第一章轻型门式刚架结构

2020/4/26武汉大学出版社参考文献1.黄呈伟.钢结构设计[M].科学出版社，2005,82.魏明钟.钢结构[M].武汉工业出版社，2002,33.《建筑钢结构工程设计构造要点与技术规范实用手册》李明华4.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102-2002）.中国工程建设标准化协会标准武汉大学出版社2目录下页上页1轻型门式刚架结构武汉大学出版社3目录下页上页内容提要能力要求目前，轻型门式刚架结构在我国得到迅速的发展，主要用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。通过本章的学习，在了解门式刚架的结构形式及特点的基础上，对门式刚架的结构体系与布置、荷载及作用效应计算、变截面刚架柱和梁的设计、节点设计、围护构件设计有一个大致的了解和掌握。本章的教学重点为变截面刚架的内力、侧移计算，刚架柱、梁的设计以及节点、围护构件的设计。教学难点为内力、侧移计算及构件和节点的设计。通过对轻型门式刚架结构体系与荷载及作用效应计算的学习和理解，认识轻型门式刚架结构，了解常用轻型门式刚架的设计方法并掌握与之相关的计算和设计步骤。武汉大学出版社4主要内容1.1概述1.2荷载及作用效应计算1.3构件设计1.4连接和节点设计1.5围护构件设计◎习题与思考题目录下页上页2020/4/26武汉大学出版社2020/4/26武汉大学出版社2020/4/26武汉大学出版社2020/4/26武汉大学出版社2020/4/26武汉大学出版社武汉大学出版社10目录下页上页§1.1概述1.1.1门式刚架的结构形式及特点门式刚架又称山形门式刚架。其结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨。按屋面坡脊数可分为单坡、双坡、多坡屋面。结构形式的选取考虑生产工艺、吊车吨位及建筑尺寸等因素。单跨单坡单跨双坡多跨（中间摇摆柱）高低跨双坡双跨门式刚架的各种结构形式多跨（梁柱刚结）四坡双跨摇摆柱带挑檐刚架带毗屋刚架主要承重骨架－门式刚架檩条、墙梁－冷弯薄壁型钢屋面、墙面－压型金属板、彩钢夹芯板屋面及墙面保温芯材－聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、岩棉等支撑－屋面支撑、柱间支撑门式刚架结构的组成单层轻型钢结构房屋的组成门式刚架结构的特点重量轻工业化程度高、施工周期短柱网布置灵活综合经济效益高2020/4/26武汉大学出版社轻型门式刚架结构与一般普通钢结构相比具有以下技术特征：1.结构构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，降低房屋的高度，建筑造型美观。2.门式刚架的刚度较好，自重轻，横梁与柱可以组装，为制作、运输、安装提供了有利条件。3.屋面刚架用钢量仅为普通钢屋架用钢量的1/5-1/10，是一种经济可靠的结构形式。2020/4/26武汉大学出版社工程实例一：青岛南车集团，2004年4月投资新建了一座轻钢结构生产车间，建筑面积5000平方米。于2004年7月竣工。主体结构采用轻型单跨门式刚架形式，吊车最大起重量为20吨，中级工作制。为使立面效果简洁美观，屋面采用有组织内排水形式。外墙面和屋面板均采用双层压型钢板，两层压型钢板之间放置了耐火性能较好的岩棉保温隔热层。2020/4/26武汉大学出版社正在建设的门式刚架工程实例山墙抗风柱吊车梁天窗架2020/4/26武汉大学出版社天窗架2020/4/26武汉大学出版社2020/4/26武汉大学出版社2020/4/26武汉大学出版社2020/4/26武汉大学出版社工程实例二：青岛永源体育用品有限公司加工车间，是由韩国投资建设的2万平方米轻钢结构多层工业厂房。主体结构采用轻钢结构框架体系。楼面板采用钢－混凝土组合楼板。屋面板采用压型钢板，波浪造型的轻钢结构屋面梁轻盈、活泼，克服了工业建筑造型单一、立面造型呆板的缺点。2020/4/26武汉大学出版社正在建设中的多层轻钢结构厂房2020/4/26武汉大学出版社压型钢板外墙板门式刚架结构的应用情况1.我国门式刚架设计规程：《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)2.应用范围：轻型厂房、物流中心、大型超市、体育馆、展览厅、活动房屋、加层建筑等。1.1.2轻型门式刚架的适用范围及截面形式：(1).屋面荷载较小，横向跨度为9～24m，柱高为4.5～9m，柱距一般宜取6m、7.5m或9m。(2).没有吊车或设有中、轻级工作制吊车的厂房。(3).当厂房横向跨度不超过15m，柱高不超过6m时，屋面刚架梁宜采用等截面刚架形式。当厂房横向跨度大于15m，柱高超过6m时，宜采用变截面刚架形式。变截面刚架与等截面刚架的对比:柱和梁采用变截面形式时，截面形状与内力图形附合较好，受力合理、节省材料。变截面刚架在构造连接及加工制造方面不如等截面方便。柱脚形式:门式刚架柱脚分为铰接和刚接两种连接形式。刚接柱脚详图铰接柱脚详图刚接柱脚门式刚架铰接柱脚门式刚架变截面梁变截面梁、柱变截面刚架梁等截面刚架柱加劲板地脚螺栓刚接柱脚工程实例2020/4/26武汉大学出版社刚接与铰接的区别能抵抗弯矩作用的柱脚称为刚接柱脚，相反不能抵抗弯矩作用的柱脚称为铰接柱脚，刚接与铰接的区别在于是否能传递弯矩。从实际上看，如果锚栓在翼缘的外侧，就是刚接，而且一般不少于四个，如果在翼缘内侧，就是铰接，一般为两个或四个。这两种柱脚很明显的区别就是对侧移控制，如果结构对侧移控制较严，则采用刚接柱脚，例如有吊车荷载的情况，吊车荷载是动力荷载，对侧移比较敏感，而且侧移过大会造成吊车卡轨现象，此时应把柱脚设计成刚接柱脚。1.1.3门式刚架的结构体系与布置1.刚架的建筑尺寸和布置跨度：一般为9-36m高度：取地坪柱轴线与斜梁轴线交点高度，宜取4.5-9m柱距：应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，宜取6m、7.5m、或9m挑檐长度：根据使用要求确定，宜为0.5—1.2m温度分区：纵向温度区段300m横向温度区段150m2.檩条和墙梁的布置檩条：应等间距布置。在屋脊处，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(一般200mm)，在天沟附近应布置一道檩条，以便于天沟的固定。确定檩条间距时，应综合考虑屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。屋面檁条布置实例屋面檁条布置实例墙梁：墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。墙梁布置实例3.屋面支撑和刚性系杆的布置原则：(P5)在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。2020/4/26武汉大学出版社2020/4/26武汉大学出版社刚性系杆系杆根据其能否抵抗轴心压力分为刚性系杆和柔性系杆。刚性系杆，基本上只承受轴力——压力或拉力。它把力通过支撑系统，传给基础。刚性系杆的作用：传递轴力——主要是山墙风压、吊车纵向力。主要是提高结构的整体刚度，使结构发挥空间作用，保证结构的几何稳定性和受压构件的侧向稳定。2020/4/26武汉大学出版社2020/4/26武汉大学出版社刚性系杆如果用檩条做刚性系杆，一般用双檩条(双檩条之间用连接板或螺栓连接，满足刚性系杆的计算要求，不会发生整体或局部失稳等)；在常规檩条双向受弯以外，增加檩条兼做刚性系杆时承载的轴力。和普通檩条差别：就是多了轴力。也可以用方钢管等其他材料来做刚性系杆，在钢梁上翼缘设置连接板来连接它（或焊接或螺栓连接均可）。4.柱间支撑的布置原则：柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30~45m；有吊车时60m当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；端部柱间支撑考虑温度应力影响宜设置在第二柱间。武汉大学出版社42目录下页上页§1.2荷载及作用效应计算永久荷载：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、吊顶、墙面构件和刚架自重等。可变荷载：屋面活荷载、屋面雪荷载和积灰荷载吊车荷载、地震作用、风荷载。荷载组合原则：(P7)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；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；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；多台吊车的组合应符合《荷载规范》的规定；当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。内力计算原则：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、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。刚架内力和侧移计算(P7)侧移计算原则：变截面门式刚架柱顶侧移应采用弹性分析方法确定。计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时刚架的侧移不满足要求，即需要采用下列措施之一进行调整：放大柱或梁的截面尺寸；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连接形式。2020/4/26武汉大学出版社武汉大学出版社47目录下页上页§1.3构件设计控制截面的内力组合主要有：最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值。最大弯矩Mmax和同时出现的V及N的较大值。最小轴压力Nmin和相应的M及V，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M=0。梁、柱板件的宽厚比限值：工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比：工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比：yftb235151235250wwyhtf刚架柱和梁的设计腹板屈曲后强度利用：(P11)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，并利用其屈曲后强度。腹板的有效宽度he：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he取值：(P12)当腹板全部受压时：当腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区有效宽度为：wehhcehhhe：腹板受压区有效宽度；ρ：有效宽度系数；hc:腹板受压区高度。刚架梁、柱构件的强度计算(P13)刚架内力分析在横向均布荷载作用下，刚架弯矩图如下刚架弯矩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：荷载计算简图刚架弯矩图q轻型钢结构是以构件边缘最大压应力达到钢材屈服点作为临界状态，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。考虑各种荷载组合内力分析结果，取出最大荷载值控制设计，对初选截面梁柱按压弯构件进行验算。工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩M共同作用下的强度应符合下列要求：当时当时当截面为双轴对称时215.01dfefVVMMMMddVVV5.0dVV5.0eMMfthAMwff工字形截面受弯构件在剪力V、弯矩M和轴力N共同作用下的强度应符合下列要求：当时当时当截面为双轴对称时dVV5.0ddVVV5.0NeMMeeeNeANWMM215.01dNfNeNfVVMMMMANfthAMwfNf加劲肋稳定性验算按规范规定进行，计算长度取腹板高度hw，截面取加劲肋全部和其两侧各宽度范围内的腹板面积，按两端铰接轴心受压构件进行计算。ywft23515变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算:(P14)变截面柱在刚架平面内的整体稳定按下列公式计算：fWNNMANexExmxex100100120201.1eExEAN对于变截面柱，变化截面高度的目的是为了适应弯矩的变化，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。但是实际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M1和有效截面模量We1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，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，故第一项按小头运算比按大头运算安全。1A变截面柱在刚架平面内的计算长度h0截面高度呈线形变化的柱，在刚架平面内的计算长度应取为，式中为柱的几何高度，为计算长度系数。可由下列三种方法确定