第八章轻型门式刚架钢结构

第八章轻型门式刚架钢结构门式刚架的特点：（1）质量轻：围护材料均轻质，承重结构用钢量10-30公斤，为同类混凝土结构自重的1/20-1/30，地基处理费用少，地震作用小，风荷载作用大。（2）工业化程度高，施工周期短，质量易于保证。（3）综合经济效益高：造价略高于砼结构，但设计周期短，加工、安装方便，资金回报快，投资效益高。（4）柱网布置比较灵活8.1结构形式和布置一、结构形式按结构体系分：有实腹式和格构式按截面形式分：有等截面和变截面按结构选材分：有普通型钢、薄壁型钢、钢管按跨数分：有单跨和多跨门式刚架体系构成：⑴屋面：单层或夹芯压型钢板（彩钢板）⑵檩条：冷弯薄壁型钢，C形，Z形，工字形⑶主刚架：常用等截面或变截面工字形⑷隅撑：常用角钢⑸支撑：常用张紧的圆钢，在有吊车荷载时柱间支撑用型钢⑹拉条与撑杆：常用小直径圆钢。二、结构布置1、柱网布置：⑴柱距：常用为6m，也可为7.5或9m；⑵跨度：9-36m，对模数的要求可有可无；⑶高度：斜梁与柱轴线交点到柱脚的尺寸一般为4.5-9m。2、变形缝的设置：纵向温度区段≤300m，横向温度区段≤150m；设缝措施：设双柱、或在檩条端头开长圆孔3、墙梁布置：⑴作用：固定刚架的外围护构件，安装彩钢板等用⑵如果采用砖砌体时，砖墙应立于钢柱外侧开设圈梁及构造柱⑶布置：安装于刚架柱的外侧，间距根据板材规格并结合计算确定。4、支撑布置：⑴作用：稳定结构体系；⑵柱间支撑：①间距：无吊车30-45m，有吊车设于温度区段中部或3分点处且≤60m②布置：与屋盖水平支撑设于同一柱间，不允许有柱间支撑时，设柱间或支撑刚架。⑶屋盖支撑：设于第一（二）柱间，且在刚架转折处沿纵向全长设刚性系杆。屋盖支撑常用Φ20的圆钢，夹角30-60°8.2门式刚架计算简图的确定门式刚架钢结构的尺寸应符合下列规定⑴门式刚架的跨度，应取横向刚架柱轴线间的距离；⑵门式刚架的高度，应取地坪至柱轴线与斜梁轴线交点的高度；⑶柱的轴线可取通过柱下端（小头）中心的竖向直线，工业建筑边柱的定位轴线宜取外皮，斜梁的轴线可取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。门式刚架的柱脚多为铰接，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计为刚接。檐口高度，取地坪至房屋外侧檩条上缘的高度；最大高度，取地坪至屋盖顶部檩条上缘的高度；房屋的宽度，取房屋侧墙墙梁外皮之间的距离；房屋的长度，取两端山墙墙梁外皮之间的距离。8.3门式刚架的荷载计算和荷载组合一、屋面荷载1、永久荷载：屋面板、檩条、支撑、刚架自重；吊顶、管线、天窗、保温通风设施自重。2、可变荷载：屋面均布活荷载，雪荷载、积灰荷载。屋面均布活荷载：当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向荷载的标准值（按水平投影计算）应取0.5kN/m2；对受荷水平投影面积大于60m2刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3kN/m2荷载效应组合的原则：⑴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；⑵积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；⑶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；⑷多台吊车的组合应符合现行国家荷载规范的规定；⑸风荷载不与地震作用同时考虑。二、风荷载Wk——风荷载标准值，与建筑物所在地区基本风压、建筑物体型、高度以及建筑地面粗糙度等因素有关，且假定风荷载垂直作用于建筑物表面上；W0——基本风压，按现行荷载规范规定乘1.05采用；μZ——风荷载高度变化系数，按现行荷载规范采用；当高度小于10m时，按10米高度处的数值采用；μs——风荷载体型系数（P288表8.1），考虑内、外风压最大值的组合，且含阵风系数。三、吊车荷载吊车的分类：按工作的频繁程度分为⑴轻级工作制：JC≤15%⑵中级工作制：15%≤JC≤40%⑶重级工作制：JC≥40%㈠竖向荷载（Dmax、Dmin、Dmaxk、Dmink）Dmax、Dmin—吊车满载运行时可能作用在厂房刚架柱上的最大压力及最小压力。概念：Pmax为最大轮压，由生产厂家提供。

Pmin为最小轮压，由计算得出。如四轮吊车Pmax=0.5（G+g+Q）－PmaxG—大车自重标准值；g—小车自重标准值；Q—吊车额定最大起重量标准值。

由于吊车荷载是移动荷载，为求得Dmax和Dmin，则需确定吊车运行时的最不利位置，根据荷载规范，在设计时可考虑两台吊车并行。由P290图8-7可知，一个计算单元内刚架柱所支承的相邻两柱间的吊车梁的反力即为吊车梁作用在刚架柱上的最大竖向荷载Dmax和最小竖向荷载Dmin

。根据影响线知识，两台吊车并行，当其中一台的一个最大轮压P1max（P1max≥P2max

），作用在刚架柱轴线处，而另一台与其紧靠并行时，即为两台吊车的最不利轮压位置。因为吊车轮压Pmax和Pmin同时出现，且分别作用在左右两侧的吊车梁上，当一侧柱由Pmax产生最大竖向荷载标准值时，另一侧柱则相应地由Pmin产生最小竖向荷载标准值Dmink，由影响线可得吊车竖向荷载的设计值计算公式：对两台相异吊车：两台吊车相同时：其中：P1max,P2max—吊车1和吊车2最大轮压的标准值，且P1max≥P2max

；P1min,P2min—吊车1和吊车2最小轮压的标准值，且P1min≥P2min

；y1、y2、y3、y4—与吊车1和吊车2的轮子相对应的支座反力影响线上的竖标。γQ—吊车荷载分项系数。Σyi=y1+y2+y3+y4—各轮子下影响线竖标的总和。当仅有一台吊车时，Σyi=y1+y2

㈡横向水平荷载（Tmax、Tmaxk）传递过程：小车刹车→小车制动轮与桥架产生摩擦→大车→吊车梁→刚架柱《荷载规范》规定，对四轮桥式吊车，小车满载运行刹车时，大车一个轮子所产生的横向水平制动力为：T=0.25α（Q+g）其中α—横向水平制动系数。对软钩吊车：Q≤10t时，取0.12；对硬钩吊车：取0.20.Q=16～50t时，取0.10；

Q≥75t时，取0.08；作用在刚架柱上的吊车横向水平荷载设计值为：两台吊车不同时，两台吊车相同时，其中T1、T2—吊车1和吊车2横向水平制动力的标准值，且T1＞T2

。T—吊车每个轮子水平制动力的标准值。㈢吊车纵向水平荷载（TL）传递路线：大车刹车→大车制动轮与吊车梁产生摩擦力→柱或柱间支撑每台吊车纵向水平制动力的设计值为：其中n—吊车每侧制动轮数，对于一般的四轮吊车，n=1。计算吊车水平荷载时，不论是横向刹车力还是纵向刹车力，最多只考虑两台吊车同时刹车。四、地震作用（自学）五、荷载组合（自学）8.4门式刚架的作用效应计算一、刚架的内力计算1、变截面（包括变截面梁及变截面柱）变截面刚架一般采用弹性分析方法确定各种内力，分析模型按平面结构，不考虑蒙皮效应，仅将屋面的应力蒙皮效应作为结构的安全储备。2、等截面：采用弹性或塑形分析方法，若采用塑形分析方法，应符合《钢结构设计规范》的规定。二、控制截面及最不利内力组合1、控制截面刚架梁：两端支座截面、跨中截面刚架柱：柱顶、柱底、柱阶形变截面处2、最不利内力组合最不利内力组合按梁、柱控制截面分别进行，一般可选柱底、柱顶、柱阶形变截面处及梁端、梁跨中等截面进行组合和截面的验算。刚架梁：Mmax→VMmin（负M最大）→VVmax→M刚架柱：Nmax→M、VNmin→M、VMmax→N、VMmin

（负M最大）→N、V三、变截面刚架的侧移计算（自学）8.5门式刚架构件的截面验算一、截面有效宽度（仅指受压构件）概念：把在宽度b上分布不均匀的应力图集中到板的两侧，应力都是fy，即得到有效宽度be=bσcr/fy影响有效宽度的因素：板件的约束条件、端部作用应力及其分布。板件约束的四种类型：⑴两边支承板件（加劲板件）；⑵一边支承一边卷边（边缘加劲板件）⑶一边支承、一边自由（未加劲板件）⑷两边支承且中部有中间加劲肋（中间加劲板件）各类支承方式板的有效宽度计算（自学）二、板件最大宽厚比和屈曲后强度利用1、工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比限值工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比限值2、腹板屈曲后强度的利用在进行刚架梁、柱构件的截面设计时，为了节省钢材，允许腹板发生局部屈曲，并利用其屈曲后强度。门式刚架的构件剪应力最大处往往弯曲应力也最大，翼缘对腹板没有约束作用，因而计算公式不同于普钢规范的规定。工字形截面构件腹板的受剪板幅，当腹板的高度变化不超过60mm/m时，其抗剪承载力设计值可按下列公式计算：其中：3、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幅利用屈曲后强度时，应按有效宽度计算其截面几何特性。有效宽度取为：腹板全部受压腹板部分受拉式中：he—腹板受压区有效宽度。

ρ—有效宽度系数三、刚架梁、柱构件强度计算和加劲肋的设置1、工字形截面受弯构件弯剪共同作用下的强度应符合2、工字形截面受弯构件弯矩、剪力和轴力共同作用下的强度应符合3、梁腹板加劲肋的配置通常在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处、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。《规程》规定，当利用腹板屈曲后抗剪强度时，横向加劲肋间距a宜取hw－2hw。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杆的作用，而横向加劲肋则相当于受压的桁架竖杆。所以，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，该压力按下列公式计算：三、变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算轴力取小头截面，弯矩取大头截面。四、变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算轴力取小头截面，弯矩取大头截面。五、变截面柱在刚架平面内的计算长度截面呈线性变化的柱，在刚架平面内的计算长度为计算长度系数的计算方法：⑴查表法：适合手算，用于柱脚铰接的对称刚架；⑵一阶分析法：普通适用于各种情况，并适合上机计算；⑶二阶分析法：要求有二阶分析的计算程序。2、一阶分析法框架有侧移失稳的临界状态和它的侧移刚度有直接关系，框架上的荷载使此刚度逐渐退化，荷载加到一定程度时刚度完全消失，框架随即不能保持稳定。因此框架柱的临界荷载或计算长度可以由侧移刚度得出。当刚架利用一阶分析分析计算程序得出柱顶水平荷载作用下的侧移刚度K=H/u，柱计算长度系数可由下列公式计算：（1）对柱脚为铰接和刚接的单跨对称刚架：六、斜梁和隅撑的设计1、斜梁的设计⑴当斜梁坡度不超过1：5时，可按压弯构件计算强度和刚架平面外的稳定，不计算平面内的稳定。⑵实腹式斜梁的平面外计算长度，取侧向支承点的间距。⑶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倍。当斜梁上翼缘承受集中荷载作处不设加劲肋时，除应验算腹板上边缘正应力、剪应力和局部压应力共同作用时的折算应力外，尚应满足2、隅撑设计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作为梁的侧向支承，隅撑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倍。隅撑应根据GB50017规定按轴心受压构件的支撑来设计，截面常选等边角钢。轴向压力为：当隅撑成对布置时，每根隅撑的计算轴压力取上式计算值的一半。单面连接的单角钢压杆在计算稳定性时，不用换算长细比，而是对f值乘以相应折减系数。七、檩条和墙架的设计㈠檩条设计1、檩条截面形式⑴实腹式檩条跨度不超过9m时，应优先选用实腹式檩条。⑵格构式檩条下撑式平面桁架式空腹式当屋面荷载较大或檩条跨度超过9m时，宜选用格构式檩条2、檩条的内力安装于斜梁上的檩条在竖向荷载作用下，沿截面两个形心主轴方向都有弯矩作用，属于双向受弯构件。内力分析时要将均布荷载q分解为沿截面形心主轴方向的荷载分量qx和qy屋面坡度不大时，卷边Z形钢的qx指向屋脊，卷边槽钢和H型钢qx指向屋檐。5、构造要求：⑴拉条：防止檩条侧向变形和扭转，并且提供x轴方向的中间支点。①l＞4m时应在跨中位置设；②l

＞6m时应在三分点处各设一道；③在屋脊或檐口处设置斜拉条和刚性撑杆。拉条常用圆钢制成，直径大于10mm。可设在距檩条上翼缘1/3腹板高度范围内。刚性撑杆常用钢管，按压杆的刚度要求即长细比小于200来选择截面。⑵实腹式檩条通过檩托与刚架相连，檩条与檩托的连接螺栓不应少于2个，沿檩条高度方向布置；⑶槽形和Z形檩条上翼缘的肢尖（或卷边）应朝向屋脊方向，以减少荷载偏心引起的扭矩。⑷计算檩条时，不能把隅撑作为檩条的支承点。㈡墙梁设计墙梁一般采用卷边槽钢，其在自重、墙体材料和水平荷载作用下，是双向受弯构件。为便于墙梁与刚架柱的连接而把卷边槽钢的槽口向上放置，单窗框下沿的墙梁则需槽口向下放置。墙梁一般等间距设置，一般在墙面上、下沿和窗框的上、下沿处设置一道墙梁。为减少墙梁的竖向挠度，可在墙梁上设拉条，并在最上层墙梁处设斜拉条将拉力传至刚架柱。墙梁的荷载：

1.2X竖向永久荷载+1.4X水平风压（吸）力荷载㈢支撑构件的设计⑴交叉支撑和柔性系杆按拉杆设计，非交叉支撑中的压杆及刚性系杆按压杆设计。⑵刚架斜梁上横向水平支撑的内力，根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，并计入支撑对斜梁起减少计算长度作用而承受的力，对于交叉支撑可不计压杆的受力。⑶刚架柱间支撑的内力，根据该柱列所受纵向荷载按支承于柱脚上的竖向悬臂桁架计算，并计入支撑对柱减小计算长度而应承受的力，对交叉支撑可不计压杆的受力。⑷当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑间可平均分配。⑸支撑杆件中，拉杆可采用圆钢制作，用特制的连接件与梁、柱腹板相连，并应以花篮螺丝张紧。压杆宜采用双角钢组成的T形、十字形截面或圆管。8.6门式刚架的连接和节点设计一、焊缝连接二、刚架梁与柱连接及刚架梁拼接连接方式，一般采用高强度螺栓—端板连接。节点都必须按刚接节点设计，即在保证必要的强度的同时，提供足够的转动刚度。端板螺栓应成对地对称布置。在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧各设一排，并宜使每个翼缘的四个螺栓的中心与翼缘的中心重合。分析表明，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的中心线上。当上翼缘对称设置四个螺栓时，每个螺栓承受的拉力为：式中：h1—梁上下翼缘中至中距离。端板从下翼缘中心伸出的宽度不应小于式中：b—端板宽度。为减小力偶M/h1作用下的局部变形，有必要在梁上、下翼缘中线处设柱加劲肋。当受拉翼缘两侧各设一排螺栓不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓。按照绕下翼缘中心的转动保持在弹性范围内的原则，此第三排螺栓的拉力为两个螺栓可承受弯矩节点上的剪力由上边两排抗拉螺栓以外的螺栓承受，第三排螺栓拉力未用足，可以和下面两排（或两排以上）螺栓共同抗剪。螺栓排列应符合构造要求，间距应满足施工的净空要求，通常不小于35mm，螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径，两排螺栓之间的最小距离位3倍螺栓直径，最大距离不应超过400mm。端板厚度可根据支承条件计算，但不应小于16mm，和梁端板相连的柱翼缘部分应与端板等厚度。1.伸臂类端板2.无加劲肋类端板3.两边支承类端板端板外伸时端板平齐时4.三边支承类端板三、梁柱节点域门式刚架斜梁与柱相交的节点域，剪应力应满足刚架构件的翼缘与端板的连接应采用全熔透对接焊缝，腹板与端板的连接应采用角焊缝。在端板设置螺栓处，应验算构件腹板的强度：四、柱脚门式刚架的柱脚一般采用平板式铰接柱脚，当有桥式吊车或刚架侧向刚度过弱时，则应采用刚接柱脚。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（或雪荷载）、积灰荷载和附加荷载的影响，同时永久荷载的分项系数1.0。锚栓直径不宜小于24mm，且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。此水平剪力可用底板与混凝土基础之间的摩擦力（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键承受。五、牛腿设桥式吊车时，设在刚架柱上牛腿根部所受剪力V，弯矩M计算式为：式中：PD—吊车梁及轨道在牛腿上产生的反力

Dmax—吊车最大轮压在牛腿上产生的最大反力构造：⑴截面一般采用焊接工字形，若为变截面时，h≥H/2⑵吊车梁下对应位置应设置支承加劲肋，吊车梁与牛腿的连接宜设置长圆孔。⑶高强度螺栓直径常选用M16—M24⑷牛腿上、下翼缘与柱的连接焊缝均采用焊透的对接焊缝，腹板与柱的连接采用角焊缝。8.8压型钢板设计一、压型钢板的材料和截面形式1、压型钢板的材料按表面处理方法：⑴镀锌钢板：用于组合楼板。⑵彩色镀锌钢板：用于墙、屋面。⑶彩色镀铝锌钢板：用于墙、屋面。压型钢板原板材料根据建筑功能、使用条件、使用年限和结构形式等考虑。原板基层厚度常为0.4-1.6mm，长度不限，一般优先选用卷材，宽度应符合规格要求。压型钢板基板的材料有Q215和Q235钢，工程中多用Q235-A钢。2、压型钢板的截面形式a、b为早期产品、截面形式简单。板与檩条、墙梁的固定用钩头螺栓、自攻螺钉、拉铆钉。c、d属带加劲的板型，截面刚度增加。e、f为新近产品，板与板、板与檩条的连接通过支架咬合在一起，板上无需开孔，屋面上无明钉，从而有效解决防水、渗漏问题。二、压型钢板的截面几何特性截面特性可用单槽口的特性来表示。即用板厚中线来计算截面特性。单槽口截面的折线型中线示于下图，以此算的的截面特性A和I乘以板厚t，便是单槽口截面的各特性值。三、压型钢板的荷载和荷载组合1压型钢板的荷载⑴永久荷载：板自重、保温材料和龙骨的重量⑵可变荷载：除均布活荷载、雪荷载和积灰荷载外，还需考虑不小于1.0KN的施工检修集中荷载2、压型钢板的荷载组合一般考虑两种组合：1）1.2×永久荷载+1.4×max{屋面均布活荷载，雪荷载}2）1.2×永久荷载+1.4×施工检修集中荷载换算值考虑风吸力对屋面压型钢板的影响时3）1.0×永久荷载+1.4×风吸力荷载四、有效