门式刚架结构设计门式刚架结构设计 济南大学济南大学 柱距1.1 1.1 概述概述 1.1.1 单层门式刚架的组成单层门式刚架的组成 主承重骨架主承重骨架 檩条、墙梁檩条、墙梁 屋面、墙面屋面、墙面 支撑支撑1.1.2 单层门式刚架结构的特点单层门式刚架结构的特点 u质量轻质量轻一般一般10-30kg/m2，基础费用低。地震反应小，注意风吸力，基础费用低。地震反应小，注意风吸力u工业化程度高，施工周期短工业化程度高，施工周期短主要构件工厂制作，现场高强螺栓安装主要构件工厂制作，现场高强螺栓安装u综合经济效益高综合经济效益高u柱网布置比较灵活柱网布置比较灵活u门式刚架整体性门式刚架整体性可以可以可以可以依靠檩条、墙梁和隅撑来保证，支依靠檩条、墙梁和隅撑来保证，支撑数量可减少，且多用张紧的圆钢撑数量可减少，且多用张紧的圆钢 梁柱多用变截面，省材 梁、柱腹板利用屈曲后强度 塑性设计不再适用（多个塑性铰 ） 摇摆柱 柱脚约束 应力蒙皮效应板件较薄 焊接板件 3mm 冷弯构件 1.5mm 压型钢板 0.4mm图图图图1.2 1.2 1.2 1.2 变截面门式刚架变截面门式刚架变截面门式刚架变截面门式刚架1.1.3 我国工程应用情况我国工程应用情况u始于始于2020世纪世纪6060年代，屋面用瓦材年代，屋面用瓦材。u2020世纪世纪7070年代在工程上极少应用；年代在工程上极少应用；u2020世世纪纪8080年年代代在在经经济济特特区区引引进进国国外外门门式式刚刚架架轻轻钢钢房房屋屋，压压型钢板始见用于屋面和墙面；型钢板始见用于屋面和墙面； u2020世世纪纪9090年年代代初初外外国国轻轻钢钢企企业业进进入入中中国国大大陆陆，带带动动了了内内资资轻轻钢钢企企业业的的发发展展。中中期期以以来来，采采用用门门式式刚刚架架轻轻型型房房屋屋钢钢结结构构的的工工程程数数量量越越来来越越多多，工工程程规规模模越越来来越越大大，充充分分展展示示了了这种结构的优越性。这种结构的优越性。国家标准的制订情况国家标准的制订情况冷弯薄壁型钢结构技术规范冷弯薄壁型钢结构技术规范 1966年版本未颁布年版本未颁布； TJ18-75 GBJ18-87 GB50018-2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102:98 CECS102:2002 1.2 1.2 结构形式结构形式 和结构布置和结构布置1.2.1 门式刚架的结构形式门式刚架的结构形式按跨度：单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的形式单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的形式按屋面坡脊数：单脊单坡、单脊双坡和多脊多坡单脊单坡、单脊双坡和多脊多坡图图图图1.3 1.3 1.3 1.3 门式刚架形式示例（一）门式刚架形式示例（一）门式刚架形式示例（一）门式刚架形式示例（一）图图图图1.3 1.3 1.3 1.3 门式刚架形式示例（二）门式刚架形式示例（二）门式刚架形式示例（二）门式刚架形式示例（二）常做成一个大双坡屋面，避免渗漏和堆雪常做成一个大双坡屋面，避免渗漏和堆雪单脊双坡多跨刚架单脊双坡多跨刚架无桥式吊车：中柱多为摇摆柱摇摆柱摇摆柱摇摆柱有桥式吊车：中柱宜两端刚接截面形式截面形式|无桥式吊车：梁、柱可采用变截面或等截面的实腹焊接工字形截面或轧制H形截面|有桥式吊车：柱宜采用等截面形式柱脚形式柱脚形式v无桥式吊车：多按铰接支承设计，通常为平板支座v有桥式吊车：刚接摇摆柱摇摆柱摇摆柱摇摆柱变截面门式刚架变截面门式刚架变截面门式刚架变截面门式刚架坡度坡度1/201/8运输单元运输单元柱子单独一个，梁可为多个。单元内焊接，单元间可通过端板用高强螺栓连接吊车吊车v悬挂吊车：起重量不大于3吨v桥式吊车：不大于20吨，轻、中级工作制1.2.2 结构布置结构布置 刚架的建筑尺寸和布置 跨度跨度：936m；高度高度：4.59m（室内净空）； 柱轴线柱轴线：下端中心线或柱外皮 梁轴线梁轴线：最小截面中线，与上表面平行 柱距柱距：6m，7.5m或9m 挑檐挑檐：0.51m 温度区段温度区段：纵向300m，横向150m。 设置伸缩缝的方法：双柱；檩条和屋面板构造 有吊车时设置双柱，加插入距图图图图1.4 1.4 1.4 1.4 有吊车时的插入距有吊车时的插入距有吊车时的插入距有吊车时的插入距檩条布置v 一般等间距布置，间距由计算确定；v 屋脊附近双檩（距屋脊200mm ）；v 天沟附近布置一根以固定天沟；v 考虑天窗、采光带等的具体情况。 墙梁布置 考虑门窗、挑檐、雨棚等的具体情况； 压型钢板墙面宜布置在柱外； 间距由计算确定。支撑和刚性系杆布置 布置原则布置原则： 温度区段温度区段 柱间支撑与屋面横向支撑同时设置柱间支撑与屋面横向支撑同时设置 位置、间距位置、间距(30(3045;60)45;60) 高度大时分层设，宽度大时内柱设高度大时分层设，宽度大时内柱设 刚架转折处刚架转折处 支撑交叉点支撑交叉点 支撑形式支撑形式： 十字交叉十字交叉圆钢支撑，夹角圆钢支撑，夹角3030-60-60型钢支撑型钢支撑1.3 1.3 刚架设计刚架设计 除门式刚架轻型房屋钢结构技术规程除门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS 102)有专门规定外，按建筑结构荷载规范有专门规定外，按建筑结构荷载规范(GB50009)采用采用永久荷载 结构自重结构自重结构自重结构自重：按建筑结构荷载规范GB50009采用 悬挂荷载悬挂荷载悬挂荷载悬挂荷载：按实际情况可变荷载 屋面活荷载屋面活荷载屋面活荷载屋面活荷载：对压型钢板屋面，按水平投影计，取0.5kN/m2，常取0.3kN/m2 施工检修集中荷载施工检修集中荷载施工检修集中荷载施工检修集中荷载（人和小工具的重力）：1kN ，按最不利位置 1.3.1 荷载及荷载组合荷载及荷载组合屋面雪荷载和积灰荷载屋面雪荷载和积灰荷载屋面雪荷载和积灰荷载屋面雪荷载和积灰荷载 ：按GB50009 采用，考虑荷载增大系数和不均匀系数。吊车荷载吊车荷载吊车荷载吊车荷载：竖向和水平荷载，按GB50009采用。地震作用地震作用地震作用地震作用：按建筑抗震设计规范 GB50011采用。风荷载风荷载风荷载风荷载：按规程，垂直于建筑物表面的风荷载： wk风荷载标准值（kN/m2）；w0基本风压，按建筑结构荷载规范的规定采用；z风荷载高度变化系数，按建筑结构荷载规范的规定采用； 当高度小于10m时，应按10m高度处的数值采用；s风荷载体型系数，考虑内、外风压最大值的组合，含阵风系数。 其中 风载体型系数按美国MBMA手册的规定采用。图图图图1.5 1.5 1.5 1.5 刚架的风载体型系数分区刚架的风载体型系数分区刚架的风载体型系数分区刚架的风载体型系数分区荷载效应组合荷载效应组合: : 应符合以下原则 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它荷载同时考虑； 多台吊车的组合应符合GB50009的规定； 风荷载不与地震作用同时考虑。 在进行刚架内力分析时，需要考虑的荷载效应组合有： 1.2 永久荷载0.9 1.4 积灰荷载max屋面均布活荷载、雪荷载（风荷载吊车竖向荷载吊车水平荷载）； 1.0 永久荷载1.4 风荷载或 1.0 永久荷载1.4 0.9( 风荷载吊车荷载） 组合(1)用于截面强度和构件稳定计算，(2)用于柱脚锚栓验算。起有利作用者不加，但要注意同时发生的荷载。 地震作用组合，采用底部剪力法，按GB50011计算。1.3.2 刚架内力和侧移计算刚架内力和侧移计算 内力 v变截面门式刚架：弹性分析方法v全部为等截面构件时：可采用塑性分析方法设计v取单榀刚架按平面结构分析内力，一般不考虑应力蒙皮效应，而把它当作安全储备。v计算内力时可采用有限元法（直接刚度法）。v分段等截面单元或楔形单元。v手算校核时，可将变截面构件折算为等截面构件控制截面的内力组合（柱顶、底、牛腿处 ，梁端、跨中）（1）对构件：最大压力Nmax和相应的M和V；（2）对构件：最大弯矩Mmax和相应的N和V；（3）对锚栓：最小压力Nmin和相应的M和V。侧移计算 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。 简化计算公式：参见CECS102 侧移限值 在风荷载标准值作用下的刚架柱顶侧向位移不应超过下列限值： 不不不不设设设设吊吊吊吊车车车车：采用轻型钢板墙时为h/60，采用砌体墙时为h/100，h为柱高； 设有桥式吊车设有桥式吊车设有桥式吊车设有桥式吊车：吊车有驾驶室时为h/400，吊车由地面操作时为h/180。 不满足时可采取的措施v 放大截面v 修改柱脚约束v 若有摇摆柱，上端改为刚接 受弯构件的挠度限值受弯构件的挠度限值 门式刚架斜梁竖向挠度：（L为构件跨度） 仅支承压型钢板和檩条 L/180 尚有吊顶 L/240 有悬挂起重机 L/400 屋面坡度改变值屋面坡度改变值屋面坡度改变值屋面坡度改变值：屋面坡度的1/3 檩条竖向挠度： 仅支承压型钢板 L/150 有吊顶 L/240 压型钢板竖向挠度： 承受活荷载或雪荷载 L/150 构件长细比要求构件长细比要求 受压构件：主要构件180， 其它构件及支撑220； 受拉构件：承受静力荷载时，桁架构件350； 吊车梁以下柱间支撑300； 其它支撑400； 承受动力荷载时250。 张紧的圆钢或钢绞线：不限制 1.3.3 刚架柱、梁设计刚架柱、梁设计 1.3.3.1 梁、柱板件宽厚比和腹板屈曲后强度应用梁、柱板件宽厚比和腹板屈曲后强度应用(1) 梁柱板件宽厚比限值梁柱板件宽厚比限值 梁柱的翼缘，不能发生局部失稳，要求受压翼缘： 对于梁柱的腹板:腹板应按规程要求计算有效宽度。图图图图1.6 1.6 1.6 1.6 截面尺寸截面尺寸截面尺寸截面尺寸(2)腹板屈曲后强度利用腹板屈曲后强度利用 工字形截面构件腹板的受剪板幅，当腹板高度变化不超过60mm/m时可考虑屈曲后强度（拉力场），其抗剪承载力设计值应按下列公式计算： (3) 腹板的有效宽度腹板的有效宽度(工字形截面腹板工字形截面腹板) 当腹板全部受压时, he=hw 当腹板部分受拉时，拉区全部有效，压区有效宽度为 he=hc图图图图1.7 1.7 1.7 1.7 有效宽度分布有效宽度分布有效宽度分布有效宽度分布 当腹板边缘最大应力10时 当截面部分受拉，即0.6时，进行弹塑性修正：1.3.3.7 斜梁和隅撑设计斜梁和隅撑设计（1）斜梁设计 当斜梁坡度不超过1:5时，在平面内可仅按压弯构件计算强度，在平面外应按压弯构件计算稳定。 平面外计算长度，应取侧向支承点间的距离。 上翼缘承受集中荷载处不设加劲肋时，验算腹板上边腹板上边缘缘正应力、剪应力和局部压应力共同作用的折算应力外，还应满足下式要求 ： 集中荷载作用下的屈皱m在负弯矩区取0（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（端部仅布置一侧）作为斜梁的侧向支承，隅撑的另一侧连在檩条上。图图图图1.12 1.12 1.12 1.12 隅撑的连接隅撑的连接隅撑的连接隅撑的连接 隅撑按轴心受压构件设计。轴心力为： 当隅撑成对布置时，每根隅撑的计算轴压力可取一半。计算时不用角钢的换算长细比，要考虑单面连接时材料强度的折减。 梁与柱连接节点、梁与梁拼接节点和柱脚节点。有吊车时还有牛腿节点。 （1） 刚架梁、柱连接及梁拼接（刚架梁、柱连接及梁拼接（高强螺栓高强螺栓高强螺栓高强螺栓- - - -端板连接端板连接端板连接端板连接） 斜梁与柱的连接形式：端板竖放、 端板斜放和端板平放。斜梁拼接时宜使端板与构件外边缘垂直。 1.3.3.8 节点设计 图图图图1.13 1.13 1.13 1.13 刚架梁与柱及梁与梁的连接刚架梁与柱及梁与梁的连接刚架梁与柱及梁与梁的连接刚架梁与柱及梁与梁的连接 v斜梁拼接按最大受力计算，且不小于被连接截面承载力斜梁拼接按最大受力计算，且不小于被连接截面承载力的一半；的一半；v连接满足强度和刚度要求；连接满足强度和刚度要求；v连接分摩擦型和承压型连接；连接分摩擦型和承压型连接；v螺栓成对布置，翼缘内外各设一排；转动中心在下翼缘螺栓成对布置，翼缘内外各设一排；转动中心在下翼缘形心线处；形心线处；v抗剪由受拉力较小螺栓抗剪由受拉力较小螺栓v 或受压螺栓承担；或受压螺栓承担；v构造要求，构造要求，35mm; 400mm。图图图图1.14 1.14 1.14 1.14 连接受力连接受力连接受力连接受力 端板的厚度t应根据支承条件按下列公式计算，但不应小于16mm： 图图图图1.15 1.15 1.15 1.15 端板的支承条件端板的支承条件端板的支承条件端板的支承条件 原则：螺栓达到极限拉力，板区屈服；设计时改为设计承载力（Nt受拉承载力设计值）与翼缘板相连的边视为固定与翼缘板相连的边视为固定与翼缘板相连的边视为固定与翼缘板相连的边视为固定与翼缘板相连的边视为简支与翼缘板相连的边视为简支图图图图1.16 1.16 1.16 1.16 端板外伸与平齐端板外伸与平齐端板外伸与平齐端板外伸与平齐 在门式刚架斜梁与柱相交的节点域，按下式验算剪应力： 当不满足上式要求时，应加厚腹板或设置斜加劲肋。（2）柱脚设计柱脚设计 柱脚可采用刚接或铰接形式，前者可节约钢材，但基础费用有所提高，加工、安装也较为复杂。一般情况宜采用平板式铰接柱脚。 (a) (b) (c) (d)图图图图1.17 1.17 门式刚架柱脚形式门式刚架柱脚形式门式刚架柱脚形式门式刚架柱脚形式 柱脚锚栓应采用Q235或Q345钢材制作。锚栓的锚固长度应符合现行国家标准建筑地基基础设计规范(GB 50007)的规定，锚栓端部应设置弯钩、或锚板。锚栓的直径不宜小于24mm，且应采用双螺帽。 柱脚底板的锚栓孔径，宜取锚栓直径加510 mm；锚栓垫板的锚栓孔径，取锚栓直径加2mm；锚栓垫板的厚度通常取与底板厚度相同。 锚栓的数目常采用2个或4个。在柱子安装校正完毕后，应将锚栓垫板与柱底板焊牢 。 锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力，应由柱脚底板与其下部的混凝土基础间的摩擦力来抵抗，摩擦力系数取0.4。不满足时设抗剪键：（3）牛腿设计牛腿设计 牛腿根部的V和M为图图图图1.18 1.18 牛腿构造牛腿构造牛腿构造牛腿构造v 焊接工字形截面v 支承加劲肋v 与吊车梁连接为长圆孔v hH/2v 翼缘对接焊，腹板角焊缝v 螺栓直径M16M24（4）摇摆柱与斜梁的连接摇摆柱与斜梁的连接图图图图1.19 1.19 斜梁与摇摆柱的连接构造斜梁与摇摆柱的连接构造斜梁与摇摆柱的连接构造斜梁与摇摆柱的连接构造1.4 压型钢板设计 1.4.1 压型钢板的材料和截面形式压型钢板的材料和截面形式 1.4.1.1 压型钢板材料种类 镀锌钢板：组合楼板 彩色镀锌钢板：屋面板和墙面板 彩色镀铝锌钢板：屋面板和墙面板，价格较贵原板材料：建筑功能、使用条件、使用年限和结构形式 厚度取0.41.6mm，用于组合楼板时不小于0.5mm材料 Q215和Q235钢，工程中多用Q235A1.4.1.2 压型钢板的截面形式截面形式 表示方法 YX波高-波距-有效覆盖宽度：YX35-125-750分类 低波板（波高70mm） 屋面板选用中、高波板 墙板选用低波板图图图图1.20 1.20 压型钢板的截面形式压型钢板的截面形式压型钢板的截面形式压型钢板的截面形式1.5 檩条设计 1.5.1 檩条的截面形式檩条的截面形式 截面形式 实腹式：跨度9m以下 格构式：荷载较大或跨度大于9m图图图图1.24 1.24 实腹式檩条的截面形式实腹式檩条的截面形式实腹式檩条的截面形式实腹式檩条的截面形式图图图图1.25 1.25 格构式檩条格构式檩条格构式檩条格构式檩条1.5.2 檩条的荷载和荷载组合檩条的荷载和荷载组合 和压型钢板类似，只是增加了檩条和悬挂物的自重，组合仍为3种。风载体型系数按CECS 102 附录表A-2采用。 1.5.3 檩条的内力分析檩条的内力分析 檩条为双向受弯构件，在两个主轴的分力为： 图图图图1.26 1.26 实腹式檩条截面的主轴和荷载实腹式檩条截面的主轴和荷载实腹式檩条截面的主轴和荷载实腹式檩条截面的主轴和荷载 qx=qsin0， qy=qcos0简支檩条（墙梁）的内力见下表：对多跨连续梁，计算对多跨连续梁，计算对多跨连续梁，计算对多跨连续梁，计算MMx x时，不考虑活载不利组合，跨中和支座均取时，不考虑活载不利组合，跨中和支座均取时，不考虑活载不利组合，跨中和支座均取时，不考虑活载不利组合，跨中和支座均取q qy yl l2 2/10/101.5.4 檩条的截面选择檩条的截面选择 1.5.4.1 强度计算1.5.4.2 整体稳定计算l l0 0= =b bl l若bx0.7，用bx代替bx计算： 在风吸力的作用下，屋面能阻止上翼缘的侧移和扭转时，受压下翼缘的稳定按规程附录E计算，否则，按前面公式计算。课本第课本第课本第课本第4040页截面有效的判别条件仅供参考，应按页截面有效的判别条件仅供参考，应按页截面有效的判别条件仅供参考，应按页截面有效的判别条件仅供参考，应按GB50018GB50018计算计算计算计算1.5.4.3 变形计算（垂直于屋面方向的挠度）卷边槽形截面，两端简支Z形截面，两端简支v 为檩条挠度容许值： 仅支撑压型钢板的屋面（承受活荷载或雪荷载）时：v=l/150； 尚有吊顶时：v=l/240； 吊顶且抹灰： v=l/3601.5.5 构造要求构造要求 （1）拉条和撑杆的布置图图图图1.27 1.27 拉条和撑杆的布置拉条和撑杆的布置拉条和撑杆的布置拉条和撑杆的布置 拉条和檩条的连接图图图图1.28 1.28 拉条和檩条的连接拉条和檩条的连接拉条和檩条的连接拉条和檩条的连接 （2）檩条和刚架的连接图图图图1.28 1.28 檩条和刚架的连接檩条和刚架的连接檩条和刚架的连接檩条和刚架的连接 （3）檩条的放置方向：卷边朝向屋脊 （4）计算檩条时，不能把隅撑作为檩条的支承点1.6 墙梁、支撑设计 1.6.1 墙梁设计墙梁设计 1.6.1.1 墙梁的截面形式 墙梁一般采用卷边槽钢，有时也可以采用卷边Z形钢。双向受弯构件，可设置拉条。1.6.1.2 墙梁的计算荷载组合（1）1.2 竖向永久荷载+1.4 水平风压力荷载（2）1.2 竖向永久荷载+1.4 水平风吸力荷载若需要计算双力矩双力矩双力矩双力矩B B，按GB50018的附录A。1.6.2 支撑构件的设计支撑构件的设计 交叉支撑和柔性系杆按拉杆设计，受压杆件及刚性系杆按压杆设计。横向水平支撑受力 纵风；斜梁失稳产生的力柱间支撑内力 纵风；纵向吊车制动力；柱失稳产生的力强度：稳定性：截面形式 拉杆：张紧的圆钢 压杆：双角钢组成T形截面或十字形截面；圆管1.6.3 本章小结本章小结 主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：v门式刚架的整体布置v各类构件的计算v节点连接的构造和计算 设计原则：设计原则：设计原则：设计原则：保证结构整体性：整体构成、相互依存力的传递路径和传递过程产生的效应计算和构造的一致性