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钢结构设计 1 第1章轻型门式刚架结构 2 1 1概述1 1 1单层门式刚架结构的组成 轻型钢结构建筑形式多样 近年来在我国得到了广泛应用 门式刚架轻钢结构 多层轻钢结构是目前我国工业建筑市场需求量最大的两种结构形式 3 单层轻型门式刚架结构是指以轻型焊接H形钢 等截面或变截面 热轧H形钢 等截面 或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架 用冷弯薄壁型钢 槽形 Z形等 做檩条 墙梁 以压型金属板 压型钢板 压型铝板 做屋面 墙面 采用聚苯乙烯泡沫塑料 硬质聚氨酯泡沫塑料 岩棉 矿棉 玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系 4 门式刚架其结构体系由屋盖系统 柱子系统 吊车梁系统 墙架系统 支撑系统等部分组成 5 单层轻钢结构体系 6 7 刚架梁 刚架柱 返回 刚架柱 8 9 山墙抗风柱 墙梁 檩条 刚架梁 10 11 12 1 1 2单层门式刚架结构的特点 质量轻围护结构采用压型金属板 玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料组成 屋面 墙面的质量都很轻 根据国内工程实例统计 单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为10 30kg m2 在相同跨度和荷载情况下自重仅约为钢筋混凝土结构的1 20 1 30 由于结构质量轻 相应地基础可以做得较小 地基处理费用也较低 同时在相同地震烈度下结构的地震反应小 但当风荷载较大或房屋较高时 风荷载可能成为单层轻型门式刚架结构的控制荷载 13 工业化程度高 施工周期短门式刚架结构的主要构件和配件多为工厂制作 质量易于保证 工地安装方便 除基础施工外 基本没有湿作业 构件之间的连接多采用高强度螺栓连接 安装迅速 综合经济效益高门式刚架结构通常采用计算机辅助设计 设计周期短 原材料种类单一 构件采用先进自动化设备制造 运输方便等 所以门式刚架结构的工程周期短 资金回报快 投资效益相对较高 14 柱网布置比较灵活传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板 墙板尺寸的限制 柱距多为6米 当采用12米柱距时 需设置托架及墙架柱 而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板 所以柱网布置不受模数限制 柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定 15 其它特点 门式刚架体系的整体性可以依靠檩条 墙架及隅撑来保证 从而减少屋盖支撑数量 同时支撑多用圆钢做成 很轻便 梁 柱多用变截面 节省材料 梁 柱设计时利用屈曲后强度 变截面刚架不能用塑性设计 16 蒙皮效应在垂直荷载作用下 坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下 屋檐向外变形 屋面板将与支撑檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势 这时 屋面板承受剪力 起深梁的腹板的作用 而边缘檩条承受轴力起深梁翼缘的作用 显然 屋面板的抗剪切能力要远远大于其抗弯曲能力 所以 蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应 对于坡顶门式刚架 抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度 坡度越大蒙皮效应越显著 而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加 17 18 1 1 3门式刚架结构的应用情况 轻型钢结构是国内外目前应用和发展速度最快的新型结构形式 广泛应用于工业 居住和公共建筑 具有施工速度快 建筑造型美观 钢材用量少 造价低廉等优势 而门式刚架结构体系作为轻型钢结构的一种结构形式 在我国更是大量涌现 近几年来 随着我国彩色钢板产量的增加和焊接H型钢的出现 门式刚架更是发展迅猛 我国建成此类结构工程已达800多万平方米 而且每年以约100多万平方米的速度增加 19 门式刚架轻型房屋钢结构的主要应用范围 包括单层工建厂房 民建超级市场和展览馆 库房以及各种不同类型仓储式工业及民用建筑等 都是它强有力的竞争领域 有广泛的市场应用前景 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102 2002 门式刚架轻型房屋钢构件 JG144 2002 20 1 2结构形式和结构布置 1 2 1门式刚架的结构形式门式刚架的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 屋面坡度宜取1 20 1 8 单脊双坡多跨刚架 用于无桥式吊车的房屋时 当刚架柱不是特别高且风荷载也不是很大时 依据 材料集中使用的原则 中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案 21 22 1 单跨双坡刚架 等截面柱 底端固接的节点设计 承受更大的支座弯矩 适合有吊车荷载的建筑物 23 2 单跨双坡刚架 内柱的设计 使结构达到更大的屋面跨度 通常36 72M 更经济的设计 24 3 多跨多坡刚架 双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 25 4 高低跨刚架 外形构造灵活 适合于成套组合式厂房 26 27 门式刚架的柱脚多按铰接设计 当用于工业厂房且有桥式吊车时 宜将柱脚设计成刚接 门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和起重量不大于20t的轻 中级工作制的单梁或双梁桥式吊车 28 刚接柱脚 铰接柱脚 29 柱脚构造详图 铰接柱脚 刚接柱脚 30 加劲板 加劲板 地脚螺栓 31 1 2 2结构布置 1 2 2 1刚架的建筑尺寸和布置门式刚架的跨度宜为9 36m 当柱宽度不等时 其外侧应对齐 高度应根据使用要求的室内净高确定 宜取4 5 9m 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 9m 纵向温度区段小于300m 横向温度区段小于150m 当有计算依据时 温度区段可适当放大 32 1 2 2 2檩条和墙梁的布置檩条间距的确定应综合考虑天窗 通风屋脊 采光带 屋面材料 檩条规格等因素按计算确定 一般应等间距布置 但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道 在天沟附近布置一道 侧墙墙梁的布置应考虑门窗 挑檐 雨蓬等构件的设置和围护材料的要求确定 33 山墙抗风柱 墙梁 檩条 刚架梁 34 35 刚架梁 刚架柱 返回 刚架柱 36 山墙抗风柱 墙梁 檩条 刚架梁 37 38 1 2 2 3支撑和刚性系杆的布置 1 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 2 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 3 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 4 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 39 5 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 6 在刚架的转折处 边柱柱顶 屋脊及多跨刚架的中柱柱顶 应沿房屋全长设置刚性系杆 7 由支撑斜杆等组成的水平桁架 其直腹杆宜按刚性系杆考虑 8 刚性系杆可由檩条兼做 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型钢或其他截面形式的杆件 9 当房屋内设有不小于5t的吊车时 柱间支撑宜用型钢 当房屋中不允许设置柱间支撑时 应设置纵向刚架 40 支撑系统的主要作用是 1 纵向刚性系杆传递纵向水平力 2 水平支撑形成局部刚域 抵抗在柱间和屋面梁间传递的水平力作用 3 隅撑的作用则为约束I工字型截面远端翼缘板 起到远端翼缘板平面内支座作用 避免形成局部屈曲 或出平面支点作用 减小翼缘板的出平面计算长度 从而控制出平面稳定性 4 全部支撑系统与檩条或墙梁以及刚架一道组成空间体系 参与空间协同工作 刚性系杆构件主要选用型钢和钢管 与刚架通过螺栓铰接 截面大小一般按压杆稳定性要求或通过受力计算来决定 设置主要考虑在刚架转角和屋脊联结处 其中屋脊处的刚性系杆 可由用于此处屋脊构造需要的 刚度较大的双檩条及联结所代替 41 轻型门式刚架的屋面支撑体系主要由屋面横向水平支撑和系杆组成 水平支撑为圆钢 用花篮螺栓张紧 系杆用圆管 屋面横向水平支撑系统主要用来传递风荷载 增强结构的整体稳定性能 屋面横向水平支撑布置 42 山墙抗风柱 墙梁 檩条 刚架梁 柱间支撑 43 屋面横向水平支撑布置图 44 撑杆 斜拉条 拉条 隅撑 屋面横向水平支撑 45 拉条 檩条 屋面拉条布置 46 屋架横向水平支撑与刚架梁连接节点构造 连接角钢 47 曲面造型的屋面刚架梁 隅撑 采光带 48 屋架横向支撑节点处刚性系杆 梁柱节点处刚性系杆 49 墙梁 岩棉保温材料 50 墙梁支架 墙梁 51 1 3刚架设计 1 3 1荷载及荷载组合 52 3 1 1永久荷载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 按现行 建筑结构荷载规范 的规定采用 3 1 2可变荷载可变荷载包括屋面活荷载 屋面雪荷载和积灰荷载 吊车荷载 地震作用 风荷载等 53 1 屋面活荷载 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102 2002 规定屋面竖向均布活荷载的标准值 按投影面积算 取0 5kN m2 超过60m2取0 3kN m2设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载 其标准值为1KN检修荷载只与结构自重荷载同时考虑 2 屋面雪荷载与积灰荷载积灰荷载与雪荷载按现行 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 的规定采用 均布活荷载与雪荷载不同时考虑 取其中较大值 记为L 计算 积灰荷载与雪荷载和均布活载中的较大值同时考虑 54 3 吊车荷载 C 包括竖向荷载 纵向及横向水平荷载 按 荷载规范 GB50009 2001 的规定取用 但吊车的组合一般不超过两台 4 地震作用 E 5 风荷载 W 按现行 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102 2002 中附录A采用 对于风荷载的取用是以GB50009 2001为基础的 关于风荷载体形系数是按照美国金属房屋制造商协会MBMA 低层房屋体系手册 1996 中有关小坡度房屋的规定取用的 55 3 1 3荷载组合 荷载组合一般应遵从 建筑结构荷载设计规范 GB50009 2002 的规定 针对门式刚架的特点 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102 2002给出下列组合原则 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 多台吊车的组合应符合 建筑结构荷载设计规范 的规定 5 当需要考虑地震作用时 风荷载不与地震作用同时考虑 56 1 1 2 永久荷载 0 9 1 4 积灰荷载 max 屋面活荷载 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 57 1 3 2刚架的内力和侧移计算 对于变截面门式刚架 应采用弹性分析方法确定各种内力 只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法 变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法 直接刚度法 编制程序上机计算 地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定 58 根据不同荷载组合下的内力分析结果 找出控制截面的内力组合 控制截面的位置一般在柱底 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 1 最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值 2 最大弯矩Mmax和同时出现的N及V的较大值 3 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 59 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 60 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 61 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 62 2 侧移计算 变截面门式刚架的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刚度不满足要求 需采用下列措施之一进行调整 放大柱或 和 梁的截面尺寸 改铰接柱脚为刚接柱脚 把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接 63 1 3 3刚架柱和梁的设计 1 3 3 1梁 柱板件的宽厚比限值和腹板屈曲后强度利用 主要包括梁柱板件的宽厚比限值验算 腹板屈曲后强度利用验算 腹板的有效宽度验算等内容 1 梁 柱板件的宽厚比限值主刚架工字型截面中翼缘属于三边支承一边自由板件 一旦发生屈曲局部失稳 其屈曲后的后继强度不明显 腹板属于四边支承板件 局部失稳后的后继强度提高较多 设计时 一般不允许翼缘发生局部失稳 容许腹板局部失稳并利用其屈曲后强度 64 65 翼缘宽厚比腹板高厚比 66 2 腹板屈曲后强度利用 取决于腹板两侧翼缘及横向加紧肋之间形成的四面支承矩形区域的剪切屈曲应力 cr 见图所示 cr可以由腹板的剪切屈曲模型得到 构件腹板的主应力场分布见图 在这个模型中横向加紧肋相当于桁架中的受压腹杆 适当增加横向加劲肋的数量可以改变腹板应力场的分布情况 提高区隔的临界应力 cr从而提高腹板的抗剪承载力 67 刚架稳定性验算 弯矩作用平面内 弯矩作用平面外 68 1 3 3 8刚架节点设计 斜梁与柱的连接节点斜梁屋脊拼装节点 门式刚架节点连接通常采用高强螺栓连接 分端板竖放 端板横放 端板斜放三种形式 如下图所示 69 端板竖放 端板横放 端板斜放 斜梁拼接 节点连接形式 70 高强螺栓计算 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 71 连接端板计算 连接板厚度 式中 节点承受最大弯矩 端板宽度 端板钢材的抗拉强度设计值 72 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 73 横梁屋脊拼装节点图 返回 74 柱脚设计 根据受力要求 柱脚分刚接柱脚和铰接柱脚两类 当吊车起重量 5吨时应考虑设置刚性柱脚 本工程实例 吊车吨位20吨 柱脚形式为刚接柱脚 主要用来传递吊车荷载 风荷载和结构自重 75 76 1 4压型钢板的设计 1 4 1压型钢板的材料和截面形式压型钢板是以冷轧薄钢板为基板 经镀锌或镀锌后覆以彩色涂层再经辊弯成型的波纹板材 具有成型灵活 施工速度快 外观美观 重量轻 易于工业化 商品化生产等特点 广泛用作建筑屋面及墙面围护材料 77 压型钢板按表面处理情况可分为以下三种 1 铝锌压型钢板 其基板为热镀锌板 镀锌层重应不小于275g m2 双面 产品标准应符合国际GB2518 88 连续热镀锌薄钢板和钢带 的要求 2 涂层型钢板 为在热镀锌基板上增加彩色涂层的薄板压型而成 其产品标准应符合GB T12754 91 彩色涂层钢板及钢带 的要求 其性能指标见下表 3 锌铝复合涂层压型钢板 为新一代无紧固件的扣压式压型钢板 其使用寿命更长 但要求基板为专用的 强度等级更高的冷轧薄钢板 78 79 80 压型钢板根据其波型截面可分为 高波板 波高大于75mm 适用于作屋面板 中波板 波高50 75mm 适用于作楼面板及中小跨度的屋面板 低波板 波高小于50mm 适用于作墙面板 选用压型钢板时 应根据荷载及使用情况选用已有的定型产品 当有保温隔热要求时 可采用压型钢板内加设矿棉等轻质保温层的作法形成保温隔热屋 墙 面 81 82 83 压型钢板的屋面坡度可在1 6 1 20间采用 当屋面排水面积较大或地处大雨量区及板型为中波板时 宜选用1 10 1 12的坡度 当选用长尺寸高波板时 可采用 15 1 20的屋面坡度 当为扣压式或咬合式压型板 无穿透版面紧固件 时 可用1 20的屋面坡度 对暴雨或大雨量地区的压型板屋面尚应进行排水验算 84 一般永久性大型建筑选用的屋面承重压型钢板宽度与基板宽度 一般为1000mm 之比为覆盖系数 应用时在满足承载力及刚度的条件下宜尽量选用覆盖系数大的板型 压型钢板的使用寿命一般为15 20年 当采用无紧固或咬合接逢构造压型板时 其使用寿命可达30年以上 压型钢板基板材料一般应选用符合国标的Q235 B 级钢 当由挠度控制截面时 也可选用强度稍低的Q215 B F级钢 85 1 4 2压型钢板的选用压型钢板为薄壁受弯板件 应按GB50018规范第7章的有关规定进行设计 目前许多常用的压型钢板生产厂家已给出了按强度和刚度条件进行选用的表格可资利用 设计表可根据檩距 压型钢板是悬臂 简支还是连续 跨越多道檩条 和屋面荷载情况等直接选用合适的型号 86 一 作用于压型钢板上荷载 永久荷载 屋面板自重 可变荷载 包括屋面均布活荷载 雪荷载 积灰荷载 风荷载等 屋面均布活荷载的标准值按水平投影面积计算 不上人屋面板 均布活载取0 5 当施工荷载较大时 应按实际情况取用 上人屋面板 按钢结构平台考虑均布活载 87 雪荷载 积灰荷载 风荷载等按现行国家标准 建筑结构荷载规范 GBJ50009 21 的规定采用 单层房屋风荷载应按 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 和 轻型钢结构设计规程 上海市 的规定采用 设计屋面板时 应考虑在屋面天沟 阴角 天窗挡风板内以及高低跨相连处的荷载增大系数 雪荷载应按积雪不均匀分布的最不利情况考虑 88 设计屋面板时 应考虑施工或检修集中荷载 其标准值为 当施工荷载有可能超过上述荷载时 应按实际情况采用 或用加垫板 支撑等临时设施承受 该荷载值不与屋面均布活荷载或雪荷载同时考虑 偶然荷载 地震作用和其他意外事故产生的荷载 89 二 荷载效应组合作用于压型钢板上的荷载 按下列原则进行荷载效应组合 屋面均布活荷载不与雪载同时考虑 取二者较大值进行计算 积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载二者中较大者同时考虑 对自重较轻屋盖 应验算在风吸力情况下屋面压型钢板在永久荷载与风载组合下的截面应力 此时永久荷载为有利因素 荷载分项系数取1 0进行计算 90 1 4 4薄壁构件的板件有效宽度冷弯薄壁型钢构件允许板件受压屈曲利用屈曲后强度 截面特性用有效截面 压型钢板受压翼缘有效宽厚比 应按下列规定采用 两纵边均与腹板相连或一纵边与腹板相连 另一纵边与中间加劲肋的受压翼缘 可按两边支撑板由现行国家标准 冷弯薄壁型钢结构技术规范 确定其宽厚比 91 92 轻钢结构屋面主要由檩条 拉条 撑杆 隅撑 屋面板等组成 檩条主要有C型和Z型两种截面形式 C型截面檩条适用于坡度较小的屋面 Z型截面檩条适用于坡度较大的屋面 檩条是由交替的撑杆和拉条支承的 在斜梁的下翼缘受压区设置隅撑 保证刚架平面外的稳定性 93 94 95 96 97 有效宽度得到后还需要定义有效宽度的分布 对于均匀受压板件 有效宽度对称分布在加劲板件的两侧 靠加劲边分布在非加劲板件的一侧 根据卷边加劲刚度按比例分布在边缘加劲板件两侧 对于