门式钢架荷载设计教程

1、v 1.3.1 1.3.1 荷载及荷载组合荷载及荷载组合v 1.3.2 1.3.2 刚架的内力和侧移计算刚架的内力和侧移计算v 1.3.3 1.3.3 刚架柱和梁的设计刚架柱和梁的设计 1.3 1.3 刚架设计刚架设计永久荷载：永久荷载：包括结构构件的自重和悬挂在结构上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、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。吊顶、墙面构件和刚架自重等。 可变荷载：可变荷载：屋面活荷载屋面活荷载 、屋面雪荷载和积灰荷载、屋面雪荷载和积灰荷载 吊车荷载吊车荷载 、地震作用、地震作用 、风荷载。、风荷载。 1

2、.3.1 1.3.1荷载及荷载组合荷载及荷载组合 荷载组合原则：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；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；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；外的其他荷载同时考虑； 多台吊车的组合应符合多台吊车的组合应符合荷载规范荷载规范的规定；的规定； 当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。时考虑

3、。 在进行刚架内力分析时，荷载效应组合主要有：在进行刚架内力分析时，荷载效应组合主要有：组合（组合（1 1）：）： 1.21.2永久荷载永久荷载+0.9+0.91.41.4 积灰荷载积灰荷载+max+max屋面屋面均布活荷载、雪荷载均布活荷载、雪荷载+0.9+0.91.41.4( (风荷载风荷载+ +吊车吊车竖向及水平荷载竖向及水平荷载) )组合（组合（2 2）：）： 1.01.0永久荷载永久荷载+1.4+1.4风荷载风荷载 组合组合(1)(1)用于截面强度和构件稳定性计算，用于截面强度和构件稳定性计算， 组合组合(2)(2)用于锚栓抗拉计算。用于锚栓抗拉计算。内力计算原则：内力计算原则： 根

4、据不同荷载组合下内力分析结果，找出控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、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。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：控制截面的内力组合主要有：最大轴压力最大轴压力NmaxNmax和同时出现的和同时出现的M M及及V V的较大值。的较大值。 最大弯矩最大弯矩MmaxMmax和同时出现的和同时出现的V V及及N N的较大值。的较大值。最大弯矩最大弯矩MmaxMmax和同时出现的和同时出现的V V及及N N的较大值。的较大值。 最小轴压力最小轴压力Nmi

5、nNmin和相应的和相应的M M及及V V，出现在永久荷载，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M=0M=0。 1.3.2 1.3.2 刚架内力和侧移计算刚架内力和侧移计算侧移计算原则：侧移计算原则： 变截面门式刚架柱顶侧移应采用变截面门式刚架柱顶侧移应采用弹性分析方法确弹性分析方法确定定。计算时荷载取。计算时荷载取标准值标准值，不考虑荷载分项系数。，不考虑荷载分项系数。 如果最后验算时刚架的如果最后验算时刚架的侧移不满足要求，侧移不满足要求，即需要即需要采用下列措施之一进行调整：采用下列措施之一进行调整：放大柱或梁的截面尺寸；放大柱或梁的截面尺寸；改

6、铰接柱脚为刚接柱脚；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。连接形式。梁、柱板件的宽厚比限值：梁、柱板件的宽厚比限值： 工字形截面构件受压翼缘板的宽工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比：厚比：工字形截面梁、柱构件腹板的宽工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比：厚比：yftb235151ywwfth235250 1.3.3 1.3.3 刚架柱和梁的设计刚架柱和梁的设计腹板屈曲后强度利用：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，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

7、允许腹板发生局部构件的屈曲，并利用其屈曲后强度。后强度。 腹板的有效宽度：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幅利用屈曲后强度时，应按有效宽度计算其截面几何特性。面几何特性。 有效宽度取值：有效宽度取值：当腹板全部受压时：当腹板全部受压时：当腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区当腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区有效宽度为：有效宽度为：wehhcehhhehe：腹板受压区有效宽度；：腹板受压区有效宽度；：有效宽度系数；：有效宽度系数；hc: hc: 腹板受压区高度。腹板受压区高度。刚架梁

8、、柱构件的强度计算刚架梁、柱构件的强度计算刚架内力分析刚架内力分析在横向均布荷载作用下，刚架弯矩图如下在横向均布荷载作用下，刚架弯矩图如下刚架弯矩图刚架弯矩图刚架荷载计算简图刚架荷载计算简图q在水平风荷载作用下，刚架弯矩图如下：在水平风荷载作用下，刚架弯矩图如下：荷载计算简图荷载计算简图 刚架弯矩图刚架弯矩图q轻型钢结构是以构件边缘最大压应力达到钢材屈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服点作为临界状态，临界状态，没有考虑塑性发展的影响，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。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，取出考虑各种荷载组合内力分

9、析结果，取出最大荷载最大荷载值值控制设计，对初选截面梁柱按压弯构件进行验控制设计，对初选截面梁柱按压弯构件进行验算。算。正应力验算：正应力验算：剪应力验算：剪应力验算：fWMWMANefnyyefnxxefnvfthV0max23 式中：式中： 构件有效净截面面积；构件有效净截面面积； 、 对主轴对主轴x x和和y y的有效净截面抵抗矩；的有效净截面抵抗矩； 、 对主轴对主轴x x和和y y的弯矩。的弯矩。efnAefnxWefnyWxMyM弯矩作用平面内：弯矩作用平面内：弯矩作用平面外：弯矩作用平面外：fWNNMANefxxEXxmefx1fWMANefxbxefx工字形截面受弯构件在工字形

10、截面受弯构件在剪力剪力V V和和弯矩弯矩M M 共同作用下的强度应符合下列要求：共同作用下的强度应符合下列要求： 当当 时时 当当 时时 当截面为双轴对称时当截面为双轴对称时215 . 01dfefVVMMMMddVVV5 . 0dVV5 . 0eMM fthAMwff工字形截面受弯构件在工字形截面受弯构件在剪力剪力V V、弯矩弯矩M M和和轴力轴力N N 共同作用下的强度应符合下列要求：共同作用下的强度应符合下列要求： 当当 时时 当当 时时 当截面为双轴对称时当截面为双轴对称时 dVV5 . 0ddVVV5 . 0NeMM eeeNeANWMM215 . 01dNfNeNfVVMMMMAN

11、fthAMwfNf梁腹板加劲肋的配置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。但中间加劲肋，根据计算需要确定。但规程规程规定规定, ,当利用腹板屈曲后抗剪强度时，横向加劲肋间距当利用腹板屈曲后抗剪强度时，横向加劲肋间距a a宜宜取取hwhw2hw2hw。 当梁腹板在剪应力作用下发生屈曲后，将以拉力带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的方式承受继续增加的剪

12、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。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。产生的压力外，还要承受拉力场产生的压力。拉力场拉力场 加劲肋稳定性验算按规范规定进行，计算长度加劲肋稳定性验算按规范规定进行，计算长度 取腹板高度取腹板高度hwhw，截面取加劲肋全部和其两侧各，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。接轴心受压构件进行计算。ywft23515变截面柱

13、在刚架平面内的整体稳定计算变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算: : 变截面柱在刚架平面内的整体稳定按下列公式变截面柱在刚架平面内的整体稳定按下列公式 计算：计算：fWNNMANexExmxex100100120201 . 1eExEAN对于变截面柱，变化截面高度的对于变截面柱，变化截面高度的目的目的是是为了适为了适应弯矩的变化，合理的截面变化方式应使两端应弯矩的变化，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截面的最大应力纤维同时达到限值。但是实际。但是实际上往往是大头截面用足，其应力大于小头截面，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故公式左端第二项的

14、弯矩M1M1，和有效截面模量，和有效截面模量We1We1应以大头为准。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，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。算比按大头运算安全。 斜梁和隅撑的设计斜梁和隅撑的设计斜梁的设计斜梁的设计 当斜梁坡度不超过当斜梁坡度不超过1 1：5 5时，因轴力很小可按压弯时，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，不计算平构件计算其强度和刚架平面外的稳定，不计算平面

15、内的稳定。面内的稳定。n实腹式刚架斜梁的平面外计算长度，取侧向支承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。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长度，可取斜梁下翼缘宽度的 倍。倍。yf23516隅撑设计隅撑设计 当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时，必须在受压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翼缘两侧布置隅撑( (山墙处刚架仅布置在一侧山

16、墙处刚架仅布置在一侧) )作、作、为斜梁的侧向支承，隅撑的另一端连接在檩条上。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隅撑间距不应大于所撑梁受压翼缘宽度的 倍。倍。隅撑应根据规范规定按轴心受压构件的支撑来设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，轴向压力按下计。隅撑截面选用单根等边角钢，轴向压力按下式计算：式计算：当隅撑成对布置时，每根隅撑的计算轴压力可取当隅撑成对布置时，每根隅撑的计算轴压力可取上式计算值的一半。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需要注意的是，单面连接的单角钢压杆在计算其稳定性

17、时，不用换算长细比，而是对稳定性时，不用换算长细比，而是对f f值乘以相值乘以相应的折减系数。应的折减系数。yf23516cos60hMN 刚架横梁刚度和柱顶水平位移验算刚架横梁刚度和柱顶水平位移验算横梁容许挠度：横梁容许挠度：柱顶水平容许位移：柱顶水平容许位移： 式中式中 、 分别为刚架横梁的跨度和柱的高度。分别为刚架横梁的跨度和柱的高度。500HlH180l 刚架节点设计刚架节点设计刚架横梁与柱拼装节点刚架横梁与柱拼装节点刚架横梁屋脊拼装节点刚架横梁屋脊拼装节点柱脚设计柱脚设计牛腿设计牛腿设计 斜梁与柱的连接及斜梁拼接斜梁与柱的连接及斜梁拼接 一般采用高强螺栓端板连接，按刚接节一般采用高强

18、螺栓端板连接，按刚接节点设计，其形式：点设计，其形式： 端板竖放端板竖放端板斜放端板斜放端板平放端板平放h1Me（a a）端板竖放）端板竖放（b b）端板斜放）端板斜放（c c）端板平放）端板平放（d d）斜梁拼接）斜梁拼接刚架斜梁与柱的连接及斜梁间的拼接刚架斜梁与柱的连接及斜梁间的拼接高强螺栓计算高强螺栓计算验算最不利螺栓的拉力：验算最不利螺栓的拉力： 横梁与柱在连接处传递的弯矩；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；最远一排螺栓至承压点的距离； 螺栓列数；螺栓列数； 任意一排螺栓至承压点的距离；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。一个螺栓所能

19、承受的抗拉容许承载力。btiNynMyN2maxMmaxyniybtN 分析研究表明，外伸式连接转动刚度可以满足分析研究表明，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缘两侧对称设置4 4个螺栓时，每个螺栓承受下面公个螺栓时，每个螺栓承受下面公式表达的拉力，并依此确定螺栓直径：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力要求时，可

20、以在翼缘内侧增设螺栓。 14hMNt螺栓排列应符合构造要求，下图的螺栓排列应符合构造要求，下图的 ， 应满应满足扣紧螺栓所用工具的净空要求，通常不小于足扣紧螺栓所用工具的净空要求，通常不小于35mm35mm，螺栓端距不应小于螺栓端距不应小于2 2倍螺栓孔径，两排螺栓倍螺栓孔径，两排螺栓之间的最小距离为之间的最小距离为3 3倍螺栓直径，最大距离不应超倍螺栓直径，最大距离不应超过过400mm400mm。fewe端板的厚度端板的厚度t t可根据支承条件按下列公式计算，但可根据支承条件按下列公式计算，但不应小于不应小于16mm16mm，和梁端板相连的柱翼缘部分应与和梁端板相连的柱翼缘部分应与端板等厚度

21、。端板等厚度。 (a)(a)伸臂类端板伸臂类端板 (b)(b)无加劲肋类端板无加劲肋类端板bfNettf6feaNetwtw5 . 03(c)(c)两边支承类端板两边支承类端板当端板外伸时当端板外伸时当端板平齐时当端板平齐时(d)(d)三边支承类端板三边支承类端板febbeNeetfswtwf2426feeebeNeetwffwtwf26feeebeNeetwffwtwf412在门式刚架斜梁与柱相交的节点域，应按下列公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：式验算剪应力：vccbftddM刚架构件的翼缘与端板的连接应采用全熔透对接刚架构件的翼缘与端板的连接应采用全熔透对接焊缝，

22、腹板与端板的连接应采用角焊缝。在端板焊缝，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：设置螺栓处，应按下列公式验算构件腹板的强度：n当当 时，时，n当当 时，时，ftePww4 . 0fteNwwt2PNt4 . 02PNt4 . 02 节点构造设计节点构造设计 节点有加腋与不加腋两种基本形式。在加腋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，一般采用形式中又有梯形加腋与曲线加腋之分，一般采用梯形加腋梯形加腋并在加腋部分的两端设置并在加腋部分的两端设置加劲肋加劲肋及及侧向侧向支撑支撑，以保证该加腋部分的稳定性，防止侧向压，以保证该

23、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。下图为加腋求，并大大提高了刚架的承载能力。下图为加腋节点图。节点图。横梁屋脊拼装节点图横梁屋脊拼装节点图柱脚设计柱脚设计根据受力要求，柱脚分刚接柱脚和铰接柱脚两根据受力要求，柱脚分刚接柱脚和铰接柱脚两类，当吊车起重量类，当吊车起重量55吨时应考虑设置刚性柱吨时应考虑设置刚性柱脚。脚。本工程实例：吊车吨位本工程实例：吊车吨位2020吨，柱脚形式为刚接吨，柱脚形式为刚接柱脚，主要用来传递吊车荷载、风荷载和结构柱脚，主要用来传递吊车荷载、风荷载和结构自重。自

24、重。柱脚形式柱脚形式平板式铰接柱脚平板式铰接柱脚刚接柱脚刚接柱脚一般情况一般情况当有桥式当有桥式吊车或刚吊车或刚架侧向刚架侧向刚度过弱时度过弱时平板式平板式铰接柱脚铰接柱脚刚接柱脚刚接柱脚柱脚的计算柱脚的计算一、底板的计算一、底板的计算1 1、底板的平面尺寸、底板的平面尺寸底板面积：底板面积：式中式中 柱轴心压力设计值；柱轴心压力设计值； 基础混凝土轴心抗压强度设计值；基础混凝土轴心抗压强度设计值； 锚栓孔面积。锚栓孔面积。0AfNAccNccf0A按构造要求确定底板宽度：按构造要求确定底板宽度：式中式中 柱截面宽度或高度；柱截面宽度或高度； 靴梁厚度；靴梁厚度； 底板悬臂长度。底板悬臂长度。

25、再根据底板面积确定底板长度。再根据底板面积确定底板长度。ctbBb2200bbtc2 2、底板的厚度、底板的厚度底板的厚度决定于板的抗弯强度。底板的厚度决定于板的抗弯强度。式中：式中： 为底板承受的最大弯矩值为底板承受的最大弯矩值。 fMtmax6maxM柱脚锚栓应采用柱脚锚栓应采用Q235Q235或或Q345Q345钢材制作。锚栓的锚固钢材制作。锚栓的锚固长度应符合现行国家标准长度应符合现行国家标准建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB 50007-2002)(GB 50007-2002)的规定，锚栓端部按规定设置弯的规定，锚栓端部按规定设置弯钩或锚板。钩或锚板。计算风荷载作用下柱脚

26、锚栓的上拔力时，应计入柱计算风荷载作用下柱脚锚栓的上拔力时，应计入柱间支撑的最大竖向分力，此时，不考虑活荷载间支撑的最大竖向分力，此时，不考虑活荷载( (或或雪荷载雪荷载) )、积灰荷载和附加荷载的影响，同时永久、积灰荷载和附加荷载的影响，同时永久荷载的分项系数荷载的分项系数1.01.0。锚栓直径不宜小于。锚栓直径不宜小于24mm24mm，且，且应采用双螺帽以防松动。应采用双螺帽以防松动。柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由底板与混凝土基础之间的摩擦力平剪力可由底板与混凝土基础之间的摩擦力( (摩擦摩擦系数可取系数可取0.4)0.4)或设置抗剪键承受。或设置抗剪键承受。靴梁的构造与计算靴梁的构造与计算(1) (1) 靴梁的高度由靴梁与柱的连接焊缝长度决定。靴梁的高度由靴梁与柱的连接焊缝长度决定。(2) (2