门式刚架结构课程PPT课件.pptx

轻型门式刚架结构设计 广州黄埔建筑设计院有限公司主讲人 邓石根 2020 3 19 1 主讲人介绍 邓石根国家注册结构师广州黄埔建筑设计院有限公司江西分院副院长 1 2 3 4 目录 2020 3 19 3 学习目标 了解轻型门式刚架的特点 应用现状和发展前景 熟悉门式刚架的结构体系 维护结构及设计方法 2020 3 19 4 难点 理解轻型钢结构和普通钢结构的区别 2020 3 19 5 01 结构形式和布置 Theusercandemonstrateonaprojectororcomputer orprintthepresentationandmakeitintoafilmtobeusedinawiderfield 2020 3 19 6 一 门式刚架特点及适用范围 一 结构特点 1 刚架梁 柱采用轻型H型钢 等截面或变截面 组成 2 刚架梁与柱刚接 柱脚与基础宜采用铰接 当设有桥式吊车 檐口标高较高或对刚度要求较高时 柱脚和基础可采用刚接 3 构件单元可根据运输条件划分 单元之间在现场用螺栓连接 安装方便快捷 土建工作量小 4 在非地震区可采用张紧的圆钢作为支撑 5 用C形 Z形薄壁型钢做檩条 墙梁 以彩钢板或夹芯板做屋面 墙面 门式刚架结构示意 2020 3 19 8 厂房内部 厂房外立面 二 适用范围跨度9 36m 柱距6m 9m 柱高4 5 12m 设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑 潮湿 车站候车室 码头建筑等 目前国内单跨刚架的跨度已达到72m 三 优点和屋架结构相比 整个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 减小建筑体积 在建筑造型上也较简洁美观 一 结构形式与布置1结构形式 分为单跨 双跨 多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的刚架等形式 二 结构形式与布置 a 单跨刚架 b 双跨刚架 c 多跨刚架 d 带挑檐刚架 e 带毗屋刚架 f 单坡刚架 跨度 横向刚架柱轴线间的距离 高度 地坪至柱轴线与横梁轴线交点的高度 根据使用要求的室内净高确定 无吊车时 高度一般为4 5 9m 有吊车时应根据轨顶标高和吊车净空要求确定 一般为9 12m 柱距 宜为6m 通常介于4 5 9m之间 檐口高度 地坪至房屋外侧檩条上缘的高度 最大高度 地坪至房屋顶部檩条上缘的高度 房屋宽度 房屋侧墙墙梁外皮之间的距离 房屋长度 房屋两端山墙墙梁外皮之间的距离 屋面坡度 宜取1 8 1 20 在雨水较多地区可取较大值 2 门式刚架的尺寸 1 温度区段布置 2 伸缩缝设置可通过设置双柱 或搭接檩条及吊车梁的螺拴连接处采用长圆孔进行调节 3 结构布置 温度区段长度 4 实腹屋面梁和托梁 1 实腹屋面梁实腹屋面梁结构体系是在钢筋混凝土结构上用钢梁 檩条 屋面支撑和屋面板搭建而成 屋面钢梁采用人字钢梁 按简支梁设计 可根据受力情况分段采用变截面 钢梁对混凝土柱有推力 实腹梁钢屋架形式 2 托梁当因建筑或工艺要求门式刚架柱被抽除时 应沿纵向柱列布置托梁以支承已抽位置上的中间榀刚架上的斜梁 托梁一般采用焊接工字形截面 当屋面荷载偏心产生较大扭矩时 可采用箱型截面 托梁的形式和尺寸 1 柱间支撑 1 无吊车时柱间支撑的间距宜取30 45m 当有吊车时宜设设在温度区段中部 或当温度区段较长时宜设在三分点处 且间距不宜大于60m 2 当建筑物宽度大于60m时 内柱列宜适当增加柱间支撑 3 支撑与构件的夹角应在30 60 范围内 宜接近45 4 柱间支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑 当桥式吊车起重量大于5 时 宜采用型钢支撑 5 柱间支撑的内力 应根据该柱列所受纵向荷载 如风 吊车制动力 按支承于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算 三 支撑体系布置 柱间支撑布置 6 对于交叉支撑可不计压杆的受力 当同一柱列设有多道柱间支撑时 纵向力在支撑间可按均匀分布考虑 7 在每一伸缩缝区段 沿每一纵向柱列均应设置柱间垂直支撑 2 屋面水平支撑 1 屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间 2 在刚架转折处 柱顶和屋脊 应沿房屋全长设置刚性系杆 a b 屋面水平支撑布置 3 柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内 形成抵抗纵向荷载的支撑桁架 4 屋面交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计 非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆应按压杆设计 5 刚性系杆可由檩条兼作 此时檩条应满足对压弯构件的刚度和承载力要求 6 屋盖横向水平支撑可仅设在靠近上翼缘处 7 交叉支撑可采用圆钢 按拉杆设计 8 屋面横向水平支撑内力 应根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算 对于交叉支撑可不计压杆的受力 为保证刚架梁下翼缘和柱内翼缘的平面外稳定性 可在梁与檩条或柱与墙梁之间增设隅撑 隅撑应按轴心受压构件设计 3隅撑布置 隅撑构造 02 檩条设计 Theusercandemonstrateonaprojectororcomputer orprintthepresentationandmakeitintoafilmtobeusedinawiderfield 2020 3 19 22 a b c d e f 实腹式檩条 一 截面形式檩条一般设计成单跨简支构件 有实腹式和桁架式两大类 实腹式檩条也可以设计成连续构件 一 檩条布置和连接 桁架式檩条 1 檩条承受弯曲和扭转的共同作用 2 C形和Z形檩条 宜将上翼缘肢尖 或卷边 朝向屋脊方向 3 屋脊檩条应采用双檩条方案 并应在高度1 3处用圆钢或钢管相互拉结 4 檩条跨度由主刚架柱距决定 5 檩条间距应综合考虑天窗 通风屋脊 采光带 天沟 屋面材料 檩条规格等因素 一般应等间距布置 但在屋脊和檐口处 为便于屋脊盖板和天沟收边 檩条布置应做局部调整 二 布置和连接 三 连接 1 檩条可设计为单跨简支构件或连续构件 2 简支檩条和连续檩条一般通过搭接方式不同实现 连续C形檩条可通过采用稍大一点足够长的C形槽钢套在屋面檩条外后用螺栓锁紧实现 直卷边或带斜卷边的Z形连续檩条可采用叠置搭接来实现 a 钢板檩托 b 角钢檩托 檩条连接构造 拉条 图 a c 和撑杆 图 d 是提高檩条侧向稳定性的重要构造措施 拉条仅传递拉力 撑杆主要承受压力 和拉条共同作用 将檩条沿屋面坡度方向的分力传给梁或柱 拉条和撑杆的截面应按计算确定 拉条一般采用直径8 16mm的圆钢 撑杆可采用钢管 方管或角钢做成 也可采用钢管内设拉条的做法 其长细比按压杆要求不能大于200 四 拉条与撑杆 a 直拉条 b 斜拉条 c 剪刀拉条 d 撑杆 拉条和撑杆的布置原则 1 当檩条跨度l 4m时 可按计算要求确定是否需要设置拉条 2 当屋面坡度i 1 10或檩条跨度l 4m时 应在檩条跨中受压翼缘设置一道拉条 当跨度大于6m时 宜在檩条三分点处各设一道拉条 图3 13 3 当屋盖有天窗时 应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆 撑杆处应同时设置斜拉条 将檩条沿屋面坡度方向的分力传到钢梁或钢柱上 4 拉条一般设置在离檩条上翼缘1 3高度处 当檩条在风吸力作用下 受力反号且平面外稳定不满足要求时 宜在檩条的上下翼缘1 3腹板高度处设剪刀式拉条 一 荷载1 永久荷载屋面材料重量 包括防水 保温 隔热层等 支撑和檩条自重 2 可变荷载屋面均布活荷载 屋面雪荷载 积灰荷载和风荷载 施工及检修荷载 对轻型屋面 檩条设计的风荷载要考虑向上的吸力和向下的风压力两种情况 采用双檩条兼做刚性系杆时 应考虑檩条作为纵向支撑体系的一部分而产生的轴向附加内力 对设有隅撑的檩条 尚应考虑作为刚架梁受压翼缘侧向支承产生的附加轴力和弯矩 二 檩条计算 32 3 荷载组合原则 1 屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑 应取两者中较大值 2 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 3 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 4 当需要考虑地震作用时 风荷载不与地震作用同时考虑 二 计算 a C型截面 b Z型截面檩条计算示意图 1 内力分析垂直于主轴x和y的分荷载按下式计算 式中p 檩条竖向荷载设计值 0 p与主轴y的夹角 对C形 槽形和工字型截面 0 为屋面坡角 对Z形截面 为主轴x与平行于屋面轴x1的夹角 2 强度计算 Mx My 刚度最大主平面 由py引起 的弯矩和刚度最小主平面 由px引起 的弯矩 Wenx Weny 对主轴x y的有效净截面模量 x y 截面塑性发展系数 f 钢材的强度设计值 1 当屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转时 可不计算檩条的整体稳定性 2 当屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转时 可按下式计算檩条的稳定性 3 稳定计算 Wex Wey 对主轴x y的毛截面模量 bx 受弯构件绕强轴的整体稳定性 f 钢材的强度设计值 两端简支檩条的挠度验算公式为 Ix 截面对主轴x x的毛截面惯性矩 v 容许挠度 对无积灰的瓦楞铁 石棉瓦等屋面为1 150 对压型钢板 积灰的瓦楞铁 石棉瓦等屋面为1 200 其他屋面为1 200 Pky 沿y轴荷载的标准值 4 变形计算 03 刚架设计 Theusercandemonstrateonaprojectororcomputer orprintthepresentationandmakeitintoafilmtobeusedinawiderfield 2020 3 19 39 一 荷载及荷载组合 一 荷载1 永久荷载结构自重 一般为0 25 0 35kN m2 屋面悬挂荷重按实际取值 2 可变荷载包括屋面均布活荷载 雪荷载 积灰荷载 风荷载 悬挂或桥式吊车荷载 3 地震作用一般采用基底剪力法 对无吊车且高度不大的刚架可采用单质点简图 当有吊车荷载时 可采用2质点简图 a 单质点 b 两质点 竖向荷载的传力过程示意图 2020 3 19 41 水平荷载的传力过程示意图 2020 3 19 42 恒载 柱距6m 活载 柱距6m 左风 柱距6m 基本风压0 55 右风 柱距6m 基本风压0 55 1 不考虑地震作用时荷载组合 永久荷载 1 2 0 9 竖向可变荷载 1 4 风荷载 1 4 吊车竖向可变荷载 1 4 吊车水平可变荷载 1 4 永久荷载 1 0 0 9 风荷载 1 4 邻跨吊车水平可变荷载 1 4 永久荷载 1 0 风荷载 吸力 1 4 永久荷载 1 2 竖向可变荷载 1 4 上述1 4项组合用于计算最大弯矩及最大轴力的内力组合以进行刚架截面强度的计算 2 3项组合主要用于计算轴力最小而相应弯矩最大内力组合进行柱脚及锚栓的计算 二 荷载组合 2 考虑地震作用时荷载组合 计算刚架地震作用及自振特性时 永久荷载 竖向可变荷载 0 5 悬挂吊车或桥式吊车自重 计算刚架考虑地震作用组合的内力时 永久荷载 竖向可变荷载 0 5 悬挂吊车或桥式吊车竖向轮压 1 2 地震作用 1 3 实际经验表明 当地震设防烈度为7度而相应风荷载大于0 35kN m2 标准值 或为8度 类场地上 而风荷载大于0 45kN m2时 地震作用组合一般不起控制作用 可只进行基本的内力计算 二 构件截面设计 门式刚架计算简图 变截面门式刚架应采用弹性分析方法 按平面结构确定各种内力 仅当构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法 计算控制性截面的内力组合时一般应计算以下四种组合 Nmax情况下Mmax及相应V Nmax情况下Mmin 即负弯矩最大 及相应V Nmin情况下Mmax及相应V Nmin情况下Mmin及相应V 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 一 刚架的内力计算 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 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 52 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 he 腹板受压区有效宽度 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 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 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 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 弯矩作用平面内 弯矩作用平面外 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 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 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 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 边柱和梁以受弯为主 中柱以受压为主 梁柱截面采用焊接工字形截面并利用腹板的屈曲后强度 截面绕弱轴抗弯性能较差 构件的平面外稳定为结构设计的控制性因素 变截面柱 1 平面内稳定计算 2 平面外稳定计算 变截面柱在刚架的整体稳定计算 N0 为小头的轴向压力设计值M1 为大头的弯矩设计值 Ae0 为小头的有效截面面积 We1 为大头的有效面积最大受压纤维截面模量 xy 杆件轴心受压稳定系数 楔形柱轴心受压稳定系数 计算长细比时取小头的回转半径 y 为轴心受压构件弯矩作用平面外的稳定系数 以小头为准 by 为均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数 mx t 为等效弯矩系数 计算 时回转半径i0以小头为准 对双轴对称 均匀弯曲的工字形楔形截面杆件 式中A0 h0 Wx0 t0 分别为构件小头的截面面积 截面高度 截面模量 受压翼缘截面厚度 Af 受压翼缘截面面积 iy0 受压翼缘与受压区腹板高度组成的截面绕轴的回转半径 l 楔形构件计算区段的平面外计算长度 取支撑点间的距离 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 局部稳定 1 板件最大宽厚比和利用屈曲后强度 工字形截面 采用三块板焊成 受弯构件中腹板以受剪为主 翼缘以抗弯为主 增大腹板的高度 可使翼缘的抗弯能力发挥更为充分 增大腹板厚度 可利用板件屈曲后的强度 2 工字形截面构件受压翼缘自由外伸宽度b与其厚度t之比 应符合下式要求 3 工字形截面梁 柱构件腹板的计算高度hw与其厚度tw之比 不应大于 当单跨变截面刚架横梁上缘坡度不大于1 5时 在柱顶水平力作用下的侧移u 可按下列公式估算 柱脚铰接刚架 柱脚刚接刚架 h L 刚架柱高度和刚架跨度 当坡度大于1 10时 L应取横梁沿破折线的总长度L 2s Ic Ib 柱和横梁的平均惯性矩 H 刚架柱顶等效水平力 单跨刚架侧移计算 变截面柱和横梁的平均惯性矩 可按下式计算 对于楔形柱 对于双楔形横梁 刚架柱顶等效水平力可按下列公式计算 当估算刚架在沿柱高度均布的水平风荷载作用下的侧移时 柱脚铰接刚架 柱脚刚接刚架 其中 当估算刚架在吊车水平荷载Pc作用下的侧移时 柱脚铰接刚架 柱脚刚接刚架 式中W 均布风荷载的总值 吊车水平荷载Pc作用高度与柱高度之比 Pc 吊车水平荷载 w1 w2 风荷载的均值 两跨刚架 中间柱为摇摆柱的两跨刚架 柱顶侧移计算同单跨刚架 但L的应以2s代替 s为单坡面长度 中间柱与横梁刚接时 可将多跨刚架视为多个单跨刚架的组合体 每个中柱分为两半 惯性矩各为I 2 按下列公式计算整个刚架在柱顶水平荷载作用下的侧移 式中 Ki 柱脚铰接时各跨刚架的侧向刚度之和 hi 所计算跨两柱的平均高度 li 与所计算柱相连接的单跨刚架梁的长度 Iei 两柱惯性矩不同时的等效惯性矩 Il Ir 左 右两柱的惯性矩 当刚架侧移不满足要求 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 斜梁和隅撑的设计斜梁的设计当斜梁坡度不超过1 5时 因轴力很小可按压弯构件计算其强度和刚架平面外的稳定 不计算平面内的稳定 实腹式刚架斜梁的平面外计算长度 取侧向支承点的间距 当斜梁两翼缘侧向支承点间的距离不等时 应取最大受压翼缘侧向支承点间的距离 斜梁不需要计算整体稳定性的侧向支承点间最大长度 可取斜梁下翼缘宽度的倍 当斜梁上翼缘承受集中荷载处不设横向加劲肋时 除应按规范规定验算腹板上边缘正应力 剪应力和局部压应力共同作用时的折算应力外 尚应满足下列公式的要求 隅撑设计当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时 必须在受压翼缘两侧布置隅撑 山墙处刚架仅布置在一侧 作 为斜梁的侧向支承 隅撑的另一端连接在檩条上 隅撑间距不应大于所撑梁受压翼缘宽度的倍 隅撑应根据规范规定按轴心受压构件的支撑来设计 隅撑截面选用单根等边角钢 轴向压力按下式计算 当隅撑成对布置时 每根隅撑的计算轴压力可取上式计算值的一半 需要注意的是 单面连接的单角钢压杆在计算其稳定性时 不用换算长细比 而是对f值乘以相应的折减系数 刚架横梁刚度和柱顶水平位移验算横梁容许挠度 柱顶水平容许位移 式中 分别为刚架横梁的跨度和柱的高度 斜梁与柱的连接及斜梁拼接一般采用高强螺栓 端板连接 按刚接节点设计 其形式 刚架节点设计 端板竖放 端板斜放 端板平放 a 端板竖放 b 端板斜放 c 端板平放 d 斜梁拼接 刚架斜梁与柱的连接及斜梁间的拼接 验算最不利螺栓的拉力 横梁与柱在连接处传递的弯矩 最远一排螺栓至承压点的距离 螺栓列数 任意一排螺栓至承压点的距离 一个螺栓所能承受的抗拉容许承载力 高强螺栓计算 分析研究表明 外伸式连接转动刚度可以满足刚性节点的要求 外伸式连接在节点负弯矩作用下 可假定转动中心位于下翼缘中心线上 上翼缘两侧对称设置4个螺栓时 每个螺栓承受下面公式表达的拉力 并依此确定螺栓直径 当受拉翼缘两侧各设一排螺栓不能满足承载力要求时 可以在翼缘内侧增设螺栓 螺栓排列应符合构造要求 下图的 应满足扣紧螺栓所用工具的净空要求 通常不小于35mm 螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径 两排螺栓之间的最小距离为3倍螺栓直径 最大距离不应超过400mm 端板的厚度t可根据支承条件按下列公式计算 但不应小于16mm 和梁端板相连的柱翼缘部分应与端板等厚度 a 伸臂类端板 b 无加劲肋类端板 c 两边支承类端板当端板外伸时当端板平齐时 d 三边支承类端板 在门式刚架斜梁与柱相交的节点域 应按下列公式验算剪应力 刚架构件的翼缘与端板的连接应采用全熔透对接焊缝 腹板与端板的连接应采用角焊缝 在端板设置螺栓处 应按下列公式验算构件腹板的强度 当时 当时 节点构造设计节点有加腋与不加腋两种基本形式 在加腋形式中又有梯形加腋与曲线加腋之分 一般采用梯形加腋并在加腋部分的两端设置加劲肋及侧向支撑 以保证该加腋部分的稳定性 防止侧向压屈 加腋连接可使截面的变化符合弯矩图形的要求 并大大提高了刚架的承载能力 下图为加腋节点图 横梁屋脊拼装节点图 柱脚设计根据受力要求 柱