门式刚架计算原理和设计实例之二

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.第二章 轻型门式钢刚架设计的基本理论第一节 结构布置和材料选用一、结构组组成轻型门式钢钢刚架的的结构体体系包括括以下组组成部分分：（1）主结结构：横横向刚架架（包括括中部和和端部刚刚架）、楼楼面梁、托托梁、支支撑体系系等；（2）次结结构：屋屋面檩条条和墙面面檩条等等；（3）围护护结构：屋面板板和墙板板；（4）辅助助结构：楼梯、平平台、扶扶栏等；（5）基础础。图2-1给给出了轻轻型门式式钢刚架架组成的的图示说说明。图2-1 轻型钢钢结构的的组成平面门式刚刚架和

2、支支撑体系系再加上上托梁、楼楼面梁等等组成了了轻型钢钢结构的的主要受受力骨架架，即主主结构体体系。屋屋面檩条条和墙面面檩条既既是围护护材料的的支承结结构，又又为主结结构梁柱柱提供了了部分侧侧向支撑撑作用，构构成了轻轻型钢建建筑的次次结构。屋屋面板和和墙面板板起整个个结构的的围护和和封闭作作用，由由于蒙皮皮效应事事实上也也增加了了轻型钢钢建筑的的整体刚刚度。外部荷载直直接作用用在围护护结构上上。其中中，竖向向和横向向荷载通通过次结结构传递递到主结结构的横横向门式式刚架上上，依靠靠门式刚刚架的自自身刚度度抵抗外外部作用用。纵向向风荷载载通过屋屋面和墙墙面支撑撑传递到到基础上上。二、结构布布置轻型门

3、式钢钢刚架的的跨度和和柱距主主要根据据工艺和和建筑要要求确定定。结构构布置要要考虑的的主要问问题是温温度区间间的确定定和支撑撑体系的的布置。考虑到温度度效应，轻轻型钢结结构建筑筑的纵向向温度区区段长度度不应大大于3000m，横横向温度度区段不不应大于于1500m。当当建筑尺尺寸超过过时，应应设置温温度伸缩缩缝。温温度伸缩缩缝可通通过设置置双柱，或或设置次次结构及及檩条的的可调节节构造来来实现。 支支撑布置置的目的的是使每每个温度度区段或或分期建建设的区区段建筑筑能构成成稳定的的空间结结构骨架架。布置置的主要要原则如如下：（1）柱间间支撑和和屋面支支撑必须须布置在在同一开开间内形形成抵抗抗纵向荷

4、荷载的支支撑桁架架。支撑撑桁架的的直杆和和单斜杆杆应采用用刚性系系杆，交交叉斜杆杆可采用用柔性构构件。刚刚性系杆杆是指圆圆管、HH型截面面、Z或或C型冷冷弯薄壁壁截面等等，柔性性构件是是指圆钢钢、拉索索等只受受拉截面面。柔性性拉杆必必须施加加预紧力力以抵消消其自重重作用引引起的下下垂；（2）支撑撑的间距距一般为为30mm-400m，不不应大于于60mm； （3）支撑撑可布置置在温度度区间的的第一个个或第二二个开间间，当布布置在第第二个开开间时，第第一开间间的相应应位置应应设置刚刚性系杆杆；（4）的支支撑斜杆杆能最有有效地传传递水平平荷载，当当柱子较较高导致致单层支支撑构件件角度过过大时应应考虑

5、设设置双层层柱间支支撑；（5）刚架架柱顶、屋屋脊等转转折处应应设置刚刚性系杆杆。结构构纵向于于支撑桁桁架节点点处应设设置通长长的刚性性系杆；（6）轻钢钢结构的的刚性系系杆可由由相应位位置处的的檩条兼兼作，刚刚度或承承载力不不足时设设置附加加系杆。除了结构设设计中必必须正确确设置支支撑体系系以确保保其整体体稳定性性之外，还还必须注注意结构构安装过过程中的的整体稳稳定性。安安装时应应该首先先构建稳稳定的区区格单元元，然后后逐榀将将平面刚刚架连接接于稳定定单元上上直至完完成全部部结构。在在稳定的的区格单单元形成成前，必必须施加加临时支支撑固定定已安装装的刚架架部分。三、材料选选择1、材料类类型钢结构

6、常用用类型有有：碳素素结构钢钢、低合合金结构构钢、高高强度钢钢、耐火火耐侯钢钢等。其其中，轻轻型钢结结构一般般采用碳碳素结构构钢和低低合金结结构钢。碳素结构钢钢按含碳量的的大小，碳碳素结构构钢可分分为低碳碳钢、中中碳钢和和高碳钢钢。一般般而言，含含碳量为为0.0030.225%的的称为低低碳钢；含碳量量在0.260.660%之之间的称称为中碳碳钢；含含碳量在在0.6602.000%的的称为高高碳钢。含含碳量越越高钢材材强度越越高，建建筑结构构中主要要使用低低碳钢。按按钢材质质量，碳碳素结构构钢可分分为A、BB、C、DD四个等等级，由由A到DD表示质质量由低低到高。不不同质量量等级对对冲击韧韧性

7、（夏夏比V型型缺口试试验）的的要求有有区别。AA级无冲冲击功的的规定；B级要要求提供供20时冲击击功（纵纵向）；C级要要求提供供0时冲击击功（纵纵向）；D级要要求提供供-200时冲击击功（纵纵向）。按按冶炼中中的脱氧氧方法，钢钢材可分分为沸腾腾钢（FF）、半半镇静钢钢(b)、镇静静钢(ZZ)和特特殊镇静静钢(TTZ)四四类。碳碳素结构构钢的牌牌号和表表示方式式见表22-1所所示。表2-1 碳素结结构钢的的表示方方法牌号质量等级脱氧方法说明Q195F、b、ZZ钢材牌号由由代表屈屈服点的的字母QQ、屈服服点、质质量等级级和脱氧氧方法四四个部分分顺序组组成。如如：Q235AFQ235BbQ215AF

8、、b、ZZBQ235AF、b、ZZBCZDTZQ255AZBQ275Z低合金结构构钢低合金钢是是在碳素素结构钢钢中添加加一种或或几种少少量的合合金元素素（钢内内各合金金元素的的总含量量小于55%），从从而提高高其强度度、耐腐腐蚀性、耐耐磨性或或低温冲冲击韧性性。低合合金结构构钢的含含碳量一一般较低低（少于于0.220%），以以便于钢钢材的加加工和焊焊接。低低合金结结构钢质质量等级级分为AA、B、CC、D、EE五级，由由A到EE表示质质量由低低到高。不不同质量量等级对对冲击韧韧性（夏夏比V型型缺口试试验）的的要求有有区别。AA级无冲冲击功要要求；BB级要求求提供220C时冲击击功Akk34JJ（

9、纵向向）；CC级要求求提供00C时冲击击功Akk34JJ（纵向向）；DD级要求求提供20CC时冲击击功Akk34JJ（纵向向）；EE级要求求提供40CC时冲击击功Akk34JJ（纵向向）。不不同质量量等级对对碳、硫硫、磷、铝铝的含量量的要求求也有区区别。低低合金钢钢的脱氧氧方法为为镇静钢钢（Z）或或特殊镇镇静钢（TTZ）。表2-2 低合金金结构钢钢的表示示方法牌号质量等级脱氧方法说明Q295AZ钢材牌号由由代表屈屈服点的的字母QQ、屈服服点、质质量等级级和脱氧氧方法四四个部分分顺序组组成。如：Q345BB屈服服强度3345NN/mm2，B级级镇静钢钢；Q390DD屈服服强度3390NN/mm2

10、，D级级特殊镇镇静钢；Q345CC屈服服强度3345NN/mm2，C级级特殊镇镇静钢；Q390AA屈服服强度3390NN/mm2，A级级镇静钢钢。BQ345ATZ、ZBCDEQ390ATZ、ZBCDEQ420ATZ、ZBCDEQ460CTZDE碳素结构钢钢用于一一般受弯弯构件可可以充分分利用钢钢材的强强度，而而挠度和和稳定的的潜力很很难充分分发挥；而低合合金结构构钢构件件的强度度、挠度度和稳定定三个主主要控制制指标较较易均衡衡地得以以发展，同同碳素结结构钢相相比可以以节约220%左左右的钢钢材用量量。2、钢材规规格钢结构所用用的钢材材主要为为热轧成成型的钢钢板和型型钢、冷冷弯成型型的薄壁壁型钢

11、等等。钢板钢板主要有有厚钢板板、薄钢钢板和扁扁钢（带带钢）。厚钢板：厚厚度4.560mmm，宽宽度600030000mmm，长度度412mm；薄钢板：厚厚度1.04mmm，宽度度500015000mmm，长度度0.554m；扁 钢：厚度3360mmm，宽宽度1002000mm，长长度39m。厚钢板主要要用于焊焊接梁柱柱构件的的腹板和和翼缘及及节点板板，薄钢钢板主要要用于制制造冷弯弯薄壁型型钢，扁扁钢可作作为节点点板和连连接板等等。热轧型钢钢结构常用用热轧型型钢为角角钢、槽槽钢、圆圆管、工工字钢和和宽翼缘缘工字型型截面等等。宽翼翼缘工字字型截面面可用于于轻型钢钢结构中中的受压压和压弯弯构件，其其

12、他型钢钢截面在在轻型钢钢结构中中一般用用于辅助助结构或或支撑结结构构件件。薄壁型钢薄壁型钢的的截面尺尺寸可按按合理方方案设计计，能充充分发挥挥和利用用钢材的的强度、节节约钢材材。薄壁壁型钢的的壁厚一一般为11.55mmm，但承承重构件件的壁厚厚不宜小小于2mmm。常常用薄壁壁型钢截截面有槽槽形、卷卷边槽形形（C形形）、ZZ形等。轻轻型钢结结构中的的次结构构构件如如檩条等等一般采采用薄壁壁型钢。3、钢材选选用钢材选用的的原则是是既使结结构安全全可靠地地满足使使用要求求，又尽尽量节约约结构钢钢材和降降低造价价。一般般而言，轻轻型钢结结构设计计中钢材材的选择择应考虑虑以下方方面：结构类型及及其重要要

13、性结构可分为为重要、一一般和次次要三类类。重级级工作制制吊车梁梁和特别别重要的的轻型钢钢结构主主结构及及次结构构构件属属于重要要结构；普通轻轻型钢结结构厂房房的主结结构梁柱柱和次结结构构件件属于一一般结构构；而辅辅助结构构中的楼楼梯、平平台、栏栏杆等属属于次要要结构。重重要结构构可选用用16MMn钢或或Q2335C或DD；一般般结构可可选用QQ2355B；次次要结构构可选用用Q2335BF。（2）荷载载性质荷载可分为为静力荷荷载和动动力荷载载两种，动动力荷载载又有经经常满载载和不经经常满载载的区别别。直接接承受动动力荷载载的结构构一般采采用Q2235B、QQ2355C、QQ2355D及116M

14、nn钢，对对于环境境温度高高于-220、起重量量Q1，说说明该杆杆件现有有截面面面积太小小，应放放大倍；反之，如如果11，则说说明该杆杆件现有有截面面面积太大大，应缩缩小倍，即即： （2-221）这样就得到到了一个个改进的的、比较较合理的的设计。如如果这个个新的设设计还没没有达到到满应力力，则可可重复上上面的算算法，直直到前后后二次的的截面面面积变化化很小就就结束迭迭代，输输出结果果。该过过程的计计算框图图如图22-200所示。kk=0给定初始设计分析截面面积的设计，求出各工况下各构件的应力计算各构件的最大应力比求得改进的设计k=k+1结束是否图2-20 满应力法流程图输出优化结果 上述由应力

15、力比求改改进的截截面面积积的方法法实质上上是假定定杆件的的内力是是不随截截面面积积的变化化而变化化的。因因为如果果第k次迭代代时的内内力和第第k+1次迭迭代时的的内力相相等，且且要求达达到满应应力，则则有： （2-222）对静定结构构，各构构件的内内力与截截面面积积无关。因因此，截截面面积积改变时时不会引引起内力力重分布布，上面面的假定定是精确确满足的的。故上上面的迭迭代方法法运用于于静定结结构时只只要一次次迭代即即可收敛敛。对超超静定结结构，截截面面积积变化一一般要引引起内力力重分布布，上面面的假定定可称为为暂时静静定化假假定，需需进行多多次迭代代才能收收敛。上述应力比比法求出出满应力力解常

16、常常需要十十几次迭迭代计算算。一个个有效的的改进方方法是在在公式(2-221)中中引进一一个松弛弛指数，以以加快收收敛速度度，并可可防止出出现迭代代发散或或震荡的的现象。 （2-223）式中，称为为松弛指指数，由由经验来来确定。对对于受拉拉构件，常常取=11.055-1.10；对于受受压构件件，应小小于1。文献献1建议取取 (22-244)其中， 为为构件的的长细比比。轻钢结构基基于离散散变量的的满应力力设计轻钢结构的的优化变变量如截截面参数数等多属属于离散散变量，只只能取某某些离散散值，属属于离散散变量的的结构优优化问题题。该类类问题可可先作连连续变量量处理，然然后将其其圆整到到离散值值。如

17、可可先采用用上述的的满应力力设计求求得最优优解，然然后在离离散集内内找到与与其最相相近且满满足约束束条件的的解作为为最终的的优化解解，也可可直接采采用基于于离散变变量的结结构优化化方法对对其求解解。下面面对后一一种方法法作具体体的介绍绍。以截面面积积作为设设计变量量，其分分量在设设计空间间中组成成离散空空间，由由于轻钢钢结构可可选的截截面（截截面库）是是有限的的，所以以离散设设计空间间是有界界的。将将截面面面积按从从小到大大的顺序序排列： (2-25) 其中，为截截面离散散集；为为设计变变量数；为截面面可取值值个数。离离散变量量满应力力设计的的主要过过程如下下：（1）给定定一个初初始设计计方案

18、，即即初始面面积，令令。（2）进行行结构分分析，求求出各构构件在各各工况下下的最不不利应力力，即 （2-226）式中表示第第个构件件的第次次迭代，为第个构件在第个工况下第次迭代时的最严控制应力（强度、稳定、抗剪应力中的最大值）。（3）如果果最不利利应力小小于设计计强度，则则将截面面取为截截面离散散集中的的前一值值，重新新计算最最不利应应力，直直到满足足为止；否则，如如果最不不利应力力大于设设计强度度，则将将截面取取为截面面离散集集中的后后一值，重重新计算算最不利利应力，直直到满足足为止。（4）当构构件面积积不再变变化时迭迭代终止止。由于于构件的的面积与与其在截截面离散散集中的的序号一一一对应应，故终终止条件件即为： （2-227）（5）若上上式不满满足则转转向(22)。上述过程的的流程图图如图22-211所示。结构分析结构分析求i=0i=i+1, FLAG=0, FLAG=1i是否是否否否是给定初始面积令 ()FLAG=1输出计算结果是是图2-21 离散变量满应力法流程图否满应力法的的评价满应力法的的缺点很很明显。满满应力设设计没有有直接与与目标函函数相联联系，满满应力设设计点一一般是应应力约束束超曲面面的交点点，如果果问题是是非线性性的（约约束界面面与目标标函数为为超曲面面），最最轻设