轻型门式钢架结构

1轻型门式刚架结构设计2门式刚架轻型钢结构房屋是一种有效利用材料的结构形式，是二战期间由美国的战时性建筑发展而成的，称为“金属建筑体系”，我国改革开放前没有这种结构，95年由外企引入中国市场，居于完全垄断地位。1998年，《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》正式推出。2002年，全面修订版正式颁布。31建筑特点（1）轻型化，适用于单层房屋钢结构，且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。特别适用于无吊车的单跨或多跨房屋，轻型房屋的刚度相对差，吊车吨位大则刹车力大、荷载大、对结构受力的影响就大。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。4根据《起重机设计规范》（GB3811-83），按吊车利用等级（即循环次数，分为U0-U9等10级）和载荷状态（载荷谱系数Kp有轻、中、重、特重等4级）综合划分吊车工作级别为A1A8级。《钢结构设计规范》一般所指轻级工作制即A1A3级；中级为A4A5级；重级为A6A8级（其中A8为特重级）。但对吊车工作制的界定不能死搬硬套吊车工作制与吊车工作级别的一般对应关系，而应根据吊车的具体操作情况确定。（3）常用跨度：1830m，高度4.5~9m。规程规定跨度可作到36m。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。6(4)适用于环境侵蚀作用为弱侵蚀性类和中等侵蚀性类（即相对湿度＞75%），更适合于无侵蚀性介质地区，如一般城市的商业区和住宅区。782结构特点（1）主体结构采用单层门式刚架，刚架可以是单跨、双跨或多跨，还可带附跨。主刚架适于实腹式（截面为轧制或焊接H型），格构式刚架或其他组合刚架不适用。适用于单层房屋钢结构，如果层数多其设计技术措施有所不同，特别在抗震设防烈度高的地区更应注意。9冷弯薄壁型钢门式刚架—截面为双拼C型钢10（2）把中柱做成摇摆柱，体现了材料集中使用的原则。11（3）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）。12（4）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。（5）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。13柱间支撑的纵向水平刚度较单独柱大得多（约10～20倍），故房屋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）。规范规定的数值是基于温度区段长度等于2倍不动点到温度区段端头的距离确定的。当柱间支撑不对称布置时，柱间支撑的中点（两道柱间支撑时为两支撑距离的中点）至温度区段端部的距离不宜大于纵向温度区段长度的60％。1415钢结构设计规范附注：“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；b.设置双柱。此外，吊车梁与柱的连接宜采用长圆孔。16（6）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。·当屋面坡度小于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。17（7）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，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）。由于板薄，局部稳定很难满足，主要技术手段是利用腹板截面的屈曲后强度。18（8）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。19（9）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。交叉支撑按拉杆设计，非交叉支撑中的受压构件按压杆设计。20支撑体系中的内力计算问题Pn-1Ⅰ2-12-1P1-1ⅠP1-1Pn-2Ⅰ2-22-2P1-2ⅠP1-2Pn-3Ⅰ2-32-3P1-3ⅠP1-3Pn-4Ⅰ2-42-4P1-4ⅠP1-4n-5P2-5ⅠP2-5Ⅰ1-51-5P边列柱间支撑作为屋面桁架支座屋脊线斜拉杆纵向系杆'''''F54F3F2F1F直腹杆F1F2F3F45F21支撑一般为十字交叉，截面采用张紧的圆钢或小角钢。223钢材的选用钢结构构件所用钢材的性质、质量要求应考虑结构的重要性、荷载特征（是否直接承受动荷载）、连接方法（焊接或非焊接结构）、环境温度（是否低温工作）钢材厚度等要素，正确合理的选用。各种使用条件下钢结构构件所用钢材的钢材牌号、性能质量等级、力学性能与化学成份等一般应加以保证。23《钢结构设计规范》推荐的钢材牌号普通碳素钢：Q235(相当于旧标准的3号钢)普通低合金钢：Q345(相当于旧标准的16Mn、12MnV、14MnNb16MnRE、18Nb)Q390(相当于旧标准的15MnV、15MnTi、16MnNb)Q420(旧标准的15MnVN、14MnVTiRE)24钢材的质量等级分A、B、C、D、E级（E级仅用于Q345、Q390、Q420等低合金钢）。钢材的基本保证项目：（1）抗拉强度、屈服点、伸长率；（2）化学成分：硫、磷、锰、碳（Q235-A不作交货条件）；（3）冷弯试验、冲击韧性（+20、0、-20、-40）。第（3）项A级钢不保证，必要时可附加冷弯试验的要求。25规范对用于承重结构的钢材应具有的强度、塑性、韧性等力学性能和化学成分等合格保证项目作出了规定。“承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。”26其他可选用或代用的钢材（1）“建筑结构用钢板”GB/T19879-2005（“原高层建筑结构用钢板”YB4104）牌号：Q235GJ（B、C、D、E）Q345GJ（B、C、D、E）Q390GJ（C、D、E）Q420GJ（C、D、E）Q460GJ（C、D、E）27特点：a.降低硫、磷含量和焊接碳当量；钢材的可焊性可用碳当量Ceq和焊接裂纹感性指数Pcm进行评价。当Ceq＜0.4％时，钢材的淬硬倾向不明显，可焊性优良。当Ceq＝0.4～0.6％时，淬硬倾向明显，冷裂纹的敏感将增大。b.提高屈服强度下限值、缩小其波动范围；c.提高冲击功、增加冷弯试验；d.保证厚度方向性能到Z35（数字为厚度方向断面收缩率%）。28国家体育中心——“鸟巢”部分采用了Q460GJ-E低合金钢29（2）“Z向钢”GB/T5313厚板容易出现层状撕裂，这对沿厚度方向受拉的接头来说是很不利的，因而需要采用厚度方向性能钢材。特点：a.降低含硫量（仅为一般钢材的1/5或以下）；b.提高截面收缩率（Z15、Z25、Z35）根据我国铁道科研院的研究，钢材的Z向性能主要取决于硫的含量，当硫的含量控制在0.1%时，则能保证Z15和Z25；30若硫的含量控制在0.06%，则能保证Z35，同时亦可不用探伤。什么条件下采用Z向钢，《钢结构设计规范》无具体规定，现设计院普遍采用的做法时当t40mm时用Z向钢我国建筑抗震设计规范和建筑钢结构焊接技术规程中均规定厚度大于40mm时应采用厚度方向性能钢材。（Z25每吨价格约增加850元）31（3）“优质碳素结构钢”GB699（4）“桥梁用结构钢”GB/T714（5）“锅炉用碳素钢和低合金钢”GB713（6）”船体用结构钢”GB712（7）“压力容器用钢板”GB6654（8）“耐侯钢”—〈高耐侯性结构钢〉GB/T4171〈焊接结构用耐侯钢〉GB/T4171（9）“钢铸件用钢”GB11352符号：ZG-200-400、ZG-270-570屈服点抗拉强度32《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002推荐的钢材牌号:Q235、Q345对轻型房屋钢结构，其截面设计通常由局部稳定控制，不能充分发挥其高强度性能，且Q390、Q420等高强度钢材因塑性变形能力差，使用时强度应打折，如高强度材料制作的冷弯薄壁型钢，北美地区仅用到其屈服强度的75%左右。33檩条和压型钢板一般采用热镀锌钢板，此外，还可以采用：（1）热镀锌铝合金钢板：其耐蚀性能提高2～4倍，加工成型性能好，价格提高不多。（2）热镀铝锌合金钢板：镀铝锌钢板具有镀锌钢板2～6倍的耐蚀性和抗高温氧化性。（3）热镀铝钢板：我国尚无该类产品。（4）合金化处理的镀锌钢板：该种钢板加工性能好，有良好的可焊性，价格便宜。34我国现有镀锌钢板种类镀锌种类生产厂镀锌量（g/m2）热镀锌宝钢双面90180275350450600700武钢双面100200270350450600电镀锌宝钢单面102030405035压型钢板根据板型选用钢材，镀锌薄钢板的基材材质和钢号与普通用的钢材有所区别，目前国内尚无国家标准，只有宝钢自己制定的企业标准。下述表格就是宝钢企业标准Q/BQB420-1999。36表37钢结构的连接材料1.手工焊焊条E43××——适用于Q235；E50××——适用于Q345；E55××——适用于Q390、Q420。××表示焊接电源种类及药皮类型。382.自动（半自动）埋弧焊的焊丝与焊剂焊丝：H08AQ235H08MnAH08MnAQ345焊剂：431型H10MnSiH10MnSiQ390、Q420H08Mn2Si选用原则：焊缝金属的力学性能不低于母材。39焊缝的分级与检验焊缝质量等级的划分与焊缝质量检验有关，是根据《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205划分的，共分为一、二、三级。三级焊缝——只作外观检查；二级焊缝——除作外观检查外，加超声波探伤；一级焊缝——除作外观检查外，加超声波探伤、X射线或射线。焊缝的质量等级仅影响三级焊缝的抗拉强度。角焊缝探伤不准，只能为三级。40（1）焊缝的强度设计值中，对接焊缝只有抗拉和抗压的取值，抗弯强度分别按抗弯中的受压部分取抗压强度设计值，受拉部分取抗拉强度设计值采用。焊缝金属为焊条熔敷金属与钢材金属的混合体，其强度一般高于钢材的强度，但焊缝质量对强度有很大影响，规范规定：焊缝质量为一、二级时，对接焊缝的抗拉强度设计值与母材相等，三级时取为母材抗拉强度的0.85倍。41对于质量等级为一、二级的对接焊缝，按照现行国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89的规定，仅适用于厚度不小于8mm的钢材。根据钢结构施工单位的经验，亦认为厚度小于8mm的钢材，其对接焊缝用超声波检验的结果不大可靠，而应采用X射线探伤。否则，对t8mm钢材的对接焊缝，其强度设计值只能按三级焊缝采用。423.普通螺栓精制螺栓——A、B级普通螺栓的A、B级，根据现行国家标准GB/T5782-2000，其材料不是3号钢，而是5.6级、8.8级