(完整版)轻型门式刚架结构

第1章轻型门式刚架结构1.1概述1.2结构形式和布置1.3刚架设计1.4压型钢板设计1.5檁条设计1.6墙梁设计1.7支撑及构造设计轻型门式刚架结构与一般普通钢结构相比具有以下技术特征：1.结构构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，降低房屋的高度，建筑造型美观。2.门式刚架的刚度较好，自重轻，横梁与柱可以组装，为制作、运输、安装提供了有利条件。3.屋面刚架用钢量仅为普通钢屋架用钢量的1/5-1/10，是一种经济可靠的结构形式。1.1概述工程实例一：青岛南车集团，2004年4月投资新建了一座轻钢结构生产车间，建筑面积5000平方米。于2004年7月竣工。主体结构采用轻型单跨门式刚架形式，吊车最大起重量为20吨，中级工作制。为使立面效果简洁美观，屋面采用有组织内排水形式。外墙面和屋面板均采用双层压型钢板，两层压型钢板之间放置了耐火性能较好的岩棉保温隔热层。正在建设的门式刚架工程实例山墙抗风柱吊车梁天窗架轻钢结构工业厂房工程实例二：青岛永源体育用品有限公司加工车间，是由韩国投资建设的2万平方米轻钢结构多层工业厂房。主体结构采用轻钢结构框架体系。楼面板采用钢－混凝土组合楼板。屋面板采用压型钢板，波浪造型的轻钢结构屋面梁轻盈、活泼，克服了工业建筑造型单一、立面造型呆板的缺点。正在建设中的多层轻钢结构厂房压型钢板外墙板主要承重骨架－门式刚架檩条、墙梁－冷弯薄壁型钢屋面、墙面－压型金属板、彩钢夹芯板屋面及墙面保温芯材－聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、岩棉等支撑－屋面支撑、柱间支撑1.1.1门式刚架结构的组成单层轻型钢结构房屋的组成1.1.2门式刚架结构的特点重量轻工业化程度高、施工周期短柱网布置灵活综合经济效益高门式刚架结构性能：1.门式刚架屋面体系的整体性可以依靠檩条、隅撑来保证，从而减少了屋盖支撑的数量，同时支撑多用张紧的圆钢做成，很轻便。2.门式刚架的梁、柱多采用变截面杆件，可以节省材料。3.组成构件的杆件较薄，对制作、涂装、运输、安装的要求高。4.构件的抗弯刚度、抗扭刚度比较小，结构的整体刚度也比较柔。1.1.3门式刚架结构的应用情况1.我国门式刚架设计规程：《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)2.应用范围：轻型厂房、物流中心、大型超市、体育馆、展览厅、活动房屋、加层建筑等。3.应用规模：国内每年有一千万平方米的轻钢结构建筑物竣工。4.轻型门式刚架的适用范围及截面形式：(1).屋面荷载较小，横向跨度为9～24m，柱高为4.5～9m，(2).没有吊车或设有中、轻级工作制吊车的厂房。(3).当厂房横向跨度不超过15m，柱高不超过6m时，屋面刚架梁宜采用等截面刚架形式。当厂房横向跨度大于15m，柱高超过6m时，宜采用变截面刚架形式。5.变截面刚架与等截面刚架的对比:柱和梁采用变截面形式时，截面形状与内力图形附合较好，受力合理、节省材料。变截面刚架在构造连接及加工制造方面不如等截面方便。6.柱脚形式:门式刚架柱脚分为铰接和刚接两种连接形式。刚接柱脚详图铰接柱脚详图刚接柱脚门式刚架铰接柱脚门式刚架变截面梁变截面梁、柱加劲板地脚螺栓刚接柱脚工程实例变截面刚架梁等截面刚架柱1.2结构形式和结构布置1.2.1门式刚架的各种结构形式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坡、双坡、多坡屋面。结构形式的选取考虑生产工艺、吊车吨位及建筑尺寸等因素单跨单坡单跨双坡多跨（中间摇摆柱）高底跨双坡双跨门式刚架的各种结构形式多跨（梁柱刚结）四坡双跨摇摆柱摇摆柱梁柱节点铰接连接梁柱节点刚性连接1.2.2门式刚架的结构布置1.刚架的建筑尺寸和布置跨度：一般为9-24m高度：取地坪柱轴线与斜梁轴线交点高度，宜取4.5-9m柱距：应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，宜取6m、7.5m、或9m挑檐长度：根据使用要求确定，宜为0.5—1.2m温度分区：纵向温度区段300m横向温度区段150m2.檩条和墙梁的布置檩条：应等间距布置。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，应综合考虑屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。屋面檁条布置实例屋面檁条布置实例墙梁：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。墙梁布置实例3.屋面支撑和刚性系杆的布置原则：在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。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。4.柱间支撑的布置原则：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45~60m；当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；端部柱间支撑考虑温度应力影响宜设置在第二柱间。1.3.1荷载及荷载组合1.3.2刚架的内力和侧移计算1.3.3刚架柱和梁的设计1.3刚架设计永久荷载：包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。可变荷载：屋面活荷载、屋面雪荷载和积灰荷载吊车荷载、地震作用、风荷载。1.3.1荷载及荷载组合荷载组合原则：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；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；施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；多台吊车的组合应符合《荷载规范》的规定；当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。在进行刚架内力分析时，荷载效应组合主要有：组合（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)组合（2）：1.0×永久荷载+1.4×风荷载组合(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。内力计算原则：根据不同荷载组合下内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。控制截面的内力组合主要有：最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值。最大弯矩Mmax和同时出现的V及N的较大值。最大弯矩Mmax和同时出现的V及N的较大值。最小轴压力Nmin和相应的M及V，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M=0。1.3.2刚架内力和侧移计算侧移计算原则：变截面门式刚架柱顶侧移应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。如果最后验算时刚架的侧移不满足要求，即需要采用下列措施之一进行调整：放大柱或梁的截面尺寸；改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的摇摆柱改为上端和梁刚接的节点连接形式。梁、柱板件的宽厚比限值：工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比：工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比：yftb235151ywwfth2352501.3.3刚架柱和梁的设计腹板屈曲后强度利用：在进行刚架梁、柱截面设计时，为了节省钢材，允许腹板发生局部构件的屈曲，并利用其屈曲后强度。腹板的有效宽度：当工字形截面梁、柱构件的腹板受弯及受压板幅利用屈曲后强度时，应按有效宽度计算其截面几何特性。有效宽度取值：当腹板全部受压时：当腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区有效宽度为：wehhcehhhe：腹板受压区有效宽度；ρ：有效宽度系数；hc:腹板受压区高度。刚架梁、柱构件的强度计算刚架内力分析在横向均布荷载作用下，刚架弯矩图如下刚架弯矩图刚架荷载计算简图q在水平风荷载作用下，刚架弯矩图如下：荷载计算简图刚架弯矩图q轻型钢结构是以构件边缘最大压应力达到钢材屈服点作为临界状态，没有考虑塑性发展的影响，所以门式刚架一般按弹性理论设计。考虑各种荷载组合内力分析结果，取出最大荷载值控制设计，对初选截面梁柱按压弯构件进行验算。正应力验算：剪应力验算：fWMWMANefnyyefnxxefnvfthV0max23式中：—构件有效净截面面积；、—对主轴x和y的有效净截面抵抗矩；、—对主轴x和y的弯矩。efnAefnxWefnyWxMyM弯矩作用平面内：弯矩作用平面外：fWNNMANefxxEXxmefx1fWMANefxbxefx工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩M共同作用下的强度应符合下列要求：当时当时当截面为双轴对称时215.01dfefVVMMMMddVVV5.0dVV5.0eMMfthAMwff工字形截面受弯构件在剪力V、弯矩M和轴力N共同作用下的强度应符合下列要求：当时当时当截面为双轴对称时dVV5.0ddVVV5.0NeMMeeeNeANWMM215.01dNfNeNfVVMMMMANfthAMwfNf梁腹板加劲肋的配置:梁腹板应在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋。其他部位是否设置中间加劲肋，根据计算需要确定。但《规程》规定,当利用腹板屈曲后抗剪强度时，横向加劲肋间距a宜取hw～2hw。当梁腹板在剪应力作用下发生屈曲后，将以拉力带的方式承受继续增加的剪力，亦即起类似桁架斜腹杆的作用，而横向加劲肋则相当于受压的桁架竖杆。因此，中间横向加劲肋除承受集中荷载和翼缘转折产生的压力外，还要承受拉力场产生的压力。拉力场加劲肋稳定性验算按规范规定进行，计算长度取腹板高度hw，截面取加劲肋全部和其两侧各宽度范围内的腹板面积，按两端铰接轴心受压构件进行计算。ywft23515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内的整体稳定按下列公式计算：fWNNMANexExmxex100100120201.1eExEAN对于变截面柱，变化截面高度的目的是为了适应弯矩的变化，合理的截面变化方式应使两端截面的最大应力纤维同时达到限值。但是实际上往往是大头截面用足，其应力大于小头截面，故公式左端第二项的弯矩M1，和有效截面模量We1应以大头为准。公式第一项源自等截面的稳定计算。根据分析，小头稳定承载力的小于大头，且刚架柱的最大轴力就作用在小头截面上，故第一项按小头运算比按大头运算安全。变截面柱在刚架平面内的计算长度截面高度呈线形变化的柱，在刚架平面内的计算长度应取为，式中为柱的几何高度，为计算长度系数。可由下列三种方法确定：查表法（适合于手算）一阶分析法（普遍适用于各种情况，并且适合上机计算)二阶分析法（要求有二阶分析的计算程序）hh0h查表法柱脚铰接单跨刚架楔形柱的可由表1-2查得。柱的线刚度K1和梁的线刚度K2分别按下列公式计算：表中和式中、—分别为柱小头和大头的截面惯性矩；—梁最小截面的惯性矩；—半跨斜梁长度；—斜梁换算长度系数，见图1-9。当梁为等截面时=1。hIKc11sIKb202coI1cI0bIs在图1-9中，λ1和λ分别为第一、二楔形段的斜率。图19楔形梁在刚架平面内的换算长度系数柱脚铰接楔形柱的计算长度系数，表1—2K2／Kl0.10.2O.3O.50.751.02.0≥10.00.0l0.428O.368O.3490.3310.3200.3180.3150.3100.020.6000.5020.4700.4400.4280.420O.411O.4040.03O.7290.599O.5580.5200.50l0.4920.4830.473O.050.931O.756O.6940.6440.6180.6060.5890.5800.071.075O.8730.8010.7420.7110.697O.672O.6500.101.2521.0270.9350.857O.8170.801O.7900.7390