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-1-第一章轻钢结构1.1概述单层门式刚架结构是以主要承重骨架、檩条、墙梁、屋面、墙面、保温隔热材料、支撑组成的一种轻型房屋结构体系。单层门式刚架结构和钢筋混凝土结构相比具有以下特点：(1)质量轻(2)工业化程度高，施工周期短(3)综合经济效益高(4)柱网布置比较灵活门式刚架轻型房屋结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期。近年来其应用得到了迅速的发展，主要用于轻型的厂房、仓库、建材等交易市场、大型超市、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。1.2结构形式和结构布置门式刚架又称山形门式刚架。其结构形式按跨度可分为单跨双跨和多跨按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。结构布置：1.刚架的建筑尺寸和布置：(1).跨度取横向刚架柱间距离，跨度宜为9－36m(2).高度应取地坪柱轴线与斜梁轴线交点的高度，宜取4.5－9m(3).门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、或9m(4).温度分区：纵向温度区段300m横向温度区段150m2.檩条和墙梁的布置：(1).屋面檩条一般应等间距布置。但在屋脊处，应沿屋脊两侧各布置一道檩条，使得屋面板的外伸宽度不要太长(一般小于200mm)，在天沟附近应布置一道檩条，以便于天沟的固定。确定檩条间距时，应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。(2).侧墙墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。(3).支撑和刚性系杆的布置：在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30-45m；有吊车时不宜大于60m。当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。刚性系杆可由檩条兼任，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H形钢或其它截面形式的杆件。1.3刚架设计1.在进行刚架内力分析时，所需考虑的荷载效应组合主要有：（1）1.2×永久荷载+0.9×1.4×[积灰荷载+max{屋面均布活荷载、雪荷载}]+0.9×1.4×(风荷载+吊车竖向及水平荷载)（2）1.0×永久荷载+1.4×风荷载-2-组合(1)用于截面强度和构件稳定性计算，组合(2)用于锚栓抗拉计算。2.刚架梁、柱构件的强度、整体稳定计算正应力验算：剪应力验算：弯矩作用平面内：弯矩作用平面外：3.变截面柱的整体稳定计算变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算：变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算：4.节点设计门式刚架结构中的节点有：梁与柱连接节点、梁和梁拼接节点及柱脚。当有桥式吊车时，刚架柱上还有牛腿。门式刚架斜梁与柱的刚接连接，一般采用高强度螺栓．端板连接。具体构造有端板竖放、端板斜放和端板平放三种形式。斜梁拼接时也可用高强度螺栓．端板连接，宜使端板与构件外边缘垂直。门式刚架的柱脚，一般采用平板式铰接柱脚，当有桥式吊车或刚架侧向刚度过弱时，则应采用刚接柱脚。1.4压型钢板设计压型钢板具有自重轻、强度高、刚度较大、抗震性能较好、施工安装方便，易于维护更新，便于商品化、工业化生产的特点。压型钢板具有简洁、美观的外观，丰富多彩的色调以及灵活的组合方式，是一种较为理想的围护结构用材。压型钢板通常采用由板厚度为0.5mm～2.0mm的薄钢板经冷轧或冲压成型。压型钢板基层应优先选用带有镀锌或镀铝锌的钢卷板，钢板表面带有彩色涂层。亦可采用其它经表面防腐处理的薄钢板。压型钢板的截面几何特性采用“线性元件法”计算。可变荷载计算时要考虑施工检修集中荷载的影响，剪应力计算需-3-要考虑腹板的高厚比影响。压型钢板和用于檩条、墙梁的卷边槽钢和Z形钢都属于冷弯薄壁构件，这类构件允许板件受压屈曲并利用其屈曲后强度。因此，在其强度和稳定性计算公式中截面特性一般以有效截面为准。但对于对于翼缘宽厚比较大的压型钢板，设置尺寸适当的中间纵向加劲肋，就可以保证翼缘受压时全部有效。压型钢板的强度和挠度可取单槽口的有效截面，按受弯构件计算。内力分析时，把檁条视为压型钢板的支座，考虑不同荷载组合，按多跨连续梁进行。压型钢板的构造规定：（1）腹板与翼缘水平面之间的夹角不宜小于45°。（2）宜采用长尺寸板材，以减少板长度方向的搭接。（3）长度方向的搭接端必须与支撑构件(如檩条、墙梁等)有可靠的连接部位应设置防水密封胶带。（4）搭接长度不宜小于下列限值：屋面：高波（波高70mm）压型钢板：275mm低波（波高70mm）压型钢板：375mm屋面坡度1/10时：250mm屋面坡度1/10时：200mm墙面：压型钢板：120mm1.5檩条设计檩条的截面形式可分为实腹式和格构式两种。当檩条跨度(柱距)不超过9m时，应优先选用实腹式檩条。设置在刚架斜梁上的檩条在垂直于地面的均布荷载作用下，沿截面两个形心主轴方向都有弯矩作用，属于双向受弯构件。在进行内力分析时，首先要把均布荷载分解为沿截面形心主轴方向的荷载分量qx、qy。1.檩条的截面验算：(1)强度计算——按双向受弯构件计算：当屋面能阻止檩条的失稳和扭转时，可按下列强度公式验算截面：2.整体稳定计算：当屋面不能阻止檩条的侧向失稳和扭转时(如采用扣合式屋面板时)，应按稳定公式验算截面：3.变形计算：实腹式檩条应验算垂直于屋面方向的挠度。对卷边槽形截面的两端简支檩条：对Z形截面的两端简支檩条：-4-4.檁条的构造要求：当檩条跨度大于4m时，应在檩条间跨中位置设置拉条。当檩条跨度大6m时，应在檩条跨度三分点处各设置一道拉条。拉条的作用是防止檩条侧向变形和扭转并且提供x轴方向的中间支点。此中间支点的力需要传到刚度较大的构件为此，需要在屋脊或檐口处设置斜拉条和刚性撑杆。1.6墙梁、支撑设计一、墙梁设计墙架系统主要由墙梁、拉条、斜拉条、撑杆、以及墙面板等组成。墙梁的截面主要是C型和Z型两种冷弯薄壁型钢截面形式。通常墙梁的最大刚度平面在水平方向（槽口方向向下），墙梁主要承担水平风荷载。墙梁槽口的朝向应视具体情况而定：槽口向上，便于连接，但容易积灰积水，钢材易锈蚀；槽口向下，不易积灰积水，但连接不便。墙梁的间距取决于墙板的材料强度、尺寸、所受荷载的大小等，一般墙梁的间距取1－1.5米左右，遇有窗口位置等情况作特殊处理。墙梁的计算：墙梁的荷载组合有两种：1.2×竖向永久荷载+1.4×水平风压力荷载1.2×竖向永久荷载+1.4×水平风吸力荷载墙梁承担双向荷载，为一双向受弯构件。当荷载未通过截面弯曲中心时，尚应考虑因荷载偏心产生的双弯扭力矩B（单侧挂墙板）。当墙梁双侧挂墙板（图a），且墙板与墙梁牢固连接时，墙梁受荷不会发生扭转，此时双弯扭力矩B＝0；当墙梁单侧挂墙板时（图b），由于竖向荷载和水平风载均不通过墙梁中心A，且单侧挂墙板不能有效阻止墙梁的扭转，此时墙梁将产生双弯扭力矩B。墙梁截面的验算：首先根据墙梁跨度、荷载和拉条设置情况，初选墙梁截面，然后对墙梁截面进行验算。截面验算包括：正应力验算，剪应力验算，整体稳定验算以及刚度验算。二、支撑设计柱间支撑的截面型式：采用两个角钢组成的T型截面、圆钢管截面。柱间支撑的布置:一般布置在厂房两端第一开间或者是第二开间，若厂房长度超过60米时，则需要在中部再加设一道支撑。柱间支撑的型式：根据厂房使用要求可以布置成十字型或者八字型。柱间支撑作用：主要传递山墙传来的风荷载，增加房屋整体刚度。柱间支撑斜杆按拉杆设计，如图所示，当杆件受压时退出工作，另一个斜拉杆承载。-5-柱间支撑计算：按拉杆设计，所受拉力为：强度验算:刚度验算:1.7建筑构造设计天窗结构通常由天窗架、檩条（或太空轻质大型屋面板）、侧窗横档和天窗架支撑系统组成。天窗架的跨度和高度根据厂房的采光和通风要求确定。其跨度一般为屋架跨度的1/3～1/2，高度为其跨度的1/5～1/2。为了防止外墙面压型钢板腐蚀以及被硬物碰撞，延长压型钢板使用寿命，在建筑构造上应采取以下措施：1）在基础地梁上砌筑一段砌块墙体，高度一般为0.9～1.2m。2）屋面采用有组织内排水。第二章重型厂房钢结构基本要求1.了解重型厂房的组成、屋架外形及腹杆形式，掌握柱间支撑及屋盖支撑的作用与布置。2.掌握刚架内力分析方法及内力组合原则。3.掌握钢屋架杆件截面的选取，了解一般构造要求。4.了解吊车梁的荷载及截面组成，掌握吊车梁的连接构造及截面验算方法。教学内容2.1结构形式和结构布置2.2计算原理2.3钢屋架设计2.4吊车梁设计重点难点本章内容包括厂房结构布置、计算原理、钢屋架设计和吊车梁设计四部分，其中钢屋架设计和吊车梁设计是本章的重点。通过本章的学习，最终要求达到：（1）根据实际需求，确定钢屋架的类型，并设计出此屋架；（2）掌握吊车梁的受力特点，荷载分析，节点设计与计算，并能绘制施工图。2.1结构形式和结构布置柱网布置考虑工艺、结构和经济等因素确定，兼顾模数的要求。1.计算单元取相邻柱距的平均值:-6-2.横向框架铰接框架和刚接框架:3.柱截面格构式柱与分离式柱:4.柱间支撑作用与布置:-7-5.屋盖支撑作用与布置:。2.2计算原理刚架内力计算引用当量惯性矩将格构式柱和屋架换算为实腹式构件进行内力分析。内力组合原则按承载能力极限状态设计时，构件和连接取简化公式中的最不利值确定。2.3钢屋架设计桁架内力分析按节点荷载作用下的平面铰接桁架，用结构力学方法分析内力。-8-桁架杆件计算长度见上册。桁架杆件截面型式选取压杆按两主轴等稳定原则确定。屋架构造要求角钢规格和节点板厚度。桁架节点设计见上册。2.4吊车梁设计吊车荷载吊车最大轮压:吊车横向水平力:吊车梁截面单轴对称工字型截面带制动梁的吊车梁带制动桁架的吊车梁吊车梁与制动结构的连接吊车梁支座平板支座和凸缘支座。-9-吊车梁的截面验算强度验算单轴对称工字型截面受压区-10-受拉区带制动梁的吊车梁带制动桁架的吊车梁整体稳定验算设有制动结构的吊车梁不需计算整体稳定，单轴对称工字型截面吊车梁按下式计算稳定刚度验算竖向挠度水平挠度疲劳验算第3章大跨屋盖结构基本要求:1.了解大跨度结构的体系类别及其特征。2.掌握双层网架的常用形式及网架选型的原则。3.了解网架的计算要点。4.理解并掌握空间杆系有限元法，熟悉求解杆件内力的过程。5.了解网架杆件设计的一般原则。6.掌握网架焊接空心球、螺栓球、支座的计算公式。7.了解网壳的结构形式及一般计算原则。教学内容:3.1结构形式3.2网架的形式-11-3.3网架的计算要点3.4空间杆系有限元法3.5网架杆件设计3.6节点设计3.7网壳重点难点:本章讲述了大跨度屋盖结构的主要形式。其中以双层网架为重点内容。通过本章学习，最终要求达到：根据实际工程要求，能正确的选择网架的结构形式，节点形式，能应用相应的大跨度计算软件进行结构设计。设计完成能运用本章的知识进行校对，并能分析该设计的准确性。难点：空间杆系有限元法。3.1结构形式大跨钢结构按几何形状、组成方法、结构材料及受力特点的不同可分为平面结构体系和空间结构体系两大类。属于平面结构体系的有：梁式结构(平面桁是、空间桁架)，平面刚架和拱式结构。属于空间结构体系的有：平板网架结构、网壳结构、悬索结构、斜拉结构、张拉结构等。3.2网架的形式网架按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架。双层网架是由上弦、下弦和腹杆组成的空间结构(图1)，是最常用的网架形式。而双层网架的常用形式主要如下：（图2）-12-1）两向正交正放网架：适用于在矩形建筑平面中，网架的弦杆垂直于及平行于边界。（图3）2）两向正交斜放网架：适用于两个方向网格尺寸不同的情况。（图4）3）三向网架：三个方向的平面桁架相互交角60°。比两向网架刚度大，适合大跨度，适用于正三角形，正六三角形平面。（图5）-13-4）正放四角锥网架：正放四角锥网架空间刚度较好，但杆件数量较多，用钢量偏大。适用于接近方形的中小跨度网架，宜采用周边支承。（图6）5）正放抽空四角锥网架：