（1）柱脚铰接，按下表查，表中hIKc11=)2(02sIKb⋅⋅=ψ此表相当于GB50018规范附表A3.2的计算长度系数μ乘以10/85.0ccIIK2/K10.10.20.30.50.751.02.0≥10.010ccII0.010.020.030.050.070.100.150.200.4280.6000.7290.9311.0751.2521.5181.7450.3680.5020.5990.7560.8731.0271.2351.3950.3490.4700.5580.6940.8010.9351.1091.2540.3310.4400.5200.6440.7420.8571.0211.1400.3200.4280.5010.6180.7110.8170.9651.0800.3180.4200.4920.6060.6970.8010.9381.0450.3150.4110.4830.5890.6720.7900.8951.0000.3100.4040.4730.5800.6500.7390.8720.969柱脚铰接楔形柱的计算长度系数μr（2）多跨刚架中间柱为摇摆柱时，边柱的计算长度为hhr⋅⋅=μη0)()(1∑∑+=fifililihPhPη摇摆柱的计算长度系数取为μr=1.0。计算边柱时的斜梁长度Pf1Pl1Pl2Pf2lbPf1P1Pf2lblbPl1¾一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3014.4KhEIcr=μ3085.5KhEIcr=μ)](