门式刚架结构设计

轻型门式刚架设计,本章内容,结构形式及布置檩条设计刚架设计围护结构计算实例,刚架梁,刚架柱,柱间支撑,屋面水平支撑,檩条,墙梁,墙梁,系杆,抗风柱,墙面板,屋面板,吊车梁,门式刚架结构示意,3.1.1门式刚架特点及适用范围1、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）刚架构件的刚度较好，为制造、运输、安装提供了便利；（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；（6）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。,3.1结构形式及布置,3.1结构形式及布置,3.1结构形式及布置,2、显著特点质量轻工业化程度高，施工周期短综合经济效益高柱网布置比较灵活,始于20世纪60年代，屋面用瓦材；20世纪70年代在工程上极少应用。20世纪80年代在经济特区引进国外门式刚架轻钢房屋，压型钢板始见用于屋面和墙面；20世纪90年代初外国轻钢企业进入中国大陆，带动了内资轻钢企业的发展。中期以来，采用门式刚架轻型房屋钢结构的工程数量越来越多，工程规模越来越大，充分展示了这种结构的优越性。,2、门式刚架结构的应用情况,3.1结构形式及布置,国家标准的制定情况：冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）,3.1结构形式及布置,3.1结构形式及布置,3、适用范围跨度936m、柱距6m9m、柱高4.512m、设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑（超市、车站候车室、展览厅、码头建筑等）。目前国内单跨刚架的跨度已达到72m。,3.1.1结构形式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。,（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,3.1结构形式及布置,3.1.2门式刚架的尺寸,跨度：横向刚架柱轴线间的距离，一般为936m；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4.59m；有吊车时应根据轨顶标高和吊车净空要求确定，一般为912m。柱距：宜为6m，通常介于4.59m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1/81/20，在雨水较多地区可取较大值。,3.1结构形式及布置,（1）温度区段布置,3.1.3结构布置,1、平面布置,（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。,纵向温度区段300m横向温度区段1/3,3.2檩条的构造与设计,桁架式,空腹式,3.2檩条的构造与设计,（1）优先选用冷弯卷边槽钢C形和冷弯卷边Z形钢等简支或连续实腹式檩条；（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。,3.2.2布置和连接,3.2檩条的构造与设计,3.2檩条的构造与设计,拉条和撑杆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。拉条一般采用直径816mm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。,3.2.3拉条与撑杆,3.2檩条的构造与设计,撑杆的作用是限制屋脊、檐口和天窗两侧边檩向上和向下两个方向的侧向弯曲。,（a）直拉条（b）斜拉条,（d）撑杆,3.2檩条的构造与设计,拉条和撑杆的布置原则：（1）当檩条跨度l4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条；（2）当屋面坡度i1/10或檩条跨度l4m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；,3.2檩条的构造与设计,（4）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。,（5）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。,3.2檩条的构造与设计,3.2.4荷载,永久荷载压型钢板、檩条、拉条和悬挂物的自重，采用保温板尚需考虑保温层龙骨等的自重；可变荷载雪荷载、屋面均布活荷载、屋面检修集中荷载、积灰荷载、风荷载等，风载体型系数按CECS102-2002附录表A-2采用。,3.2檩条的构造与设计,荷载组合原则：（1）檩距小于1m的檩条，还应验算1kN（标准值）施工或检修集中荷载作用于跨中时构件的强度；（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。,3.2檩条的构造与设计,对轻型屋面檩条一般选用可变荷载控制的组合：1.2永久荷载+1.4max屋面均布活荷载，雪荷载+积灰荷载c1+1.4风压c2；或1.2永久荷载+1.4积灰荷载+max屋面均布活荷载，雪荷载c1+1.4风压c2。1.2永久荷载+1.4施工检修集中荷载；当需考虑风吸力对檩条的受力影响时，还应进行下式的荷载组合：1.0永久荷载+1.4风吸力荷载。,3.2檩条的构造与设计,3.2.5计算,（a）C型截面（b）Z型截面檩条计算示意图,1、内力分析,3.2檩条的构造与设计,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；0q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。,简支檩条（墙梁）的内力见下表：,多跨连续构件，不考虑活荷载的不均匀分布，跨中和支座弯矩均近似取：,（1）初选截面截面高度h：跨度的1/501/35；截面宽度b：根据选定的高度由冷弯薄壁型钢结构技术规范确定。,（三）檩条的截面选择,（2）确定有效截面的特性设计冷弯薄壁型钢构件允许考虑构件的屈曲后强度，不同边缘支承的板件屈曲应力和屈曲后性能不同，应按板件的支承条件各板件有效宽度后计算有效截面。,计算有效截面的截面特性时，假设由My引起的应力变化忽略不计。,3.2檩条的构造与设计,3.2檩条的构造与设计,上翼缘,下翼缘均匀受拉板件，全截面有效。,腹板腹板上下边缘分别为压应力和拉应力，按压应力分布不均匀系数和实际宽厚比b/t确定有效宽。,3.2檩条的构造与设计,（3）强度计算,Mx、My刚度最大主平面（由qy引起）的弯矩和刚度最小主平面（由qx引起）的弯矩；Wefnx、Wefny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。,冷弯薄壁型钢：,热轧型钢：,3.2檩条的构造与设计,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。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。,（4）稳定计算,Wex、Wey对主轴x、y的毛截面模量；bx、x受弯构件绕强轴的整体稳定性；f钢材的强度设计值。,冷弯薄壁型钢：,热轧型钢：,3.2檩条的构造与设计,为使屋面平整，实腹式檩条应验算垂直于屋面方向的挠度，两端简支檩条的挠度验算公式为：,Ix、Ix1截面对主轴x-x（平行于屋面轴x1-x1）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；qky沿垂直于屋面方向轴的荷载分量的标准值。,（5）变形计算,C型薄壁型钢檩条：,Z型薄壁型钢檩条：,3.2檩条的构造与设计,3.3刚架设计,1、永久荷载：结构自重，一般为0.250.35kN/m2，屋面悬挂荷重按实际取值；2、可变荷载：屋面活荷载：对压型钢板屋面，按水平投影计，一般取0.5kN/m2，水平投影面超过60m2时可取不小于0.3kN/m2施工检修集中荷载（人和小工具的重力）：1kN，按最不利位置,3.3.1荷载及荷载组合,屋面雪荷载和积灰荷载：按GB50009采用，考虑增大系数和不均匀系数。吊车荷载：竖向和水平荷载，按GB50009采用。地震作用：按建筑抗震设计规范GB50011采用。对抗震烈度为6、7度地区以压型钢板围护的铰接单层门式刚架一般可不进行抗震计算。,（a）单质点（b）两质点,3.3刚架设计,风荷载：垂直于建筑物表面的风荷载，按下式计算：,wk风荷载标准值（kNm2）；w0基本风压，按建筑结构荷载规范的规定乘以1.05的系数后采用；z风荷载高度变化系数，按建筑结构荷载规范的规定采用；当高度小于10m时，应按10m高度处的数值采用；s风荷载体型系数。,3.3刚架设计,适用于对于门式刚架轻型房屋，当其屋面坡度不大于10o、屋面平均高度不大于18m、房屋高宽比不大于1、檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸时，风荷载体型系数。,恒载（柱距6m）,3.3刚架设计,活载（柱距6m）,3.3刚架设计,左风（柱距6m，基本风压0.55）,3.3刚架设计,右风（柱距6m，基本风压0.55）,3.3刚架设计,2、荷载组合,（1）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建筑结构荷载规范的规定；当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。,3.3刚架设计,（2）荷载效应组合组合：1.2永久荷载+0.91.4积灰荷载+max屋面均布活荷载、雪荷载+0.91.4(风荷载+吊车竖向及水平荷载)组合：1.2永久荷载+0.91.4(风荷载+邻跨吊车水平荷载)组合：1.0永久荷载+1.4风荷载组合用于截面强度和构件稳定性计算；组合用于多跨有吊车刚架；组合、用于锚栓抗拉计算。,3.3刚架设计,3.3.2构件截面设计,弹性分析方法：变截面刚架、格构式刚架、带有吊车的刚架。结构力学方法、静力计算公式图表法塑性分析方法：刚架梁柱全为等截面时可用此法静力法、机动法、公式法一般情况下不考虑应力蒙皮效应。,3.3刚架设计,计算控制性截面的内力组合时一般应计算以下四种组合：Nmin情况下Mmax及相应V；Nmin情况下-Mmax及相应V；Nmax情况下Mmax及相应V；Nmax情况下-Mmax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、梁端、梁跨中等截面。,3.3刚架设计,门式刚架计算简图,3.3刚架设计,1、单跨刚架侧移计算,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应取横梁沿坡折线的总长度L=2s；Ic、Ib柱和横梁的平均惯性矩；H刚架柱顶等效水平力。,刚架侧移计算,柱脚铰接刚架：,3.3刚架设计,变截面柱和横梁的平均惯性矩，可按下式计算：,对于双楔形横梁：,门式刚架计算简图,对于楔形柱：,3.3刚架设计,刚架柱顶等效水平力H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：,3.3刚架设计,当估算刚架在吊车水平荷载Pc作用下的侧移时，,柱脚刚接刚架,吊车水平荷载Pc作用高度与柱高度之比；Pc吊车水平荷载；,柱脚铰接刚架,3.3刚架设计,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应以2s代替，s为单坡面长度。,3.3刚架设计,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：,l,3.3刚架设计,3.3刚架设计,刚架侧移不满足要求时，可采取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。,截面高度呈线性变化的柱在刚架平面内的计算长度,柱脚铰接单跨刚架楔形柱，相当于GB50018规范附表A3.2的计算长度系数乘以,（a）柱脚铰接单跨刚架楔形柱的可由表查得,可有三种方法确定：,查表法（用于柱脚铰接的对称刚架）,3.3刚架设计,刚架结构的构件截面设计,1、构件的计算长度,3.3刚架设计,（b）多跨刚架的中间柱为摇摆柱时，边柱的计算长度取为,摇摆柱的计算长度系数取为1。,计算边柱时的斜梁长度,放大系数,3.3刚架设计,一阶分析法由一阶分析得出侧移刚度K=H/u后，柱计算长度系数为：a）对单跨对称刚架：,一阶分析时的柱顶侧移,当柱铰接时：,当柱脚刚接时：,有摇摆柱的边柱乘以放大系数,3.3刚架设计,b）对中间柱为非摇摆柱的多跨刚架：,当柱脚铰接时：,当柱脚刚接时：,3.3刚架设计,二阶分析法计入P效应,变截面构件,等截面柱的计算长度取几何长度,楔形构件,3.3刚架设计,4）实腹式刚架柱和横梁的平面外计算长度取侧向支承点的间距；当考虑围护材料和檩条（墙梁）的蒙皮作用时可取2倍的檩距。,3.3刚架设计,工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比：,1、梁、柱板件的宽厚比限值,构件设计,工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比：,3.3刚架设计,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。,2、腹板的有效宽度,1）工字形截面构件腹板的受剪板幅的屈曲后强度,3.3刚架设计,2）工字形截面构件腹板的受弯及受压板幅的屈曲后强度,屈曲后强度主要依靠横向薄膜张力对腹板变形的约束；腹板受压区发生屈曲，屈曲部分不能再继续承受压力，受压区应力非线性；