钢结构设计第一章经典讲义.ppt

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1、第1章 轻型门式刚架结构,1.1 概述1.2 结构形式和布置 1.3 刚架设计1.4 压型钢板设计1.5 檁条设计1.6 墙梁设计1.7 支撑及构造设计,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。,1.1 概述,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

2、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。,正在建设的门式刚架工程实例,山墙抗风柱,吊车梁,天窗架,轻钢结构工业厂房,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。,正在建设中的多层轻钢结构厂房,压型钢板外墙板,主要承重骨架门式刚架 檩

3、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,1.1.1 门式刚架结构的组成,单层轻型钢结构房屋的组成,1.1.2 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,门式刚架结构性能：1.门式刚架屋面体系的整体性可以依靠檩条、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。,2.门式刚架的梁、柱多采用变截面杆件，可以节省材料。3.组成构件的杆件较薄，对制作、涂装、运输、安装的要求高。4.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

4、。,1.1.3 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。3.应用规模：国内每年有一千万平方米的轻钢结构 建筑物竣工。,4.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924m，柱高为4.59m，(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。,5.变截面刚架与等截面刚架的对比:

5、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。6.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,加劲板,地脚螺栓,刚接柱脚工程实例,变截面刚架梁,等截面刚架柱,1.2 结构形式和结构布置,1.2.1 门式刚架的各种结构形式 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、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）,高底跨

6、,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,摇摆柱梁柱节点铰接连接,梁柱节点刚性连接,1.2.2 门式刚架的结构布置1.刚架的建筑尺寸和布置 跨度：一般为9-24m 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0.51.2m 温度分区：纵向温度区段300m 横向温度区段150m,2.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(一般小于200mm)，在天沟附近应布置一道檩条，以便于天

7、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：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。,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4560m；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。

8、,1.3.1 荷载及荷载组合 1.3.2 刚架的内力和侧移计算 1.3.3 刚架柱和梁的设计,1.3 刚架设计,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。,1.3.1荷载及荷载组合,荷载组合原则：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。,

9、在进行刚架内力分析时，荷载效应组合主要有：组合（1）：1.2永久荷载+0.91.4积灰荷载+max屋面均布活荷载、雪荷载+0.91.4(风荷载+吊车竖向及水平荷载)组合（2）：1.0永久荷载+1.4风荷载 组合(1)用于截面强度和构件稳定性计算，组合(2)用于锚栓抗拉计算。,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。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

10、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 刚架内力和侧移计算,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。,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：,1.3.3 刚架柱和梁的设计,腹板屈曲后强度利用：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

11、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。,有效宽度取值：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：,he：腹板受压区有效宽度；：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,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,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

12、面梁柱按压弯构件进行验算。,正应力验算：剪应力验算：,式中：构件有效净截面面积；、对主轴x和y的有效净截面抵抗矩；、对主轴x和y的弯矩。,弯矩作用平面内：弯矩作用平面外：,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,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,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hw2hw。当

13、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。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。,拉力场,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。,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：,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

14、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。,变截面柱在刚架平面内的计算长度 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：查表法（适合于手算）一阶分析法（普遍适用于各种情况，并且适合上机计算)二阶分析法（要求有二阶分析的计算程序）,查表法,柱脚铰接单跨刚架楔形柱的 可由表1-2查得。柱的线刚度K1和梁的线刚度K2分别按下列公式计算：表中和式中、分别为

15、柱小头和大头的截面惯性矩；梁最小截面的惯性矩；半跨斜梁长度；斜梁换算长度系数，见图1-9。当梁为等截面时=1。,在图1-9中，1和分别为第一、二楔形段的斜率。,图19楔形梁在刚架平面内的换算长度系数,柱脚铰接楔形柱的计算长度系数，表12,多跨刚架的中间柱为摇摆柱时，边柱的计算长度应取为,式中 放大系数；计算长度系数，由表12查得，但公式(126)中的 取与边柱相连的一跨横梁的坡面长度，如图1-10所示；摇摆柱承受的荷载；边柱承受的荷载；摇摆柱高度；刚架边柱高度。,引进放大系数的原因是：当框架趋于侧移或有初始侧倾时，不仅框架柱上的荷载Pfi对框架起倾覆作用，摇摆柱上的荷载Pli也同样起倾覆作用。

16、这就是说，图1-10框架边柱除承受自身荷载的不稳定效应外，还要加上中间摇摆柱荷载效应。因此需要根据比值(Plihli)(Pfihfi)对边柱计算长度做出调整。,图1-10 计算边柱时的斜梁长度,摇摆柱的计算长度系数取1.0。对于屋面坡度大于1：5的情况，在确定刚架柱的计算长度时应考虑横梁轴向力对柱刚度的不利影响。此时应按刚架的整体弹性稳定分析通过电算来确定变截面刚架柱的计算长度。,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计算程序得出柱

17、顶水平荷载作用下的侧移刚度K：Hu时，柱计算长度系数可由下列公式计算：,一阶分析法,对柱脚为铰接和刚接的单跨对称刚架(图1-11a),当柱脚铰接时,当柱脚刚接时,中间为非摇摆柱的多跨刚架(图1-11b),当柱脚铰接时,当柱脚刚接时,图1-11 一阶分析时的柱顶位移,当采用计入竖向荷载一侧移效应(即P-u效应)的二阶分析程序计算内力时，如果是等截面柱，取=1，即计算长度等于几何长度。对于楔形柱，其计算长度系数可由下列公式计算：,二阶分析法,式中:构件的楔率；、分别为柱小头和大头的截面高度(图1.12)。,图1-12 变截面构件的楔率,变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算 应分段按公式计算：公式不同

18、于规范中压弯构件在弯矩作用平面外的稳定计算公式之处有两点：截面几何特性按有效截面计算；考虑楔形柱的受力特点，轴力取小头截面，弯矩取大头截面。,斜梁和隅撑的设计斜梁的设计 当斜梁坡度不超过1：5时，因轴力很小可按压弯构件计算其强度和刚架平面外的稳定，不计算平面内的稳定。实腹式刚架斜梁的平面外计算长度，取侧向支承点的间距。当斜梁两翼缘侧向支承点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支承点间的距离。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处不设横向加劲肋时，除应按规范规定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

19、下列公式的要求：,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(山墙处刚架仅布置在一侧)作、为斜梁的侧向支承，隅撑的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。隅撑应根据规范规定按轴心受压构件的支撑来设计。隅撑截面选用单根等边角钢，轴向压力按下式计算：当隅撑成对布置时，每根隅撑的计算轴压力可取上式计算值的一半。需要注意的是，单面连接的单角钢压杆在计算其稳定性时，不用换算长细比，而是对f值乘以相应的折减系数。,刚架横梁刚度和柱顶水平位移验算横梁容许挠度：柱顶水平容许位移：式中、分别为刚架横梁的跨度和柱的高度。,刚架节点设计,刚架横梁与柱拼装节点刚架横梁

20、屋脊拼装节点柱脚设计牛腿设计,斜梁与柱的连接及斜梁拼接 一般采用高强螺栓端板连接，按刚接节点设计，其形式：,端板竖放,端板斜放,端板平放,（a）端板竖放,（b）端板斜放,（c）端板平放,（d）斜梁拼接,刚架斜梁与柱的连接及斜梁间的拼接,高强螺栓计算,验算最不利螺栓的拉力：横梁与柱在连接处传递的弯矩；最远一排螺栓至承压点的距离；螺栓列数；任意一排螺栓至承压点的距离；一个螺栓所能承受的抗拉容许承载力。,分析研究表明，外伸式连接转动刚度可以满足刚性节点的要求。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中心线上。上翼缘两侧对称设置4个螺栓时，每个螺栓承受下面公式表达的拉力，并依此确定螺栓直

21、径：当受拉翼缘两侧各设一排螺栓不能满足承载力要求时，可以在翼缘内侧增设螺栓。,螺栓排列应符合构造要求，下图的，应满足扣紧螺栓所用工具的净空要求，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为3倍螺栓直径，最大距离不应超过400mm。,端板的厚度t可根据支承条件按下列公式计算，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。(a)伸臂类端板(b)无加劲肋类端板,(c)两边支承类端板当端板外伸时当端板平齐时(d)三边支承类端板,在门式刚架斜梁与柱相交的节点域，应按下列公式验算剪应力：,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

22、缝。在端板设置螺栓处，应按下列公式验算构件腹板的强度：当 时，当 时，,节点构造设计 节点有加腋与不加腋两种基本形式。在加腋形式中又有梯形加腋与曲线加腋之分，一般采用梯形加腋并在加腋部分的两端设置加劲肋及侧向支撑，以保证该加腋部分的稳定性，防止侧向压屈。加腋连接可使截面的变化符合弯矩图形的要求，并大大提高了刚架的承载能力。下图为加腋节点图。,横梁屋脊拼装节点图,柱脚设计根据受力要求，柱脚分刚接柱脚和铰接柱脚两类，当吊车起重量5吨时应考虑设置刚性柱脚。本工程实例：吊车吨位20吨，柱脚形式为刚接柱脚，主要用来传递吊车荷载、风荷载和结构自重。,柱脚形式,平板式铰接柱脚,刚接柱脚,一般情况,当有桥式吊

23、车或刚架侧向刚度过弱时,平板式铰接柱脚,刚接柱脚,柱脚的计算一、底板的计算1、底板的平面尺寸底板面积：式中 柱轴心压力设计值；基础混凝土轴心抗压强度设计值；锚栓孔面积。,按构造要求确定底板宽度：式中 柱截面宽度或高度；靴梁厚度；底板悬臂长度。再根据底板面积确定底板长度。,2、底板的厚度底板的厚度决定于板的抗弯强度。式中：为底板承受的最大弯矩值。,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 50007-2002)的规定，锚栓端部按规定设置弯钩或锚板。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

24、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。此水平剪力可由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。,靴梁的构造与计算(1)靴梁的高度由靴梁与柱的连接焊缝长度决定。(2)靴梁厚度可取与柱翼缘的厚度相同。(3)靴梁与底板间的水平焊缝计算按承受全部轴 压力N计算。(4)靴梁的抗弯和抗剪强度验算，按双悬臂简支梁计算。,柱脚构造详图,铰接柱脚,刚接柱脚,加劲板,加劲板,地脚螺栓,浇入素混凝土保护地脚锚栓,牛 腿 当有桥式吊车时，需在刚架柱上设置牛腿，牛腿与柱焊接连接，其构造见下图。牛腿根部所受剪力V、弯矩M根据下式确定：,牛腿截面一般采用焊接工字形截面，根部截面尺寸根据V和m确定，做成变截面牛腿时，端部截面高度h不宜小于日2。在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。高强度螺栓的直径可根据需要选用，通常采用M16-24螺栓。牛腿上翼缘及下翼缘与柱的连接焊缝均采用焊透的对接焊缝。牛腿腹板与柱的连接采用角焊缝，焊脚尺寸由剪力V确定。,摇摆柱与斜梁的连接构造摇摆柱与斜梁的连接比较简单，构造图如下：,刚架设计小结,刚架内力计算变截面柱在平面内的整体稳定计算变截面柱在平面外的整体稳定计算斜梁的设计刚架节点设计,