钢规和门规的对比-陈伟

1、钢结构课程设计第二次作业 2010010131钢规GB50017-2003和门规CECS102:2002的对比研究班级： 结02学号： 2010010131姓名： 陈伟指导老师：施刚老师日期： 2013.4.15门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房、民用及仓储房屋中一种常见的结构形式，特别是近十多年来，随着我国经济建设的迅速发展 ,由于生产的需要，这类结构以其用钢量低、重量轻、造价低、适用范围广等优点而获得广泛应用。下面对门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102:2002和钢结构设计规范GB50017-2003中梁柱规定做一个比较，主要从构件计算长度、长细比限值、强度计算、稳定性分析、变形、风

2、荷载计算以及节点连接形式这几个方面来对比，本文着重点为对比分析，因此在某些计算方法上会省略，如查表的时候表格直接用规范附录的形式给出。一、构件的计算长度首先，GB50017-2003中对各种构件的计算长度加以说明，而CECS102只对变截面柱的计算高度取值进行了规定，其他构件的计算长度参照GB50017。1. GB50017-2003（规范5.3.35.3.6）对于单层和多层框架等截面柱计算长度h0=h，框架分为无支撑的纯框架和有支撑框架，有支撑框架根据侧移刚度的大小分为强支撑框架柱和弱支撑框架柱。1） 无支撑纯框架一阶弹性方法计算内力时，计算长度系数可以通过计算K1, K2之后查表得出（规范

3、附录D表D2，此处只对比其精髓不顾不再列表赘述），其中K1, K2分别为相交于柱上端、柱下端的横梁线刚度之和和柱线刚度之和的比值，系数随着K1, K2的增大而减少。对底层框架柱：对柱和基础铰接取K2=0，柱与基础刚接取K2=10采用二阶弹性方法计算内力时取计算长度系数=1.02） 有支撑框架强支撑框架弱支撑框架判断标准Sb31.2Nbi-Noi不满足左侧判断标准Sb支撑结构的侧移刚度，Nbi,Noi采用无侧移框架和有侧移框架计算长度系数算得的轴压杆稳定承载力之和稳定系数计算长度系数见附录D表D1=0+1-0Sb31.2Nbi-Noi1, 0采用无侧移框架柱和有侧移框架柱计算系数算的的轴心压杆稳

4、定系数对于单层厂房下端刚接固定的阶形柱1） 单阶柱下段柱的计算长度系数2：当梁上端与横梁铰接时，等于附录D表D3的数值乘以下表中的折减系数；当梁上端与横梁刚接时，等于附录D表D4的数值乘以下表的折减系数。厂房类型折减系数单跨或多跨纵向温度区段内一个柱列的柱子数屋面情况厂房两侧是否有通长的屋盖纵向水平支撑单跨等于或少于6个0.9多于6个非大型混凝土屋面板的屋面无纵向水平支撑有纵向水平支撑0.8大型混凝土屋面板的屋面单跨非大型混凝土屋面板的屋面无纵向水平支撑有纵向水平支撑0.7大型混凝土屋面板的屋面上端柱的计算长度系数1按照下式进行计算：1 =21, 1=H1H2N1N2I1I22） 双阶柱下段柱

5、的计算长度系数3：当梁上端与横梁铰接时，等于于附录D表D5的数值乘以上表的折减系数；当梁上端与横梁刚接时，等于于附录D表D6的数值乘以上表的折减系数。上段柱和中段柱的计算长度系数1,2 按照下式进行计算：1 =31, 1=H1H3N1N3I1I32 =32, 2=H2H3N2N3I2I3附有摇摆柱的无支撑框架和弱支撑框架计算长度要乘以增大系数=1+Nl/HlNf/Hf2. CECS102（规程6.1.3）截面高度呈线性变化的柱在刚架平面内的计算长度应取为h0=h，其中h为柱高、计算长度系数。的取值给出了三种取值方法：（1）查表法（用于柱脚铰接的刚架）柱脚铰接单跨楔形柱的计算系数可由下表查出：柱

6、的线刚度K1和梁的线刚度K2应分别按下列公式计算：K1=Icl/hK2=Ib0/(2s)Icl为柱大头的截面惯性矩，Ib0为梁最小截面惯性矩，s为斜梁换算系数，由规程附录口图 D.0.2（a）（e）的曲线查得。当梁为等截面时，=1。多跨刚架柱中间柱为摇摆柱时，边柱的计算长度应取：h0=h=1+PlihliPfihfi Pli摇摆柱承受的荷载，Pfi边柱承受的荷载，hli摇摆柱的高度，hfi边柱的高度 摇摆柱的计算长度系数=1.0。使用与屋面坡度不大于1:5的情况下，超过此限值应考虑横梁轴向力对柱刚度的不利影响对于规程图带毗屋的刚架，可近似地将毗屋柱视为摇摆柱，此时主刚架柱的系数 、可由表 6.

7、1.3 查得，并应乘以按公式（6.1.3-6）计算的系数。（2）一阶分析法刚架的在柱顶水平荷载作用下的侧向刚度K=H/u1） 单跨对称刚架当柱脚铰接时=4.14EIc0/(Kh3)当柱脚刚接时=5.85EIc0/(Kh3)屋面坡度不大于1：5 的、有摇摆柱的多跨对称刚架的边柱，要乘以放大系数'=1+Pli/hli1.2Pfi/hfi2）中间柱为非摇摆柱的多跨刚架当柱脚铰接时=0.851.2KPE0i'PiPihi当柱脚刚接时=1.201.2KPE0i'PiPihi其中 PE0i'=2EI0ihi2（3）二阶分析法=1-0.375+0.0821-0.0775=d1

8、/d0-1构件的楔率，不大于 0.268h/d0 及 6.03.总结对比从上面的分析可以得知，对于门规，分类较多，首先分为铰接和刚接，对于铰接又分有无支撑，刚接分单阶柱和双阶柱计算，各自又分上段柱和下段柱。而门规则主要规定了变截面柱的计算长度，提供了三种不同计算方法，查表法、一阶算法、和二阶算法，针对性较强。其中柱脚的刚接和铰接计算公式的区别只是在前面的一个系数上，并未像门规中对二者分开详细讨论。各自的计算公式差异也较大。二、长细比对于受拉受压构件的长细比，在两个规范中均有提及，其值不尽相同甚至差异较大。1. GB50017-2003（规范5.3.85.3.9）受压构件容许长细比项次构件名称容

9、许长细比1柱、桁架和天窗架上的杆件150柱的缀条、吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑2支撑（吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑除外）200用以减小受压构件长细比的杆件受拉构件长细比2. CECS102受压构件长细比受拉构件长细比3.总结对比从上述分析中可知，对于受拉杆件，两种规范或规程中对长细比的限值上，门规允许的长细比更大，在实际应用中能够节省大量的钢材，而对于受拉杆件两者基本一致，只是没有对承受静载或间接动载的情况进行分类，默认全部为一般建筑结构，不考虑有重级工作制吊车的产房的长细比加强。三、强度计算本部分由于涉及面较广，为方便对比采用列表形式进行。不考虑屈曲后强度时，对于GB50017-2003

10、，各种类型的强度计算如下：（规范4.1）压弯、拉弯承载力NA±MxxWnx±MyyWnyf抗剪承载力=VSItwfv局部承压承载力c=Ftwlzf折算应力2+c2-c+321f而对于CECS102而言，变截面构件按照弹性方法分析确定各种内力。只有当构件全部为等截面构件时才允许采用塑性分析方法并按钢结构设计规范GB50017的规定进行设计。考虑屈曲后强度时，两者的对比见下表：（分别为规范4.4和规程6.1.16.1.2）GB50017-2003CECS102考虑前提腹板仅配置支承加劲肋（或尚有中间横向加劲肋）而考虑屈曲后强度的工字形截面焊接组合梁工字形截面构件受压翼缘板外伸宽

11、度b与其厚度t不应大于15235/fy；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250235/fy受弯计算通用高厚比腹板受弯计算时的通用高厚比b的计算当梁受压翼缘扭转受到约束时：b=2hc/tw177235/fy当梁受压翼缘扭转未受到约束时：b=2hc/tw153235/fy板件在正应力下的屈曲系数：k=161+2+0.1121-20.5+1+ =2/1腹板受压时的换算高厚比：p=hw/tw28.1k235/fy受剪时的换算高厚比腹板受剪计算时的通用高厚比s的计算当a/h01.0时：s=h0/tw414+5.34h0/a2fy235当a/h0>1.0时：s=h0/tw

12、415.34+4h0/a2fy235受剪腹板屈曲系数当a/hw<1.0时：k=4+5.34/a/hw2当a/h01.0时：k=5.34+4/a/hw2腹板受剪时的换算高厚比w=hw/tw37k235/fy抗弯计算b为腹板受弯计算时的通用高厚比。腹板受压区有效高度计算系数根据“腹板受弯计算时的通用高厚比b”来确定当b0.85时，=1当0.85<b1.25时，=1-0.82b-0.85当b>1.25时，=1b1-0.2b工形截面梁的抗弯承载力Meu=xeWxf其中 e=1-1-hc3tw2Ix有效宽度系数：当p0.8时，=1当0.8<p1.2时，=1-0.9p-0.8当p&

13、gt;1.2时，=0.64-0.24p-1.2腹板的有效宽度he的分布如下：当全截面受压时：he1=2he5- he2=he-he1当部分截面受压时：he1=0.4he he2=0.6he按照有效腹板截面计算抗弯承载力：Me=Wef抗剪计算抗剪承载力Vus为腹板受弯计算时的通用高厚比。当s0.8时，Vu=hwtwfv当0.8<s1.2时，Vu=hwtwfv1-0.5s-0.8当s>1.2时，Vu=hwtwfv/s1.2抗剪强度：Vd=hwtwfv'当w0.8时，fv'=fv当0.8<w<1.4时，fv'=1-0.64w-0.8fv当p1.4时，f

14、v'=1-0.275wfv弯剪共同作用梁两翼缘所承担的弯矩设计值MfMf=Af1h12h2+Af2h2f当V<0.5Vu时，取V=0.5Vu；当M<Mf时，取M=MfV0.5Vu-12+M-MfMeu-Mf1当V0.5Vd时，不考虑受剪MMe当V>0.5Vd时MMf+Me-Mf1-V0.5Vd-12Mf=Afhw+twf此外，在门规中还规定了压弯剪共同作用的情况，钢规中并无提及，因此此处不加以分析。四、整体稳定性由于在门规中，关于稳定性主要分析了压弯构件的稳定性（柱子），此处做对比也只对比受弯构件及压弯构件中的区别。1. GB50017-2003（规范4.2）1）最大

15、刚度主平面内受弯MxbWx f2）两个主平面内受弯的H型钢或工字形截面构件MxbWx +MyyWy f3）压弯构件的平面内稳定性NxA+mxMxxW1x1-0.8NNEX'fNEX'=2EA/1.1x24）压弯构件的平面外稳定性NyA+txMxbW1xf截面影响系数，闭口截面=0.7，其他截面=1.0b=b4320y2AhWx1+yt14.4h2+b235fy5）弯矩作用在两个主平面内的双轴对称工字形（含H型）和箱形（闭口）截面构件NxA+mxMxxW1x1-0.8NNEx'+tyMybyW1yfNyA+txMxbW1x+myMyyW1y1-0.8NNEy'f2

16、. CECS102（规程6.1.36.1.4）1）变截面柱在刚架平面内的稳定性NoxyAe0+mxMl1-NoNExo'xyWelfNExo'=2EAe0/1.122）变截面柱在刚架平面外的稳定性NoyAe0+tMlbyWelf对一端弯矩为零的区段：t=1-N/NExo'+0.75N/NExo'2对两端弯曲应力基本相等的区段：t=1.03）均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数by对双轴工字形截面按下述公式计算by=4320yo2Aoh0Wx0sw4+yoto4.4h02235fyyo=sl/iyos=1+0.023lho/Afw=1+0.00385l/iyo当两翼

17、缘截面不相等时，在公式中按照CB50017公式加上截面不对称系数b，具体取值与GB50017相同。当计算得到by大于0.6时，按照GB50017的规定计算代替的br。3.总结对比从上面公式中可以分析二者的区别，首先是门规针对性较强，主要分析的是柱子的整体稳定性，对于门式钢架来说，柱子一般是压弯构件，双向受弯没有提到。而钢规中情况就比较多了。且只对于压弯构件来说，两者的公式形式十分类似，只是门规规定较活，钢规规定死的系数0.8由NoNExo'代替了。关于局部稳定性在门规中没有提到。五、变形控制1.GB50017（规范附录A）（1） 柱顶侧移限值在风荷载标准值作用下，框架柱顶水平位移和层间

18、相对位移不宜超过下列数值：无桥式吊车的单层框架的柱顶位移H/150有桥式吊车的单层框架的柱顶位移H/400多层框架的柱顶位移H/500多层框架的层间相对位移H/400在冶金工厂或类似车间中设了A7、A8级吊车的厂房柱和设有中级和重级工作制吊车的露天栈桥柱，在吊车梁或吊车桁架的顶面标高处，由一台最大吊车水平荷载(按荷载规范取值)所产生的计算变形值，不宜超过下表所列的容许值项次位移的种类按平面结构图形计算按空间结构图形计算1厂房柱的横向位移Hc/1250Hc/20002露天栈桥柱的横向位移Hc/2500-3厂房和露天栈桥柱的纵向位移Hc/4000-（2） 构件挠度吊车梁、楼盖梁、屋盖梁、工作平台梁

19、以及墙架构件的挠度不宜超过下表所列的容许值 l为受弯构件的跨度（对悬臂梁和伸臂梁为悬伸长度的倍）。vr为永久和可变荷载标准值产生的挠度（如有起拱应减去拱度）的容许值；vQ为可变荷载标准值产生的挠度的容许值。2.CECS102（规程3.4）（1） 柱顶侧移限值限值吊车情况其他情况柱顶位移限值无吊车采用轻型钢墙板h/60采用砌体墙h/100有桥式吊车吊车有驾驶室h/400吊车由地面操作h/180（2） 受弯构件挠度限值构件类别构件挠度限值竖向挠度门式刚架斜梁 仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条L/180 尚有吊顶L/240 有悬挂起重机L/400檩条 仅支承压型钢板屋面L/150 尚有吊顶L/240

20、压型钢板屋面L/150水平挠度墙体L/100墙梁 仅支撑压型钢板墙L/100 支承砌体墙L/180L为构件的跨度（对悬臂梁和伸臂梁为悬伸长度的倍）六、风荷载计算（荷载规范7和门规附录A）按照结构荷载规范来计算，wk=zszw0按照门规设计时，有wk=szw0其中门规中的w0需要按照荷载规范中的再乘以一个放大系数1.05，且与钢规相比没有z（风振系数）项。其次，二者的z算法均按照荷载规范中的规定来计算。差别较大的是风体型系数s，门规主要是针对门式刚架设定，因此其规定主要围绕门式刚架，分类较细，有檩条、墙梁、屋面板、墙板、山墙墙架和屋面挑檐等等，且对每一部分都细分为中间带或边缘带等等，其针对性较强

21、，对门式刚架而言精度会较为准确。而钢规则涵盖面较广，对于各种不同性质不同体型均有涉及。七、 节点连接形式定性分析（钢规7和门规7.2） 节点连接设计应满足传力可靠 ,构造合理 ,对门式刚架大都采用高强度螺栓端板连接形式。而在“钢规”中 ,端板连接除了要满足受力要求外 ,并由于一定的构造要求 ,沿端板高度均匀布置高强螺栓 ,这造成了不必要的浪费。而在“门规”中 ,端板连接螺栓大都分布于翼缘两侧 ,能充分利用螺栓的承载性能 ,减少螺栓用量。（摘自门式刚架钢结构普钢规范和轻钢规范的设计比较研究）八、 案例分析因为如果要对上述各个方面进行分析最好做一整套的设计计算，虽然老师规定不一定要跟课程设计相关的

22、案例，不过为了能够详尽的涵盖上述各个方面，同时对之前的设计过程取值做验算，此处选取的案例即为课程任务要求中的单榀框架设计。先将荷载条件列出如下：荷载类型恒载活载屋面横在墙面恒载屋面活载基本风压基本雪压荷载大小（KN/m）0.400.350.350.500.55（1）风荷载计算对比首先根据任务书要求，进行风荷载的计算对比，如下表：GB50017-2003CECS102风荷载体型系数示意图风荷载计算迎风面： wk=0.8×0.74×0.50=0.296KN/m2 （压力）背风面： wk=0.5×0.74×0.50=-0.185KN/m2 （吸力）坡屋面迎风面

23、：wk=0.6×0.74×0.50=-0.222KN/m2（吸力）坡屋面背风面：wk=0.5×1.13×0.45=-0.185KN/m2（吸力）迎风面： wk=1.05×0.25×0.74×0.50=0.0971KN/m2 （压力）背风面： wk=1.05×-0.55×0.74×0.50=-0.214KN/m2 （吸力）坡屋面迎风面：wk=1.05×-1.0×0.74×0.50=-0.389KN/m2 （吸力）坡屋面背风面：wk=1.05×-0.65

24、15;0.74×0.50=-0.253KN/m2 （吸力）简单对比从计算中可以知道，按钢规设计时，除了迎风面的计算风压大于门规设计外，其他各个表面的计算值（绝对值）均小于门规计算值。这个大致可以从体型系数的区别中看出。此差别可以从二者的出发点来分析，钢规主要研究的是房屋屋面形式对风荷载体型系数的影响，而门规则更具体，不仅包括门式刚架的屋面形式，也考虑了相邻面对其系数的影响，端部和中间段的差异已经较大。（2）柱子的计算长度的对比假设基础埋深300mm，则柱子高度为7.2+0.3=7.5m，按照钢规，由于柱子底部选择铰接，按照无支撑框架计算，其计算长度系数为1.0，故柱子的计算长度l0=

25、l=1.0×7.5=7.5m。按照门规来计算时，用一阶分析法，首先计算侧移刚度K，按照定义有K=H/u,利用sap建模，如下图，在柱顶加一个单位力。测得，柱顶侧移u=0.0004，则侧移刚度为K=1/u=2500刚接柱脚，则有=5.85EIc0Kh3=4.14×206000×565.24×1062500×75003 =1.944因此l0=l=1.944×750014.58m（3）变形限值为满足变形限值条件，不断地修正截面并验算，最终各自截面如下：按钢规计算时各截面参数高度h(mm)宽度b（mm）翼缘厚tf（mm）腹板厚tw（mm）截面

26、抵抗矩W（mm3）惯性矩I（mm4）钢架梁边端75035012103901333146.3×107中端6003501210295000088.5×107内端75035012103901333146.3×107钢柱650250108250769281.5×107按门规计算时各截面参数高度h(mm)宽度b（mm）翼缘厚tf（mm）腹板厚tw（mm）惯性矩I（mm4）截面抵抗矩W（mm3）钢架梁边端600250108565.24×1061884133中端450250108313.83×1061394800内端600250108565.24&

27、#215;1061884133钢柱600250108565.24×1061884133将用两种规范或规程计算求得的位移变形及其限值分别列表如下，按门规设计：钢架梁挠度刚架柱侧移挠度侧移量106.905.26分别与L和H的比值1/2431/1426容许值1/1801/60按钢规设计：钢架梁挠度刚架柱侧移挠度侧移量61.122.91分别与L和H的比值1/4251/2577容许值1/4001/150其中对于柱侧移和梁挠度来说，一般都是由梁挠度控制，从中用这两种规范时选用了不同的梁柱截面，很大程度上是由于该限值的差别，可以看出，在梁挠度限值上，门规比钢规放得更松，而截面也得到了很大的减小，因

28、此能够节省较多的钢材。（4）强度计算对比本处旨在对比，因此关于强度只计算了柱子，且尺寸均按钢规设计尺寸先来计算以作对比。梁的计算类似因此不再赘述，在之后的课程设计中还会提及。不考虑屈曲后强度，对柱子顶端有Mmax=424.59KN.m，Nmax=93.61KN，根据压弯承载力计算有：NA±MxxWnx±MyyWny=9361015660+424.59×1061.05×3901333=109.63N/mm2f=215N/mm2该柱的抗弯承载力满足抗剪承载力（取腹板与翼缘连接处）：最大剪力为Vmax=87.18KN，S=350×12×36

29、9=1549800mm3,故=VSItw=87180×1549800146.3×107×10=9.23N/mm2fv=125N/mm2满足抗剪设计由于抗弯和抗剪距离钢材设计值均较大，因此不必计算折算应力，必然满足。由于不考了屈曲后强度时钢规和门规的计算方法一致，因此在此不再计算门规。下面讨论考虑屈曲后强度。柱子抗弯基于钢规b=2hc/tw177fy235=2×72610177×1=0.820e=1-1-hc3tw2Ix=1-0=1Meu=xeWxf=1.05×3901333×215=880.73KN.m基于门规由于弯矩影响远

30、大于轴力影响，近似为纯弯，取=-1.0，k=161+2+0.1121-20.5+1+ =23.9p=hw/tw28.1k235/fy=0.528he总=he=726/2=363mm 求得We=3795039mm3，所以Me=Wef=3795039×215=815.9KN.m从这个对比角度上来说，用门规计算得的有效宽度系数要小于钢规计算所得，从而使得即便截面面积一致，也将导致前者计算得的抗弯承载力比后者小。柱子抗剪：基于钢规(取a=800mm)：s=h0/tw415.34+4h0/a2fy235=72610415.34+47268002=0.603<0.8Vu=hwtwfv=72

31、6×10×125=907.5KN基于门规k=5.34+4/a/hw2=8.63w=hw/tw37k235/fy=0.668Vd=hwtwfv'=907.5KN此处由于两种规范计算得的受剪换算高厚比均较小，最终反映在受剪承载力上并无差别。弯剪共同作用：基于钢规建模算得，柱中最大剪力为Vmax=87.18KN，取V=0.5Vu=907.5/2=453.75KNMf=Af1h12h2+Af2h2f=4200×3692369+4200×369×215=666.4KN.mV0.5Vu-12+M-MfMeu-Mf<01此处由于翼缘提供的弯矩已

32、经足够满足抗弯要求，因此出现小于0的情况。若算M-MfMeu-Mf=1则得到M=Meu=880.73KN.m基于门规M=424KN.mMe-NAeWe=815.9-9361012090×3795039=786.5KN.m对比可知，如此计算出来的弯矩承载力，按钢规设计比按门规设计大。但均比实际中的最大弯矩值大很多，而设计中偏差较大容易造成钢材的浪费。5）整体稳定性对比钢规：柱子的轴压稳定性：x=l0x/ix=7500/I/A=7500/146.3×107/15660=24.5y=l0y/iy=7500/I/A=7500/85810500/15660=101.3=0.547NA

33、=93610/0.547/15660=10.93N/mm2f=215N/mm2,满足柱的压弯平面内稳定性：mx=0.65+0.35M2M1=0.65+0.35×（-229）/424=0.461NEX'=2EA/1.1x2=48221KNNxA+mxMxxW1x1-0.8NNEX'=5.53+47.78=53.31N/mm2f柱的压弯平面外稳定性：tx=0.65，b=1.75b=b4320y2AhWx1+yt14.4h2+b235fy=2.3636b'=1.07-0.282/b=0.951NyA+txMxbW1x=10.70+74.28=84.98N/mm2f门规：柱在刚架平面内的稳定性：有前面的计算可知，计算长度l0=14580mmx=l0x