第2章 门式刚架节点设计

1、2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 结构与选型结构与选型2.3 2.3 刚架设计刚架设计2.4 2.4 压型钢板设计压型钢板设计2.5 2.5 檩条设计檩条设计2.6 2.6 墙梁设计墙梁设计2.7 2.7 支撑构件设计支撑构件设计2.8 2.8 设计实例设计实例(Light-weight Buildings with Gabled Frames) 2.3.6 节点设计(Design of Joints of Gabled Frames) 1 1、斜梁与柱的连接及斜梁拼接、斜梁与柱的连接及斜梁拼接h1Me端板竖放端板竖放端板斜放端板斜放端板平放端板平放斜梁拼接斜梁拼接端板竖放端板竖放端板斜

2、放端板斜放端板平放端板平放端板与构件端板与构件边缘垂直边缘垂直端板连接：端板连接：连接施工简单方便；使用阶段为刚性连接，罕遇地震弹塑性阶段刚性连接，利于吸收地震能量。构造要求构造要求（1）主刚架构件的连接可采用承压型或摩擦型高强螺栓连接,M16M24。（2）端板厚度不小于16mm及0.8倍的螺栓直径。（3）斜梁拼接处，应采用外伸式连接，并使得翼缘内外的螺栓中心与翼缘的中心重合或接近。与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。三角形短加劲肋长边:短边1.5:1.0。（4）端板连接只承受轴力和弯矩时，或剪力小于其抗滑移承载力时，端板可不做摩擦面处理。A A、梁梁拼接节点、梁梁拼接节点rafter-

3、rafter connectionrafterpurlin端板设计端板设计连接螺栓计算连接螺栓计算梁与端板的连接，端板螺梁与端板的连接，端板螺栓处构件腹板强度栓处构件腹板强度梁梁连接受力：最大内力；较小截面承载力的一半取两者的大值计算1) 1)端板计算端板计算bfNettf6 feaNetwtw 5 . 03feeebeNeetwffwtwf)(26 febbeNeetfswtwf4)2(62 伸臂类端板伸臂类端板无肋类端板无肋类端板两边支承两边支承三边支承端板三边支承端板两边两边bewew两边两边无肋无肋efefaefef伸臂伸臂f)(412ffw ww wt tw wf fe ee ee

4、eb be eN Ne ee et t 板宽：满足焊缝要求，梁翼缘宽+1.5mm；外伸长度：满足最小螺栓间距和边距要求；板厚：按支撑条件确定并满足构造要求，16mm,0.8倍螺栓直径。端板端板外伸外伸端板端板平齐平齐2)2)连接螺栓计算连接螺栓计算主刚架构件的连接可采用承压型或主刚架构件的连接可采用承压型或摩擦型摩擦型高强螺栓连接高强螺栓连接( (M16M24) )。两边两边bewew两边两边无肋无肋efefaefef伸臂伸臂lew，ef应满足拧紧螺栓所应满足拧紧螺栓所用工具的净空要求，通常用工具的净空要求，通常不小于不小于4545mmmm，l螺栓端距不应小于螺栓端距不应小于2 2倍倍螺螺栓孔

5、径栓孔径l两排螺栓之间的最小距离两排螺栓之间的最小距离为为3 3倍倍螺栓直径，最大距离螺栓直径，最大距离不应超过不应超过400mm400mm，否则应增，否则应增设一对螺栓。设一对螺栓。3)3)梁与端板的连接梁与端板的连接p翼缘与端板：翼缘与端板：翼缘厚度大于翼缘厚度大于12mm12mm时，时，全熔透的对接焊缝全熔透的对接焊缝p腹板与端板：腹板与端板：角对接组合焊缝或与腹板等强的角焊缝角对接组合焊缝或与腹板等强的角焊缝rafter-rafter connectionrafterpurlin当不满足上式要求时，可设置腹板加劲肋或局部加厚腹板当不满足上式要求时，可设置腹板加劲肋或局部加厚腹板。 在端

6、板设置螺栓处，应按下列公式验算在端板设置螺栓处，应按下列公式验算构件构件腹板的强度腹板的强度：时，时，当当PNt4 . 02 时，时，当当PNt4 . 02 高高强强度度螺螺栓栓的的预预拉拉力力。心心拉拉力力设设计计值值；翼翼缘缘内内第第二二排排螺螺栓栓的的轴轴式式中中PNt2)a44. 2(fteP4 . 0ww)b44. 2(fteNww2tB B、梁柱拼接节点、梁柱拼接节点h1Me端板竖放端板竖放端板斜放端板斜放端板平放端板平放 螺栓受剪拉作用 安装稍难 适用于等截面柱 可减少螺栓剪力 安装最方便 螺栓不对称 抗弯力臂加长, 有利于螺栓布置 螺栓受剪力较小 安装精度高，安装难梁柱节点类型

7、：梁柱节点类型：端板竖放、端板横放、端板斜放设计方法设计方法同梁梁连接，并增加计算4）节点域剪应力和5）端板连接刚度4 4）斜梁与柱相交的节点域，应按下列公式验算剪应力：）斜梁与柱相交的节点域，应按下列公式验算剪应力：高高度度。斜斜梁梁端端部部高高度度或或节节点点域域节节点点域域柱柱腹腹板板的的厚厚度度；节节点点域域柱柱腹腹板板的的宽宽度度节节点点承承受受的的弯弯矩矩；式式中中bccdtdM;当不满足（当不满足（2.43）时，应）时，应加厚腹板加厚腹板或或设置斜加劲肋设置斜加劲肋。h1Me)43. 2(ftddMvccb 刚架梁柱刚架梁柱转动刚度转动刚度节点域节点域设置斜加劲肋设置斜加劲肋可使

8、梁柱连接刚度明显提高。可使梁柱连接刚度明显提高。h1Meb bl lE EI IR Rb25 2121RRRR R R sincosGh211s st tb bp pc cA AE Ed dt td dR R 32121 . 16EIf fe ee eh hR R 5 5）端板连接刚度：）端板连接刚度：节点域节点域腹板厚度腹板厚度两条斜加劲肋两条斜加劲肋的总截面积的总截面积斜加劲肋倾角斜加劲肋倾角与节点域剪切变与节点域剪切变形相对应的刚度形相对应的刚度连接弯连接弯曲刚度曲刚度端板惯性矩端板惯性矩例题例题B BQ QkNkNN NkNkNV Vm mkNkNM M3456.902,89.60,-

9、105.99，钢材，钢材 解：解：连接螺栓计算连接螺栓计算采用采用10.9级级M16摩擦型高强度螺摩擦型高强度螺栓，接触面喷砂处理。栓，接触面喷砂处理。168. 08022.454507. 5NN b bt tt tb bv vv vN NN NkNkNP Pb bt t801008 . 08 . 0N kNkNP Pb b451005 . 019 . 09n. 0Nfv 节点域剪应力计算节点域剪应力计算mmmmf fe ee ee eb be eN Ne ee et tw wf ff fw wt tw wf f7 .1345)30545(45.5219945.58000045.5456)(2

10、6 mmmmf fe eb bb be eN Ne ee et tf fs sw wt tw wf f3 .123055 .4595)23045.5(1998000045.54564)2(622 故取故取t=16mm端板厚度端板厚度226/180/89.87854627010105.99mmmmN Nf fmmmmN Nv v 构件腹板强度构件腹板强度连接刚度验算连接刚度验算1122111023. 570sin70cos3840546206000827053279230.7sincosGh s st tb bp pc cA AE Ed dt td dR R19329321210032. 545

11、1 . 15321012. 720600061 . 16EI f fe ee eh hR R2121RRRR R Rb bl lE EI IR Rb25 2/305mmmmN Nf f A A、柱脚的形式和构造、柱脚的形式和构造平板式平板式铰接柱脚铰接柱脚刚接柱脚刚接柱脚2 2、柱脚、柱脚柱脚锚栓柱脚锚栓应采用应采用Q235Q235或或Q345Q345钢材制作，钢材制作，有一定的锚固长度；有一定的锚固长度；水平剪力水平剪力由底板与混凝土基础之间的由底板与混凝土基础之间的摩擦力摩擦力（摩擦系数可取（摩擦系数可取0.40.4），不满足），不满足时可设置时可设置抗剪键抗剪键承受；承受；计算风荷载作用

12、下柱脚锚栓的计算风荷载作用下柱脚锚栓的上拔力上拔力时，应计入柱间支撑的最大竖向分力，时，应计入柱间支撑的最大竖向分力，此时，不考虑活荷载此时，不考虑活荷载( (或雪荷载或雪荷载) )、积灰、积灰荷载和附加荷载的影响，同时永久荷载荷载和附加荷载的影响，同时永久荷载的分项系数的分项系数1.01.0。VN4 . 0Vfb柱脚抗剪键的设置柱脚抗剪键的设置3 3、牛腿、牛腿当有桥式吊车时，需在刚架柱上当有桥式吊车时，需在刚架柱上设置牛腿，牛腿与柱焊接连接。设置牛腿，牛腿与柱焊接连接。牛腿根部所受剪力牛腿根部所受剪力V、弯矩、弯矩M根据根据下式确定：下式确定：2.4 次结构设计(Design of Sec

13、ondnary members ) 一、压型钢板一、压型钢板压型钢板的加工压型钢板的加工 将薄钢板将薄钢板(彩色薄钢板）经辊彩色薄钢板）经辊压冷弯成压冷弯成V型、型、U型、型、W型等型等类似形状，用于建筑屋面、类似形状，用于建筑屋面、墙面和楼板的建筑材料。墙面和楼板的建筑材料。压型钢板的加工压型钢板的加工外墙彩钢板屋面彩钢板组合楼板里的镀锌压型钢板彩色镀铝锌钢板彩色镀铝锌钢板彩色压型钢板的构成彩色压型钢板的构成3.涂层：涂层：聚脂涂料、有机硅改性聚脂涂料等。聚脂涂料、有机硅改性聚脂涂料等。由基材、镀层和涂层三部分组成由基材、镀层和涂层三部分组成 1.基材：基材：由板厚度为由板厚度为0.5mm2

14、.0mm的薄钢板经冷的薄钢板经冷轧或冲压成型。轧或冲压成型。2.镀层：镀层：热镀锌、热镀锌铝合金、热镀铝和热镀锌等热镀锌、热镀锌铝合金、热镀铝和热镀锌等。压型钢板的分类压型钢板的分类按表面处按表面处理方法分理方法分 镀锌钢板镀锌钢板 彩色镀锌钢板彩色镀锌钢板 彩色镀铝锌钢板彩色镀铝锌钢板 仅适用于仅适用于组合楼板组合楼板 适用于屋适用于屋面和墙面面和墙面 冷弯薄壁型钢结构技术规范冷弯薄壁型钢结构技术规范GB 50018-2002按波按波高分高分 低波板低波板(30mm)(75mm)(75mm)适用于适用于屋面屋面 适用于适用于墙面墙面 截面形式截面形式单层压型钢板单层压型钢板 YX YX波高波

15、距有效覆盖宽度。如波高波距有效覆盖宽度。如YX15-380-760YX15-380-760，表，表示：示：波高为波高为15mm15mm、波距为、波距为380mm380mm、板的有效覆盖宽度为、板的有效覆盖宽度为760mm760mm的板型；的板型；压型钢板的厚度需另外注明。压型钢板的厚度需另外注明。表示方法：表示方法：连接构造连接构造 搭接要求搭接要求长向搭接长度：长向搭接长度： 高波（波高高波（波高 70mm70mm）压型钢板：）压型钢板：350mm350mm 低波（波高低波（波高 70mm 1/10 1/10时：时： 200mm200mm 墙面：墙面： 压型钢板：压型钢板： 120mm120

16、mm屋面：屋面：侧向搭接：与主导风向一致侧向搭接：与主导风向一致有有搭接搭接、扣合式、扣合式、咬合式咬合式连接三种。连接三种。搭接式扣和式咬合式 与檩条的连接与檩条的连接钩头螺栓钩头螺栓自攻螺钉自攻螺钉 二、檩条二、檩条1 1、 截面形式截面形式截面截面形式形式实腹式实腹式格构式格构式热轧型钢热轧型钢H H型钢型钢冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢下撑式下撑式平面桁架式平面桁架式空腹式空腹式跨度大于9ml实腹式檩条的截面形式实腹式檩条的截面形式热轧型钢热轧型钢H H型钢型钢 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢 这两种檩条适用于荷这两种檩条适用于荷载较大的屋面。载较大的屋面。适用于压型钢板的轻型屋面适用于压型钢板的

17、轻型屋面适用于屋面坡度适用于屋面坡度1/31/3适用于屋面坡度适用于屋面坡度1/31/32 2、 布置和连接布置和连接布置布置l应等间距布置。应等间距布置。l在屋脊处，在屋脊处，应沿屋脊两侧各布置一道檩条，使得屋面板应沿屋脊两侧各布置一道檩条，使得屋面板的外伸宽度不要太长的外伸宽度不要太长( (一般一般200mm)200mm)；l在天沟附近，在天沟附近，应布置一道檩条，以便于天沟的固定。应布置一道檩条，以便于天沟的固定。 确定檩条间距时，应综合确定檩条间距时，应综合考虑屋面材料、檩条规格等因考虑屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，一般素按计算确定，一般1 1 3m3m。檩条屋面檁条布置实例屋面

18、檁条布置实例l檩条可设计为单跨简支构件或连续构件；l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 檩条连接构造檩条刚架梁角钢檩托刚架梁刚架梁檩条刚架梁檩条钢板檩托檩条角钢檩托连接连接 拉条和撑杆是拉条和撑杆是提高檩条侧向稳定性提高檩条侧向稳定性的重要构造措施，拉的重要构造措施，拉条条仅传递拉力仅传递拉力，撑杆，撑杆主要承受压力主要承受压力，和拉条共同作用，将檩，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。条沿屋面坡度方向的分

19、力传给梁或柱。3 3、 拉条与撑杆拉条与撑杆l拉条和撑杆的布置原则：（1）当檩条跨度l4m时，可不设置拉条；（2）当檩条跨度4ml6m时，应在檩条跨中受压翼缘设置一道拉条；（3）当跨度6ml9m 时，宜在檩条三分点处各设一道拉条；檩条、拉条布置图檩条、拉条布置图檩条间距圆钢檩条间距圆钢檩条间距檩条1/3h1/3hh圆管圆钢拉条（a）直拉条 （b）斜拉条（c）剪刀拉条 （d）撑杆 拉条和撑杆的截面应按计算确定，拉条一般采用直径拉条和撑杆的截面应按计算确定，拉条一般采用直径101016mm16mm的的圆钢，撑杆可采用钢管、方管或角钢做成，其长细圆钢，撑杆可采用钢管、方管或角钢做成，其长细比按压杆要

20、求不能大于比按压杆要求不能大于200200。 拉条、撑杆与檩条的连接见图所示，斜拉条可弯折，拉条、撑杆与檩条的连接见图所示，斜拉条可弯折，也可不弯折。前一种方法要求弯折的直线长度不超过也可不弯折。前一种方法要求弯折的直线长度不超过15mm15mm，后一种方法则需要通过斜垫板或角钢与檩条连接。，后一种方法则需要通过斜垫板或角钢与檩条连接。4 4、 荷载荷载1 1）永久荷载）永久荷载屋面材料重量（防水、保温、隔热层等）、支撑和檩条自重屋面材料重量（防水、保温、隔热层等）、支撑和檩条自重2 2）可变荷载）可变荷载 屋面均布活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、屋面雪荷载、积灰荷

21、载和风荷载、施工及检修荷载（檩距小于检修荷载（檩距小于1米）。米）。 3 3）荷载组合）荷载组合l1.2 1.2 永久荷载永久荷载+ 1.4 + 1.4 maxmax屋面均布活荷载，雪荷载屋面均布活荷载，雪荷载 ； l 1.2 1.2永久荷载永久荷载+ + 1.4 施工检修集中荷载换算值。施工检修集中荷载换算值。 当需考虑风吸力对屋面压型钢板的受力影响时，还应进行下当需考虑风吸力对屋面压型钢板的受力影响时，还应进行下式的荷载组合：式的荷载组合：l 1.01.0永久荷载永久荷载+1.4+1.4风吸力荷载。风吸力荷载。5 5、 计算计算1 1）内力分析）内力分析 设置在刚架斜梁上的檩条在垂直于地面

22、的均布荷载作用下，沿设置在刚架斜梁上的檩条在垂直于地面的均布荷载作用下，沿截面两个形心主轴方向都有弯矩作用截面两个形心主轴方向都有弯矩作用，属于双向受弯构件（与一般属于双向受弯构件（与一般受弯构件不同）受弯构件不同）。 q表示垂直向下重力荷载；表示垂直向下重力荷载；为屋面坡度为屋面坡度 cosqqy sinqqx 当屋面坡度当屋面坡度i1/3时，时，qx值值较小，檩条近较小，檩条近似为单向受弯似为单向受弯构件。构件。qqyqxXXYYl C型檩条在荷载作用下计算简图如下：型檩条在荷载作用下计算简图如下：xqqy cos8181max22qllqMxy当跨中设置一道拉条时檁条的计算简图及内力当跨

23、中设置一道拉条时檁条的计算简图及内力 sin323222qllqMxy sin646422qllqMxy简支梁的跨中弯矩对简支梁的跨中弯矩对X X轴轴: :连续梁的支座及跨间弯矩对连续梁的支座及跨间弯矩对Y Y轴：轴：檩条在最大弯矩檩条在最大弯矩 、 作用下引起截面作用下引起截面正应力符号如下图所示（正号表示拉应力，负正应力符号如下图所示（正号表示拉应力，负号表示压应力）。号表示压应力）。maxxMmaxyMyyxx1234(+)(-)Mxmaxyq(+)(-)y(+)12xx3(+)4yymaxMqx(-)(-)截面截面1.2.3.41.2.3.4点正应力计算公式如下：点正应力计算公式如下：

24、 f fW WM MW WM My yy yx xx x 1max1max1 f fW WM MW WM My yy yx xx x 2max2max2 f fW WM MW WM My yy yx xx x 3max3max3 f fW WM MW WM My yy yx xx x 4max4max4 （最大压应力）（最大压应力）（最大拉应力）（最大拉应力） 檩条的内力计算檩条的内力计算 表表2.72.7 拉条设置拉条设置情况情况由由 产生的内力产生的内力由由 产生的内力产生的内力 无拉条无拉条 跨中有一道跨中有一道拉条拉条拉条处负弯矩拉条处负弯矩拉条与支座间正弯矩拉条与支座间正弯矩 三分点

25、处各有三分点处各有一道拉条一道拉条拉条处负弯矩拉条处负弯矩拉条与支座间正弯矩拉条与支座间正弯矩 maxyMmaxxMmaxyVmaxxVxqyq281lqy281lqy281lqy281lqx2321lqx2641lqx2901lqx23601lqxlqx5 . 0lqx625. 0lqx367. 0lqy5 . 0lqy5 . 0lqy5 . 02 2）强度计算）强度计算冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢f fW WM Menxenxx x （1）当屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转时，实腹式檩条可仅作强度计算：v vy yf ft th hV V 0max23腹板平面内弯矩设计值腹板平面内有效净截面模量腹

26、板平面内剪力设计值3 3）稳定计算）稳定计算（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f fW WM MW WM Me en ny yy ye en nx xb bx x y Wex、Wey 对主轴x、y的毛截面模量；by 受弯构件绕强轴的整体稳定性； f 钢材的强度设计值。f fW WM MW WM My yy yx xb bx x 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢热轧型钢热轧型钢如果考虑风吸如果考虑风吸力作用呢力作用呢？4 4）变形计算）变形计算实腹式檩条应验算垂直于屋面方向的挠度。对卷边槽形截面的两端简支檩

27、条： vEIlqxky43845对Z形截面的两端简支檩条 ： vEIlqxk14cos3845 容许挠度容许挠度vv按下表取值按下表取值檩条的容许挠度限值檩条的容许挠度限值150l240l仅支承压型钢板屋面仅支承压型钢板屋面有吊顶有吊顶 刚性撑杆可采用钢管、方钢或角钢做成，通常刚性撑杆可采用钢管、方钢或角钢做成，通常按压杆的刚度要求按压杆的刚度要求选择截面选择截面: : 200撑杆撑杆跨中设一道拉条跨中设一道拉条 L6L6米米跨中设二道拉条跨中设二道拉条 L6L6米米xqxq拉条斜拉条拉条斜拉条拉条拉条拉条所需要的截面面积计算公式：拉条所需要的截面面积计算公式： 拉条净截面面积；拉条净截面面积

28、； 钢材设计强度。钢材设计强度。nAf三、三、 墙梁墙梁1 1、 墙梁布置墙梁布置l 墙架系统主要由墙架系统主要由墙梁、拉条、斜拉条、撑杆、墙梁、拉条、斜拉条、撑杆、以及以及墙面墙面板板等组成等组成。墙墙面板面板砖墙（砌块）或压型钢板砖墙（砌块）或压型钢板- -设防烈度设防烈度66度；度；压型钢板或非嵌砌砌体压型钢板或非嵌砌砌体- -设防烈度为设防烈度为7 7度、度、8 8度；度；压型钢板或与柱柔性连接的轻质墙板压型钢板或与柱柔性连接的轻质墙板- -设防烈度设防烈度9 9度度 地梁与基础的位置关系地梁与基础的位置关系地瓜石地瓜石砖墙砖墙地梁地梁 墙梁：墙梁：考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围

29、护材料考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求，一般的要求，一般取取2m2m左右左右。 采用压型钢板时，采用压型钢板时，墙梁设置在刚架柱的外侧。墙梁设置在刚架柱的外侧。 墙梁的截面主要是墙梁的截面主要是C C型型和和Z Z型型两种冷弯薄壁型钢截两种冷弯薄壁型钢截面形式。面形式。l拉条的作用主要是承受墙梁竖向荷载，减小墙梁平面内竖向拉条的作用主要是承受墙梁竖向荷载，减小墙梁平面内竖向挠度。墙梁主要承受由墙板传递的风荷载。挠度。墙梁主要承受由墙板传递的风荷载。 当墙梁跨度大于当墙梁跨度大于4-6m时时，宜在跨中位置设置一道拉条；，宜在跨中位置设置一道拉条；当当墙梁跨度大于墙梁跨度大于6m时时，应在墙梁跨度三分点处各设置一道拉条。，应在墙梁跨度三分点处各设置一道拉条。在最上层墙梁处宜设斜拉条将拉力传至承重柱和墙架柱；当墙在最上层墙梁处宜设斜拉条将拉力传至承重柱和墙架柱；当墙板的竖向荷载有可靠途径传至地面或托梁时，可不设斜拉条。板的竖向荷载有可靠途径传至地面或托梁时，可不设斜拉条。墙梁墙梁墙梁支架墙梁支架窗洞支架窗洞支架撑杆斜拉条墙梁刚架柱刚架柱门框直拉条111-1兼做窗框窗框纵墙结构布置纵墙结构布置墙梁焊于屋面檩条下墙面檩条刚架梁门框22刚架柱2-2直拉条撑