门式钢架资料Word文档下载推荐.docx
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门式刚架体系的整体性可以依靠檩条、墙梁及隅撑来保证，从而减少了屋盖支撑的数量，同时支撑多用张紧的圆钢做成，很轻便。
门式刚架的梁、柱多采用变截面杆，可以节省材料。
图1—2所示刚架，柱为楔形构件，梁则由多段楔形杆组成。
梁、柱腹板在设计时利用屈曲后强度，可使腹板宽厚比放大（腹板厚
度较薄）。
当然，由于变截面门式刚架达到极限承载力时，可能会在多个截面处形成塑性铰而使刚架瞬间形成机动体系，因此塑性设计不再适用。
使门式刚架结构轻型化的措施还有：
在多跨框架中把中柱
做成只承重力荷载的两端铰接柱，对平板式铰接柱脚考虑其实际存在的转动约束，利用屋面板的蒙皮效应和适当放宽柱顶侧移的限值等。
设计中对轻型化带来的后果必须注意和正确处理。
风力可使轻型屋面的荷载反向，就是一例。
组成构件的杆件较薄，对制作、涂装、运输、安装的要求高。
在门式刚架结构中，焊
接构件中板的最小厚度为3.Omm冷弯薄壁型钢构件中板的最小厚度为1.5,nm；
压型钢板的最小厚度为0.4mm板件的宽厚比大，使得构件在外力撞击下容易发生局部变形。
同
时，锈蚀对构件截面削弱带来的后果更为严重
构件的抗弯刚度、抗扭刚度比较小，结构的整体刚度也比较柔。
因此，在运输和安装过程中要采取必要的措施，防止构件发生弯曲和扭转变形。
同时，要重视支撑体系和隅撑的布置，重视屋面板、墙面板与构件的连接构造，使其能参与结构的整体工作（蒙皮效应）。
1．1．3门式刚架结构的应用情况
门式刚架轻型房屋结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期。
近十多年来特别是中国工程建设标准化协会编制的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECSl02：
98）
（以下简称《规程》）颁布实行后，其应用得到了迅速的发展，主要用于轻型的厂房、仓库、建材等交易市场、大型超市、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。
目前，国内大约每年有上：
千万平方米的轻钢建筑竣工。
国外也有大量钢结构制造商进入中国，加上国内几百家的轻钢结构专业公司和制造厂，市场竞争也日趋激烈。
1．2结构形式和结构布置
1．2．1门式刚架的结构形式
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（图1-30a、b）、双跨（图
1-3e、f、g、i）和多跨（图1—3c、d），按屋面坡脊数可分为单脊单坡（图1—2a）、单脊双坡（图l-3b、c、d、g、h）、多脊多坡（图1-3e、f、i）。
对于多跨刚架，在相同跨度条件下，多脊多坡与单脊双坡的刚架用钢量大致相当，常作成一个屋脊的大双坡屋面。
这是因为金属压型板屋面为长坡面排水创造了条件。
而多脊
多坡刚架的内天沟容易产生渗漏及堆雪现象。
不等高刚架（图1—3f）这一问题更为严重，在实际工程中应尽量避免这种刚架形式。
单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车房屋时，当刚架柱不是特别高且风荷载也不很大时，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱（图1—3c、g），中间摇摆柱和梁的连接构造简单，而且制作和安装都省工。
这些柱不参与抵抗侧力，截面也比较小。
但是在设有桥式吊车的房屋时，中柱宜为两端刚接（图1—3d），以增加刚架的侧向刚度。
中柱用摇摆柱的方案体现“材料集中使
用”的原则。
边柱和梁形成刚架，承担全部抗侧力的任务（包括传递水平荷载和防止门架侧移失稳）。
由于边柱的高度相对比较小（亦即长细比比较小），材料能够比较充分地发挥作用。
根据跨度、高度及荷载不同，门式刚架的梁、柱可采用变截面或等截面实腹焊接工字形截面或轧制H形截面。
设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。
变截面构件通常改变腹板的高度，作成楔形；
必要时也可改变腹板厚度。
结构构件在运输单元内一般不改变翼缘截面，当必要时可改变翼缘厚度。
门式刚架的柱脚多按铰接支承设计，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，宜将柱脚设计成刚接。
门式刚架轻型房屋屋面坡度宜取1／20-1／8，在雨水较多的地区取其中的较大值。
门式刚架可由多个梁、柱单元构件组成，柱一般为单独单元构件，斜梁可根据运输条件划分为若干个单元。
单元构件本身采用焊接，单元之间可通过端板用高强度螺栓连接。
门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂起重机和起重量不大于20t的轻、中级工作制单梁或双梁桥式吊车。
1．2．2结构布置
1．2．2．1刚架的建筑尺寸和布置
门式刚架的跨度取横向刚架柱间的距离，跨度宜为9—36m宜以3m为模数，但也可
不受模数限制。
当边柱宽度不等时，其外侧应对齐。
门式刚架的高度应取地坪柱轴线与斜
梁轴线交点的高度，宜取4.5〜9m必要时可适当放大。
门式刚架的高度应根据使用要求的室内净高确定，有吊车的厂房应根据轨顶标高和吊车净空的要求确定。
柱的轴线可取柱下端（较小端）中心的竖向轴线，工业建筑边柱的定位轴线宜取柱外皮。
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。
门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m或9m
挑檐长度可根据使用要求确定，宜为0.5—1.2m，其上翼缘坡度取与刚架斜梁坡度相
同。
门式刚架轻型房屋的构件和围护结构，通常刚度不大，温度应力相对较小。
因此其温度分区与传统结构形式相比可以适当放宽，但应符合下列规定：
纵向温度区段<
300m；
横向温度区段<
150m；
当有计算依据时，温度区段可适当放大。
当房屋的平面尺寸超过上述规定时，需设置伸缩缝，伸缩缝可采用两种做法：
（a）设置双柱；
（b）在搭接檩条的螺栓处采用长圆孔，并使该处屋面板在构造上允许涨缩。
对有吊车的厂房，当设置双柱形式的纵向伸缩缝时，伸缩缝两侧刚
架的横向定位轴线可加插入距（图1-4）。
在多跨刚架局部抽掉中柱或边柱处，可布置托架或托梁。
1．2．2．2檩条和墙梁的布置
屋面檩条一般应等间距布置。
但在屋脊处，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（一般小于<
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，应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。
侧墙墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。
当采用压型钢板作围护面时，墙梁宜布置在刚架柱的外侧，其间距由墙板板型和规格确定，且不大于由计算确定的数值。
1．2．2．3支撑和刚性系杆的布置
支撑和刚性系杆的布置应符合下列规定：
（1）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。
（2）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。
（3）端部支撑宜设在温度区段端部的第_或第二个开间。
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有吊车时不宜大于60m。
（4）当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；
当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当
设置支撑。
（5）当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。
（6）在刚架转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。
（7）由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。
（8）刚性系杆可由檩条兼任，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H形钢或其他截面形式的杆件。
门式刚架轻型房屋钢结构的支撑宜用十字交叉圆钢支撑，圆钢与相连构件的夹角宜接
近45°
，不超出30°
—60°
。
圆钢应采用特制的连接件与梁、柱腹板连接，校正定位后张
紧固定。
张紧手段最好用花篮螺丝。
在设有起重量大于15t桥式吊车的跨间，柱间支撑应参照第2章2．1．1．3节的要求设置。
当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢支撑。
当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。
支撑虽然不是主要承重构件，在房屋结构中却是不可或缺的，柱间支撑和屋盖支撑的作用和形式在第2章的2．1．3节还有详尽的论述。
1．3刚架设计
1．3．1荷载及荷载组合
设计门式刚架结构所涉及的荷载，包括永久荷载和可变荷载，除现行《规程》（CECSI02:
2002）有专门规定者外，一律按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009—2002（以下简称《荷载规范》）采用。
1．3．1.1永久荷载
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、墙面构件和刚架自身等。
1．3．1．2可变荷载
（1）屋面活荷载当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值（按水平
投影面积计算）应取0.5kN/吊;
对受荷水平投影面积超过60吊的刚架结构，计算时采用的竖向均布活荷载标准值可取0.3kN/mL设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载（人和小工具的重力），其标准值为1kN。
（2）屋面雪荷载和积灰荷载屋面雪荷载和积灰荷载的标准值应按《荷载规范》的规定
采用，设计屋面板、檩条时并应考虑在屋面天沟、阴角、天窗挡风板内和高低跨连接处等
的荷载增大系数或不均匀分布系数。
（3）吊车荷载包括竖向荷载和纵向及横向水平荷载，按照《荷载规范》的规定米用。
（4）地震作用按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011—2001的规定计算。
（5）风荷载：
按《规程》附录A的规定，垂直于建筑物表面的风荷载可按下列公式计算:
（1
—1）
式中wk――风荷载标准值（kN/m2）；
W0――基本风压，按照《荷载规范》的规定采用;
卩z――风荷载高度变化系数，按照《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；
风荷载体型系数。
刚架的风荷载体型系数卩s按照表1-1及图1-4的规定采用。
此表适用于双坡及单坡刚架，
其屋面坡度不大于10°
，屋面平均高度不大于18m檐口高度不大于屋面的最小水平尺寸
注：
⑴表中正号（压力）表示风力由外朝向表面；
负号（吸力）表示风力自表面向外离开，下同；
（2）屋面以卜的周边伸出部位，对1区和5区可取+1.3,对4区和6区可取-1.3,这些系数包
括了迎风面和背风面的影响；
（3）当端部柱距不小于端区宽度时，端区风荷载超过中间区的部分，宜直接由端刚架承受；
（4）单坡屋面的风荷载体型系数，可按双坡屋面的两个半边处理（图1-5）。
上述风荷载体型系数卩s的取值方法主要是参考美国金属房屋制造商协会（MBMA编制
的《低层房屋系统手册》（1996）中的相关内容给出的。
它包含了阵风的影响，同时考虑内外
风压最大值的组合，较《荷载规范》的规定详细、合理。
对多脊多坡屋面的风荷载体型系数，MBM手册中没有给出，《规程》规定仍按现行国家标准《荷载规范》的有关条文采用。
1．3．1．3荷载组合效应
荷载效应的组合一般应／顷从《荷载规范》的规定。
针对门式刚架的特点，《规程》给出下列组合原则：
（1）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；
（2）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；
（3）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；
（4）多台吊车的组合应符合《荷载规范》的规定；
（5）当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。
在进行刚架内力分析时，所需考虑的荷载效应组合主要有：
（1）1.2x永久荷载+0.9x1.4x［积灰荷载+max｛屋面均布活荷载、雪荷载㈠+0.9x1.4x
（风荷载+吊车竖向及水平荷载）；
（2）1．0x永久荷载+1．4x风荷载
组合
（1）用于截面强度和构件稳定性计算。
在进行效应叠加时，起有利作用者不加，但必须注意所加各项有可能同时发生。
为此，不能在计人吊车水平荷载效应的同时略去竖向荷载效应。
组合
（2）用于锚栓抗拉汁算，其永久荷载的抗力分项系数取1.0。
当为多跨有吊
车框架时，在组合
（2）中还应考虑邻跨吊车水平力的作用。
由于门式刚架结构的自重较轻，地震作用产生的荷载效应一般较小。
设计经验表明：
当抗震设防烈度为7度而风荷载标准值大于0.35kN/m,或抗震设防烈度为8度而风荷载标准值大于0.45kN/吊时，地震作用的组合一一般不起控制作用。
1．3．2刚架的内力和侧移计算
1．3．2．1内力计算
对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法，但后一种情况在实际工程中已很少采用。
进行内力分析时，通常把刚架当作平面结构对待，一般不考虑蒙皮效应，只是把它当作安全储备。
当有必要且有条件时，可考虑屋面板的应力蒙皮效应。
蒙皮效应是将屋面板视为沿屋面全长伸展的深梁，可用来承受平面内的荷载。
面板可视为承受平面内横向剪力的腹板，其边缘构件可视为翼缘，承受轴向拉力和压力。
与此类似，矩形墙板也可按平面内受剪的支撑系统处理。
考虑应力蒙皮效应可以提高刚架结构的整体刚度和承载力，但对压型钢板的连接有较高的要求。
变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计
算。
计算时将变截面的梁、柱构件分为若干段，每段的几何特性当作常量，也可采用楔形单元。
地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。
当需要手算校核时，可采用一般结构力学方法（如力法、位移法、弯矩分配法等）或利用静力计算的公式、图表进行。
根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面，控制截面的内力组合主要有：
⑴最大轴压力Nmax、和同时出现的M及V的较大值。
（2）最大弯矩Mmax和同时出现的V及N的较大值。
这两种情况有可能是重合的。
以上是针对截面双轴对称的构件而言的。
如果是单轴对称截面，则需要区分正、负弯矩，参看第2章2.2.3节。
鉴于轻型门式刚架自重很轻，锚栓在强风作用下有可能受到拔起的力，还需要第3种组合，即：
（3）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。
1.3.2.2侧移计算
变截面门式刚架的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。
侧移计算可以和内力分析——样在计算机上进行。
《规程》给出柱顶侧移的简化公式，可以在初选构件截面时估算侧移刚度，以免因刚度不足而需要重新调整构件截面。
单层门式刚架在风荷载标准值作用下的柱顶侧移限值参见本教材上册《钢结构基础》
第6章的有关内容。
它虽然不涉及安全承载，却是不可忽视的设计指标。
《规程》在2002年修订后，柱顶位移的计算限值放宽为不超过h/60,已经相当宽松。
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（和）梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚；
把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。
1.3.3刚架柱和梁的设计
1.3.3.1梁、柱板件的宽厚比限值和腹板屈曲后强度利用
（1）梁、柱板件的宽厚比限值（截面尺寸见图1—6）：
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：
式中b1、t——受压翼缘的外伸宽度与厚度；
hw、tw――腹板的高度与厚度。
（2）腹板屈曲后强度利用
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。
在上册第4章4.6.4节曾经分析过受压板屈曲后继续承载的原理并给出GB50017规范关于梁腹板利用屈曲后强度的计算公式。
这些公式适用于简支梁。
门式刚架的构件剪应力最大处往往弯曲正应力也最大，翼缘对腹板没有约束作用，因而计算公式不同于GB50017。
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60mmTm时，其抗剪承载
力设计值可按下列公式计算：
式中fv——钢材的抗剪强度设计值；
f'
v――腹板屈曲后抗剪强度设计值；
hw——腹板板幅的平均高度；
入w参数，按公式（1-6）进行计算。
式中a――腹板横向加劲肋的间距；
kt——腹板在纯剪切荷载作用下的屈曲系数。
当不设中间加劲肋时kT=5.34。
公式（1-5）是参照欧洲规范的内容并略加修改后给出的，是一种较为简便的计算方法，
计算结果属于下限。
当腹板高度变化超过60mm7m时，公式（1-5）不再适用。
（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：
当腹板全部受压时he=phw
（1-8a）
当腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区有效宽度为
式中he——腹板受压区有效宽度；
p——有效宽度系数，按下列公式进行计算：
当Xp<
0.8时p=1（1-9a）
当0.8<
入pW1.2时p=1-0.9（入p-0.8）（1-9b）
当入p>
1.2时p=0.64-0.24（入p-1.2）（1-9e）
式中入p——与板件受弯、受压有关的参数，按公式（1—10）计算。
式中K——板件在正应力作用下的屈曲系数。
B=c2/厂为腹板边缘正应力比值，以压为正，拉为负，1>
p>
-1；
当腹板边缘最大应力C1<
f时，计算入p时可用YRG代替（1-10）式中的fy，丫R为抗力分项系数，对Q235钢材，yr=1.087;
对Q345钢材，yr=1.111。
为简单起见，可统一取丫R=1.1o
根据公式（1-8）和（1-9）算得的腹板有效宽度he，沿腹板高度按下列规则分布（图1-7）:
当腹板全截面受压，即B>
0时
当腹板部分截面受拉，即B<
he1=0.4he（1-13）
he2=0.6he（1-14）
1.3.3.2
刚架梁、柱构件的强度计算
（1）
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V<
0.5Vd时
MwMe（1—15a）
当0.5Vd<
V<
Vd时
当截面为双轴对称时
（1-16）
Mf=Af（hw+t）f式中Mf——两翼缘所承担的弯矩；
W――构件有效截面最大受压纤维的截面模量;
M――构件有效截面所承担的弯矩，M=W；
Af——构件翼缘的截面面积;
Vd——腹板抗剪承载力设计值，按公式（1-4）计算。
（2）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:
式中Ae——有效截面面积；
MNf——兼承压力时两翼缘所能承受的弯矩。
1.3.3.3梁腹板加劲肋的配置
梁腹板应在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处和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。
但《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hwvi2hw。
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（图1-8）。
因此，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:
式中
Ns――拉力场产生的压力；
Tcr――利用拉力场时腹板的屈曲剪应力；
入w参数，按公式（1-6）计算。
加劲肋稳定性验算按CB50017规范的规定进行，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。
1．3．3．4变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算变截面柱在刚架平面内的整体稳定按下列公式计算：
式中N0——小头的轴线压力设计值；
M1——大头的弯矩设计值；
Ae0——小头的有效截面面积；
We1——大头有效截面最大受压纤维的截面模量；
4XY――杆件轴心受压稳定系数，按楔形柱确定其计算长度，取小头截面的回转半径,由GB50017规范查得；
Bmx――等效弯矩系数。
由于轻型门式刚架都属于有侧移失稳，故BmX=1.0；
NEX0――参数，计算入时回转半径i0以小头截面为准。
当柱的最大弯矩不出现在大头时，M和wei，分别取最
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