钢结构门式刚架结构设计

门式刚架结构设计济南大学土木建筑学院柱距1.1概述1.1.1单层门式刚架的组成•主承重骨架•檩条、墙梁•屋面、墙面•支撑1.1.2单层门式刚架结构的特点质量轻一般10-30kg/m2，基础费用低。地震反应小，注意风吸力工业化程度高，施工周期短主要构件工厂制作，现场高强螺栓安装综合经济效益高柱网布置比较灵活门式刚架整体性可以依靠檩条、墙梁和隅撑来保证，支撑数量可减少，且多用张紧的圆钢※梁柱多用变截面，省材梁、柱腹板利用屈曲后强度塑性设计不再适用（多个塑性铰）摇摆柱柱脚约束应力蒙皮效应※板件较薄焊接板件≥3mm冷弯构件≥1.5mm压型钢板≥0.4mm图1.2变截面门式刚架1.1.3我国工程应用情况始于20世纪60年代，屋面用瓦材。20世纪70年代在工程上极少应用；20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；20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《冷弯薄壁型钢结构技术规范》1966年版本未颁布；TJ18-75GBJ18-87GB50018-2019《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:98CECS102:20191.2结构形式和结构布置1.2.1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1.3门式刚架形式示例（一）图1.3门式刚架形式示例（二）常做成一个大双坡屋面，避免渗漏和堆雪单脊双坡多跨刚架无桥式吊车：中柱多为摇摆柱有桥式吊车：中柱宜两端刚接截面形式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有桥式吊车：柱宜采用等截面形式柱脚形式无桥式吊车：多按铰接支承设计，通常为平板支座有桥式吊车：刚接摇摆柱变截面门式刚架坡度1/20~1/8运输单元柱子单独一个，梁可为多个。单元内焊接，单元间可通过端板用高强螺栓连接吊车悬挂吊车：起重量不大于3吨桥式吊车：不大于20吨，轻、中级工作制1.2.2结构布置﹡刚架的建筑尺寸和布置跨度：9~36m；高度：4.5~9m（室内净空）；柱轴线：下端中心线或柱外皮梁轴线：最小截面中线，与上表面平行柱距：6m，7.5m或9m挑檐：0.5~1m温度区段：纵向≤300m，横向≤150m。设置伸缩缝的方法：双柱；檩条和屋面板构造有吊车时设置双柱，加插入距图1.4有吊车时的插入距﹡檩条布置一般等间距布置，间距由计算确定；屋脊附近双檩（距屋脊≤200mm）；天沟附近布置一根以固定天沟；考虑天窗、采光带等的具体情况。﹡墙梁布置考虑门窗、挑檐、雨棚等的具体情况；压型钢板墙面宜布置在柱外；间距由计算确定。﹡支撑和刚性系杆布置布置原则：温度区段柱间支撑与屋面横向支撑同时设置位置、间距(30～45;60)高度大时分层设，宽度大时内柱设刚架转折处支撑交叉点支撑形式：十字交叉圆钢支撑，夹角30°-60°型钢支撑1.3刚架设计除《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102)有专门规定外，按《建筑结构荷载规范》(GB50009)采用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可变荷载屋面活荷载：对压型钢板屋面，按水平投影计，取0.5kN/m2，常取0.3kN/m2施工检修集中荷载（人和小工具的重力）：1kN，按最不利位置1.3.1荷载及荷载组合屋面雪荷载和积灰荷载：按GB50009采用，考虑荷载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：按《规程》，垂直于建筑物表面的风荷载：ksz0wwwk——风荷载标准值（kN/m2）；w0——基本风压，按《建筑结构荷载规范》的规定采用；z——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；s——风荷载体型系数，考虑内、外风压最大值的组合，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1.5刚架的风载体型系数分区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。起有利作用者不加，但要注意同时发生的荷载。⑶地震作用组合，采用底部剪力法，按GB50011计算。1.3.2刚架内力和侧移计算内力变截面门式刚架：弹性分析方法全部为等截面构件时：可采用塑性分析方法设计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）。分段等截面单元或楔形单元。手算校核时，可将变截面构件折算为等截面构件控制截面的内力组合（柱顶、底、牛腿处，梁端、跨中）（1）对构件：最大压力Nmax和相应的M和V；（2）对构件：最大弯矩Mmax和相应的N和V；（3）对锚栓：最小压力Nmin和相应的M和V。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CECS102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。不满足时可采取的措施放大截面修改柱脚约束若有摇摆柱，上端改为刚接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屋面坡度改变值：≤屋面坡度的1/3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/150构件长细比要求受压构件：主要构件[]≤180，其它构件及支撑[]≤220；受拉构件：承受静力荷载时，桁架构件[]≤350；吊车梁以下柱间支撑[]≤300；其它支撑[]≤400；承受动力荷载时[]≤250。张紧的圆钢或钢绞线：不限制1.3.3刚架柱、梁设计1.3.3.1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：对于梁柱的腹板:ywwfth235250(3)腹板应按规程要求计算有效宽度。图1.6截面尺寸1y23515btf(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：dwwvVhtfwvvwvwvwvwv0.80.81.4[10.64(0.8)]1.4(10.275)ffffff当时，当时，当时，2wτw2wτw145.34()15.344()ahkahahkah当时，当，(3)腹板的有效宽度(工字形截面腹板)当腹板全部受压时,he=hw当腹板部分受拉时，拉区全部有效，压区有效宽度为he=hc当8.0时1当2.18.0时)8.0(9.01当2.1时)2.1(24.064.0wwσy28.1235htkf11112.011622k12图1.7有效宽度分布当腹板边缘最大应力1f时，计算时可用R1代替式fy，R为抗力分项系数，对Q235和Q345钢，R=1.1。当截面全部受压，即0时e1e25hhe2ee1hhh当截面部分受拉，即0时e1e0.4hhe2e0.6hh1.3.3.2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2fefd110.5VMMMMV当为双轴对称截面时ffw()MAhtf(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NeeeeMMMNWA2NNNfefd110.5VMMMMVNffw()()MAhtfNA1.3.3.3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：图1.8腹板屈曲后受力模型swwcr0.9NVhtwcrwv2wcrvw0.81.25[10.8(0.8)]1.25ff当时，当时，计算长度取腹板高度hw，按两端铰接的轴心受压构件按GB50017计算其稳定性，考虑加紧肋及两侧各的面积。wy15235tf1.3.3.4变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算计算公式为：0mx10xe0xe1Ex0(1)NMfNAWN2e02Ex01.1EAN当柱的最大弯矩不出现在大头时，M1和We1分别取最大弯矩和该弯矩所在截面的有效截面模量。与GB50017差异：(1)无x；(2)弯矩放大系数也有所不同；(3)有效截面特性。大头截面应力较大，故弯矩项以大头截面为准；(A)小头小，轴力小头大，所以轴力项以小头截面为准。m取1.0x按毛截面计算1.3.3.5变截面柱在刚架平面内的计算长度计算长度应取为h0=h，确定方法有3种：查表法、一阶分析法、二阶分析法：查表法（柱脚铰接的对称刚架）（1）柱脚铰接单跨刚架，按下表查，表中1c1KIh2b0(2)KIs此表相当于GB50018规范附表A3.2的计算长度系数乘以c0c10.85/IIs为半跨斜梁长度，为斜梁换算长度系数，见16~17页K2/K10.10.20.30.50.751.02.0≥10.010ccII0.010.020.030.050.070.100.150.200.4280.6000.7290.9311.0751.2521.5181.7450.3680.5020.5990.7560.8731.0271.2351.3950.3490.4700.5580.6940.8010.9351.1091.2540.3310.4400.5200.6440.7420.8571.0211.1400.3200.4280.5010.6180.7110.8170.9651.0800.3180.4200.4920.6060.6970.8010.9381.04