轻钢课程设计讲课.ppt

1、适用范围广，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。,第8章 门式刚架轻型房屋钢结构,2、施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作，现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需45天至 2个月，而若采用钢筋混凝土结构则需要812个月左右。,3 、综合经济效益好,我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构。,4 、抗震性能好,由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。,5 、宜于拆卸搬迁。,6 、有利于环保，钢结构建筑是对城市环境影响最小的一种结构之一，在西方已被广泛采用， “绿色建筑”之称。,轻钢厂房结构,目前国内轻钢结构大多应用在工业厂房建筑上。 单层工业厂房，通常采用门式结构,以热轧轻型H形钢作为梁柱，以C形或Z形型钢作檩条和墙梁、彩色涂层压型钢板和轻质保温材料作为屋面板和墙板，构成了轻(型)钢结构系统(美国称金属建筑系统)。可减少梁、柱和基础截面尺寸，整体结构质量减轻，而且式样美观，工业化程度高。 在一些城市公共建筑，如超市、展览厅、停车场等也得到普遍应用。,图8.1 钢结构厂房结构组成图,主刚架可采用变截面或等截面实腹刚架。,8.1结构形式和布置,8.1.1结构形式,设有桥式吊车时，梁、柱宜采用等截面构件。柱脚刚接。 变截面构件通常改变腹板的高度做成楔形；必要时也可改变腹板厚度。,轻钢结构厂房一般采用门式结构,常用结构形式有；,1、单跨双坡刚架(CS2) 等截面柱，柱底铰接、梁端刚接的节点设计，抗变形能力强，适合于软土地基上的建筑物。,2、单跨双坡刚架(CS3) 等截面柱，底端固接的节点设计，承受更大的支座弯矩，适合于有吊车荷载的建筑物。,3、双跨双坡刚架(MSl) 内柱的设计，使结构达到更大的跨度，通常3672m，设计更经济。,4、多跨多坡刚架(MGl) 具有单跨双坡刚架的特点:内柱的设计，使结构达到更大的跨度， 更经济。 复跨多坡或多跨多坡的设计，适合多种使用类型建筑物的需要。,5、高低跨刚架(MG2) 具有类型双跨双坡刚架的特点。且外形构造灵活，适合于成套组合式厂房。,8.1.2结构布置,刚架的跨度是柱子横向定位轴线之间的尺寸，宜采用936m。 刚架柱距是柱子在纵向定位轴线之间的尺寸，6m，7.5m，9m。 最大可采用12 m；跨度较小时也可采用4.5 m。,门式刚架的高度宜采用4.5-9.0m，必要时可适当加大。,1.柱网布置：跨度、柱距,门式刚架轻型房屋钢结构的纵向温度区段长度不大于300 m， 横向温度区段长度不大于150 m。,2 变形缝的布置,3墙梁布置 P286,4.支撑布置,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。,8.2 门式刚架计算简图的确定 P286,图8.4门式刚架的计算简图,吊车外缘与厂房柱子之间的净空尺寸ml应不小于80mm(吊车起重量不大于500kN时)或不小干100mm(吊车起重量大于或等于750 kN时)。对于冶金车间的吊车或重级工作制的吊车，在吊车和柱之间需要有足够宽的安全过道时，则ml不得小于400mm。,h1为:自吊车轨顶至起重小车顶的桥架总高，加上考虑制造和安装的可能误差所留的空隙100mm，再加上考虑屋架的挠曲和下弦支撑角钢的下伸所留的空隙150-200mm。 h2是由地面到吊车轨顶的距离，由生产要求所决定。规范规定h2应为600mm的倍数。 h3是柱脚底面在地下的深度，在中型车间一般为0.8-1.0m;在重型车间为1.0-1.2m。 由地面到桁架下弦底部的高度(即h1+h2)应为300mm的倍数。,框架由柱脚底面到桁架下弦底部的距离,8.3门式刚架的荷载计算和荷载组合,2.可变荷载 屋面可变荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载和积灰荷载等 屋面活荷载按屋面水平投影面积计算。 考虑到使用及施工检修荷载，对房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载的考虑见书P287,8.3.1屋面荷载,1.永久荷载 自重及吊顶、管线、天窗、风帽等悬挂或建筑设施荷重。 实腹式檩条的自重标准值大约为， 格构式大约为,8.2风荷载,由于屋面坡度一般较小，高度也低，其风荷载不能完全按规范计算（因为偏于不安全）,双坡刚架,刚架的风荷载体型系数分区,单坡刚架,8.3.3吊车荷载 厂房中的桥式吊车按其工作频繁程度分为轻级（A1-A3）、中级（A4-A5）、重级A6-A7）和特重级（A8）工作制。,(1)吊车竖向荷载(Dmax、Dmin、Dmaxk, Dmink、) 桥式吊车作用在刚架上的吊车荷载有竖向荷载Dmax、 Dmin及横向水平荷载Tmax。 为了确定吊车竖向荷载Dmax及Dmin，必须确定小车在大车桥架上的极限位置和大车沿厂房纵向运行的最不利位置。,图8.6 吊车荷载作用,8.3.4地震作用 地震作用应按现行国家标准建筑抗震设计规范(GB 50011一2001)的规定计算，同时要注意风荷载不与地震作用同时考虑。 地震作用效应可采用底部剪力法分析确定，抗震验算时，结构的阻尼比可取0.05,8.3.5荷载组合 1.当不考虑地震作用时 P293,通常竖向荷载是设计的控制荷载。,2.当考虑地震作用时 地震作用及自震特性按建筑抗震设计规范计算。,何时地震作用组合不起控制作用？,1.变截面,8.4门式刚架的作用效应计算,8.4.1刚架的内力计算,门式刚架一般用工字形截面，横梁截面高度可取（1/40-1/30）跨度，柱顶截面高度可取与梁端部相同。,2.等截面 对构件为等截面的门式刚架，当采用弹性分析方法确定内力时，可参考上述方法进行。 当采用塑性分析方法确定内力时，按规范的规定进行计算。,8.4.2控制截面及最不利内力组合,对于横梁，其控制截面一般为每跨的两端支座截面和跨中截面。,柱的控制截面为柱底、柱顶和柱阶形变截面处。,变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法来确定。,8.4.3变截面刚架的侧移计算,4.变形规定 P297,(1)计算刚架变形时，可不考虑螺栓孔引起的截面削弱。 ( 2)单层门式刚架轻型房屋钢结构的刚架柱顶位移设计值，不应大于表8.2规定的限值。 (3)受弯构件的挠度与其跨度的比值，不应大于表8.3规定的限值。,8.5门式刚架构件的截面验算,轻型钢结构的设计理论，主要是建立在利用板件的屈曲后强度的基础之上的。,8.5.1有效截面的概念,为了利用板件的屈曲后强度，引进板件的有效宽度bef的概念，其物理意义是通过静力等效的原则来刻画板件的承载能力。,有效宽度作为板件的承载能力的标志，与板件的约束条件和端部作用应力及其分布方式有关。,图8 15板件支承条件 两边支承板件 一边支承，一边卷边 一边支承，一边自由,图8.16端部应力分布方式 (a)均匀受压，(b)非均匀受压,有效宽度bef P298,8.5.2板件最大宽厚比和屈曲后强度的利用,1、 板件最大宽厚比和考虑屈曲后抗剪强度计算,（1） 板件最大宽厚比限值,（2）板件屈曲后强度的利用,截面全部受压时 P301,2腹板的有效宽度取值,截面部分受拉时,1.工字形截面受弯构件 当 V0.5Vd时 MMe (8.49) 当0.5VdVVd时 MMf+(Me-Mf)1-(2V/Vd-1)2 (8.49),8.5.3 刚架构件强度计算和加劲肋设置,2.工字形截面压弯构件 当V0.5Vd时 MMeN=Me-NWe/Ae （8.51） 当0.5VdVVd时 MMfN+（MeN-MfN）1-（2V/Vd-1）2 （8.51）,3.梁腹板加劲肋的设置 梁腹板应在与中柱连接处、较大集中荷载处和翼缘转折处设置横向加劲肋。 梁腹板利用屈曲后强度时，其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。该拉力场产生的压力 cr是利用拉力场时腹板的屈曲剪应力，其计算详见规程CECS102：2002。 当验算加劲肋的稳定性时，其截面应包括每侧 宽度范围内的腹板面积，计算长度取hw.,1.抗剪强度验算 刚架柱抗剪强度按式(8.35)计算。 2.抗弯强度验算 刚架柱抗弯强度按式(8 49)或式(8 51)计算。,8.5.4刚架柱的验算,3.整体稳定 不论等截面柱还是变截面柱，其整体稳定计算方法是相同的。,3.1变截面柱在刚架平面内的稳定计算 (1) 计算公式 (8.55),（2）计算长度,对截面高度呈线形变化的楔形柱，在刚架平面内的计算长度 计算长度系数 可按下列三种方法之一确定： 1）查表法：用于柱脚铰接的刚架。 柱脚铰接单跨刚架楔形柱的计算长度系数可由表8.8查得。,4.变截面柱在刚架平面外的稳定计算 (8.61),8.5.5 刚架梁设计和隅撑设计,1.抗剪强度验算 刚架梁抗剪强度按式(8.35)计算。 2.抗弯强度验算 实腹式刚架梁在平面内可按压弯构件计算强度，采用(8 49)或(8.51) 3.稳定性计算 实腹式刚架斜梁在平面内可按压弯构件计算强度， 在平面外应按压弯构件计算稳定。,4.隅撑设计 为了提高框架梁、柱的整体稳定性，应在下列梁、柱的受压翼缘区域布置隅撑： （1）框架梁下翼缘受压区段内的每根檩条处； （2）框架柱中靠近柱上端内翼缘压应力较大的区段。 隅撑应按轴心受压构件设计，轴心压力可按下式计算 隅撑宜采用单角钢制作，通常采用单个螺栓连接，计算时应考虑强度设计值折减系数。隅撑与刚架构件腹板的夹角不宜小于45。,等截面构件可采用三块钢板焊成的工字形截面、高频焊接轻型H型钢及热扎H型钢。 等截面刚架按弹性设计时，可按上述变截面刚架的规定进行设计。 等截面刚架按塑性设计时，可按钢结构设计规范（GB50017-2003）中有关塑性设计的规定进行设计。,等截面刚架构件计算,8.5.6檩条和墙架构件的设计,1.檩条设计,当檩条跨度大于4m时，宜在檩条跨中位置设置拉条或撑杆。拉条的作用是作为檩条的侧向支承点，以减小檩条在平行于屋面方向的跨度，提高檩条的承载能力，减少檩条在使用和施工过程中的侧向变形和扭转。 当檩条跨度l46m时，宜设置一道拉条；当6m时，宜设置两道拉条。 拉条常用10、12、16的圆钢制造，撑杆则多用角钢，按支撑压杆容许长细比200选用截面。圆钢拉条可设在距檩条上翼缘1/3腹板高度的范围内。当在风吸力作用下檩条下翼缘受压时，拉条宜在檩条上下翼缘附近适当布置。,拉条、撑杆与檩条的连接构造如图。拉条的位置应靠近檩条上翼缘30一40mm，并用螺母将其张紧固定。撑杆则用c级螺栓与焊在檩条上的角钢固定。,扭矩的影响可不考虑.只须按双向受弯构件作强度计算。,1.1强度,为q与主轴y的夹角,檩条的计算,1.2整体稳定 无拉条、且屋面材料刚性较弱如石棉瓦、瓦楞铁等)，在构造上不能阻止受压翼缘侧向位移的槽钢檩条，经分析，其跨度大于5m时，须计算整体稳定。,对单跨简支Z形薄壁型钢檩条，可近似按下式计算,Ix1截面对垂直于腹板的x1轴的惯性矩 屋面倾角。,刚度 一般只计算垂直于屋面方向的最大挠度不超过容许挠度，以保证屋面的平整。,8.5.8屋面板和墙板设计,屋面板和墙板材料选用建筑外用彩色镀锌或镀铝锌压型钢板、夹心压型复合板和玻璃纤维增强水泥外墙板(GRC板)等轻质材料。 一般建筑屋面或墙面采用的压型钢板，其厚度不宜小于0.4mm，压型钢板的计算和构造应遵照冷弯薄壁型钢结构技术规程(GB 50018一2002)的规定。 当在屋面板上开设直径大于300mm的圆洞和单边长度大于300mm的方洞时，宜根据计算采用次结构加强，不宜在屋脊开洞，屋面板上应避免大面积开孔(含采光孔)，开孔宜分块均匀布置。 墙板的自重宜直接传至地面，板与板间应适当连接。,8.6门式刚架的连接和节点设计,8.6.1焊缝连接,梁与柱连接,8.6.2刚架梁与柱连接及刚架梁拼接,刚架梁拼接构造 图a为屋