第二章 轻型门式钢刚架设计的基本理论

34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、结构组成轻型门式钢刚架的结构体系包括以下组成部分：（1）主结构：横向刚架（包括中部和端部刚架）、楼面梁、托梁、支撑体系等；（2）次结构：屋面檩条和墙面檩条等；（3）围护结构：屋面板和墙板；（4）辅助结构：楼梯、平台、扶栏等；（5）基础。图2-1给出了轻型门式钢刚架组成的图示说明。图2-1轻型钢结构的组成平面门式刚架和支撑体系再加上托梁、楼面梁等组成了轻型钢结构的主要受力骨架，即主结构体系。屋面檩条和墙面檩条既是围护材料的支承结构，又为主结构梁柱提供了部分侧向支撑作用，构成了轻型钢建筑的次结构。屋面板和墙面板起整个结构的围护和封闭作用，由于蒙皮效应事实上也增加了轻型钢建筑的整体刚度。外部荷载直接作用在围护结构上。其中，竖向和横向荷载通过次结构传递到主结构的横向门式刚架上，依靠门式刚架的自身刚度抵抗外部作用。纵向风荷载通过屋面和墙面支撑传递到基础上。二、结构布置轻型门式钢刚架的跨度和柱距主要根据工艺和建筑要求确定。结构布置要考虑的主要问题是温度区间的确定和支撑体系的布置。考虑到温度效应，轻型钢结构建筑的纵向温度区段长度不应大于300m，横向温度区段35不应大于150m。当建筑尺寸超过时，应设置温度伸缩缝。温度伸缩缝可通过设置双柱，或设置次结构及檩条的可调节构造来实现。支撑布置的目的是使每个温度区段或分期建设的区段建筑能构成稳定的空间结构骨架。布置的主要原则如下：（1）柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内形成抵抗纵向荷载的支撑桁架。支撑桁架的直杆和单斜杆应采用刚性系杆，交叉斜杆可采用柔性构件。刚性系杆是指圆管、H型截面、Z或C型冷弯薄壁截面等，柔性构件是指圆钢、拉索等只受拉截面。柔性拉杆必须施加预紧力以抵消其自重作用引起的下垂；（2）支撑的间距一般为30m-40m，不应大于60m；（3）支撑可布置在温度区间的第一个或第二个开间，当布置在第二个开间时，第一开间的相应位置应设置刚性系杆；（4）45的支撑斜杆能最有效地传递水平荷载，当柱子较高导致单层支撑构件角度过大时应考虑设置双层柱间支撑；（5）刚架柱顶、屋脊等转折处应设置刚性系杆。结构纵向于支撑桁架节点处应设置通长的刚性系杆；（6）轻钢结构的刚性系杆可由相应位置处的檩条兼作，刚度或承载力不足时设置附加系杆。除了结构设计中必须正确设置支撑体系以确保其整体稳定性之外，还必须注意结构安装过程中的整体稳定性。安装时应该首先构建稳定的区格单元，然后逐榀将平面刚架连接于稳定单元上直至完成全部结构。在稳定的区格单元形成前，必须施加临时支撑固定已安装的刚架部分。三、材料选择1、材料类型钢结构常用类型有：碳素结构钢、低合金结构钢、高强度钢、耐火耐侯钢等。其中，轻型钢结构一般采用碳素结构钢和低合金结构钢。（1）碳素结构钢按含碳量的大小，碳素结构钢可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。一般而言，含碳量为0.03—0.25%的称为低碳钢；含碳量在0.26—0.60%之间的称为中碳钢；含碳量在0.60—2.00%的称为高碳钢。含碳量越高钢材强度越高，建筑结构中主要使用低碳钢。按钢材质量，碳素结构钢可分为A、B、C、D四个等级，由A到D表示质量由低到高。不同质量等级对冲击韧性（夏比V型缺口试验）的要求有区别。A级无冲击功的规定；B级要求提供20℃时冲击功JAk27（纵向）；C级要求提供0℃时冲击功JAk27（纵向）；D级要求提供-20℃时冲击功JAk27（纵向）。按冶炼中的脱氧方法，钢材可分为沸腾钢（F）、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)四类。碳素结构钢的牌号和表示方式见表2-1所示。表2-1碳素结构钢的表示方法牌号质量等级脱氧方法说明Q195——F、b、Z钢材牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点、质量等级和脱氧方法四个部分顺序组成。Q215AF、b、ZBQ235AF、b、Z36B如：Q235—A·FQ235—B·bCZDTZQ255AZBQ275——Z（2）低合金结构钢低合金钢是在碳素结构钢中添加一种或几种少量的合金元素（钢内各合金元素的总含量小于5%），从而提高其强度、耐腐蚀性、耐磨性或低温冲击韧性。低合金结构钢的含碳量一般较低（少于0.20%），以便于钢材的加工和焊接。低合金结构钢质量等级分为A、B、C、D、E五级，由A到E表示质量由低到高。不同质量等级对冲击韧性（夏比V型缺口试验）的要求有区别。A级无冲击功要求；B级要求提供20C°时冲击功Ak≥34J（纵向）；C级要求提供0C°时冲击功Ak≥34J（纵向）；D级要求提供－20C°时冲击功Ak≥34J（纵向）；E级要求提供－40C°时冲击功Ak≥34J（纵向）。不同质量等级对碳、硫、磷、铝的含量的要求也有区别。低合金钢的脱氧方法为镇静钢（Z）或特殊镇静钢（TZ）。表2-2低合金结构钢的表示方法牌号质量等级脱氧方法说明Q295AZ钢材牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点、质量等级和脱氧方法四个部分顺序组成。如：Q345B——屈服强度345N/mm2，B级镇静钢；Q390D——屈服强度390N/mm2，D级特殊镇静钢；Q345C——屈服强度345N/mm2，C级特殊镇静钢；Q390A——屈服强度390N/mm2，A级镇静钢。BQ345ATZ、ZBCDEQ390ATZ、ZBCDEQ420ATZ、ZBCDEQ460CTZDE碳素结构钢用于一般受弯构件可以充分利用钢材的强度，而挠度和稳定的潜力很难充分发挥；而低合金结构钢构件的强度、挠度和稳定三个主要控制指标较易均衡地得以发展，同碳素结构钢相比可以节约20%左右的钢材用量。372、钢材规格钢结构所用的钢材主要为热轧成型的钢板和型钢、冷弯成型的薄壁型钢等。（1）钢板钢板主要有厚钢板、薄钢板和扁钢（带钢）。厚钢板：厚度4.5—60mm，宽度600—3000mm，长度4—12m；薄钢板：厚度1.0—4mm，宽度500—1500mm，长度0.5—4m；扁钢：厚度3—60mm，宽度10—200mm，长度3—9m。厚钢板主要用于焊接梁柱构件的腹板和翼缘及节点板，薄钢板主要用于制造冷弯薄壁型钢，扁钢可作为节点板和连接板等。（2）热轧型钢钢结构常用热轧型钢为角钢、槽钢、圆管、工字钢和宽翼缘工字型截面等。宽翼缘工字型截面可用于轻型钢结构中的受压和压弯构件，其他型钢截面在轻型钢结构中一般用于辅助结构或支撑结构构件。（3）薄壁型钢薄壁型钢的截面尺寸可按合理方案设计，能充分发挥和利用钢材的强度、节约钢材。薄壁型钢的壁厚一般为1.5—5mm，但承重构件的壁厚不宜小于2mm。常用薄壁型钢截面有槽形、卷边槽形（C形）、Z形等。轻型钢结构中的次结构构件如檩条等一般采用薄壁型钢。3、钢材选用钢材选用的原则是既使结构安全可靠地满足使用要求，又尽量节约结构钢材和降低造价。一般而言，轻型钢结构设计中钢材的选择应考虑以下方面：（1）结构类型及其重要性结构可分为重要、一般和次要三类。重级工作制吊车梁和特别重要的轻型钢结构主结构及次结构构件属于重要结构；普通轻型钢结构厂房的主结构梁柱和次结构构件属于一般结构；而辅助结构中的楼梯、平台、栏杆等属于次要结构。重要结构可选用16Mn钢或Q235—C或D；一般结构可选用Q235—B；次要结构可选用Q235—B·F。（2）荷载性质荷载可分为静力荷载和动力荷载两种，动力荷载又有经常满载和不经常满载的区别。直接承受动力荷载的结构一般采用Q235—B、Q235—C、Q235—D及16Mn钢，对于环境温度高于-20℃、起重量Q50t的中、轻级工作制吊车梁也可选用Q235—B·F。承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构可选用Q235—B和Q235—B·F。（2）工作温度根据结构工作温度选择结构的质量等级。例如，工作温度低于-20℃时宜选用Q235—C或Q235—D；高于-20℃时可选用Q235—B。第二节结构设计的一般原则一、背景建筑结构的设计方法有容许应力设计法和极限状态设计法两类。容许应力设计法是建立在经验和近似假定基础上的设计方法。极限状态设计法是将荷载和材料强度处理为随机变量的建立在概率理论基础上的设计方法，目前在国际上已被广为应用。我国自《钢结构设计规范》（GBJ17-87）[6]和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GBJ18-88）[5]起已经采用了极限状态38设计方法，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:98）[2]直接参照了国内外轻钢结构设计规范采用了极限状态设计法。但是，国际上仍有相当规范采用容许应力设计法或同时提供了容许应力和极限状态两种设计方法。极限状态设计法是基于这样的认识：不同类型的荷载，如恒载、活载、风载、地震等，具有不同的分布规律，并且其超载概率也不同。同容许应力法相比，极限状态设计法引入了荷载分项系数，这些系数对于不同的荷载和不同的极限状态具有不同的数值；不同的材料也具有不同的材料抗力分项系数。极限状态设计法是建立在统一的可靠度指标上的，因而使结构具有一致的有效概率，能得到更为合理的荷载及其效应组合，从而导致更为经济和安全的设计结果。结构设计的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。其中，结构构件的强度、整体稳定、局部稳定验算属于承载能力极限状态的范畴；结构及其构件的位移和刚度验算属于正常使用极限状态的范畴。一般设计时，首先选择截面使结构满足承载能力极限状态的要求，然后校核其是否满足正常使用极限状态。二、承载能力极限状态结构的承载能力极限状态是指在设计荷载作用下不发生强度或稳定破坏。承载能力极限状态的一般表达式为：RS0（2-1）上式中，0为结构重要性系数；S为最不利的荷载效应组合值；R为结构的抗力。结构的荷载效应是结构构件及其连接在荷载作用下的内力（或应力），由结构分析理论计算得到，各类结构分析或设计软件（如ANSYS、SAP84、3D3S等）是很有效和方便的计算手段。结构抗力是连接和截面的强度及构件的稳定承载力等。必须注意，计算承载能力极限状态时荷载效应和结构抗力都是指设计值。轻型钢结构各个构件和各个连接节点都必须满足式（2-1）。三、正常使用极限状态除了满足结构的承载能力极限状态外，设计者还必须确保结构在使用荷载下能令人满意地完成其预定功能。对于轻型钢结构而言，正常使用极限状态是指结构和构件的位移满足相应的容许值，这可以通过验算结构的变形来确保；同时结构和构件不产生振动，这可以通过限制构件的长细比来确保。轻型钢结构的位移指标有柱顶侧移和梁柱构件相对变形两项。位移验算的一般公式为：ww（2-2）构件长细比验算的一般公式为：（2-3）必须注意：计算结构正常使用极限状态时必须采用荷载的标准值。轻型钢结构设计时，一般先按照承载能力极限状态设计构件截面，然后校核是否满足正常使用极限状态。由于轻型钢结构较柔，在很多情况下构件截面是由位移控制的。相对而言，对于结构强度和稳定问题的研究要远比对于结构位移容许值的研究深入得多。所以，对于同一类结构体系，各国规范甚至国内不同规程对于位移限值的规定也不一样。轻型钢结构位移限值的确定必须考虑到以下因素：39（1）不能影响到次结构与主结构之间、围护结构与次结构之间的连接承载能力以及围护结构连接处的水密性；（2）不能导致屋面板排水坡度的过度平缓，从而引起平坡积水和渗漏；（3）不能引起屋面和楼面梁以及悬挂天花板产生视觉上明显和过分的挠度；（4）由于抗风柱的支承，端部刚架梁竖向位移较小，而中部刚架梁位移相对较大。结构位移不能引起屋脊线的明显挠曲；（5）不能导致维修时屋面的扭曲运动；（6）风荷载作用下结构不产生过度扭曲运动及吱嘎有声；（7）不致影响和危及悬挂于刚架梁上吊车的正常运行；（8）不致影响和危及轨道吊车的正常运行；（9）不能导致内外砖墙的开裂破坏。四、荷载及其组合1．荷载作用在轻型钢结构上的荷载包括以下类型：（1）恒载(G)：结构自重和设备重。按现行《建筑结构荷载规范》的规定采用；（2）活载：包括屋面均布活载、检修集中荷载(M)、积灰荷载(D)、雪荷载等。其中，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:98）[2]规定均布活