门式刚架设计讲解

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1、- 76 - 1 综合概述门式刚架是典型的轻型钢结构，也是目前国内应用最为广泛的轻型钢结构体系。早期典型的门式刚架是1910年布鲁塞尔世博会的德国机械工程展厅，采用了多层阶形钢框架结构；1932年建成的德国埃森煤矿税收协会采用了门式钢框架结构。1954年由托罗哈设计的德国地铁站，采用的是典型的门式刚架结构，他把装饰效果与门式刚架的受力完美结合。在国外预制轻钢建筑进入中国之前，中国就开始了自己的轻钢建筑体系的研究。20世纪7080年代，部分设计人员已经开始尝试全钢结构建筑；但由于钢产量的限制及设计方法陈旧，钢结构建筑在中国发展举步维艰。在改革开放的十多年间，数不清的国外轻钢建筑厂商驻入中国，无数

2、的本地轻钢建筑公司涌现。我国钢结构体系的发展大致经过了这样的时期：1990年以前，钢结构建筑在工业领域中的主要应用是重型厂房中的排架结构体系，在民用领域中的主要应用是螺栓球或焊接球网架结构；自1990年代起，钢结构在我国进入了快速的全面的发展和应用时期。门式刚架结构被大量应用于工业厂房、超市、仓库中；钢框架在多高层建筑中也得到了越来越多的应用；薄壁彩钢板大量应用于各类结构的维护体系和无梁无柱穹顶中；钢管直接汇交焊接结构及其与高强度拉索的组合结构已推广应用于各类体育、文化等公共建筑中；冷弯薄壁型钢截面除广泛应用于檩条等维护结构构件外也开始作为结构的主要受力构件或其组成部件得到应用。现代钢结构体系

3、由热轧截面、焊接截面和冷弯薄壁型钢截面构件组成。人们往往将钢结构划分为普通钢结构和轻型钢结构两大类。但是，究竟如何定义或区分这两类结构，却存在着很多不同的标准。例如，结构跨度的标准，结构层数的标准，结构用途的标准，吊车吨位的标准等。这些标准都有一定的合理性，但是都是建立在结构体系外在因素或特征基础上的。事实上，轻型钢结构体系的本质是“轻”，实现这一本质的条件是截面板件要“薄”，“薄”的板件受力时，容易造成局部失稳，局部失稳后，构件仍然具有承载能力，所以设计时必然要考虑板件局部失稳后的极限强度。由于用地日益紧张，有的建设方为了节约用地成本，往往在门式刚架内设置局部夹层，用作办公或者是仓储。这样就

4、改变了门式刚架使用功能单一性，超出了门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）（以下简称门刚规程）的应用范围，而实际上有许多单位在设计这种类型的结构体系时，仍然采用门刚规程。也有夹层及以下部分采用钢结构设计规范（至少在材料的构造取值上），上部仍然采用门刚规程。我们建议按照后者采用。一榀门式刚架的成形，它包括设计、加工制造和施工安装三个环节；本次仅对门式刚架的设计进行介绍，包含的具体内容有：主结构系统、次结构系统和围护系统三大方面。希望通过本次交流，加深我们设计人员对门式刚架设计的认识和了解；掌握门式刚架结构的传力过程；在进行结构优化设计时，在保证结构安全的前提下，能够很好的确定

5、构件的尺寸，做到经济合理；掌握门式刚架设计的一些简单技巧；有益于今后的设计工作。让我们大家：共同学习 共同发展 共同成长 共同进步。2 门式刚架的特点及其应用范围2.1 门式刚架的特点：1、 采用轻型屋面，自重轻，可减少梁、柱截面尺寸及基础尺寸。2、 在大跨度建筑中增设中间柱做成一个屋脊多跨大双坡屋面，以避免内天沟排水中间柱可采用钢管制作的上下铰接摇摆柱，占空间小。3、 刚架侧向刚度可籍檩条和墙梁的隅撑保证，以减少纵向刚架构件翼缘宽度。4、 跨度较大的刚架可采用改变腹板高度、厚度及其翼缘宽度的变截面。5、 刚架的腹板允许其部分失稳，利用其屈曲后的强度，即按有效宽度设计，可减少腹板厚度，不设或少

6、设横向加劲板。6、 竖向荷载通常是设计的控制荷载，地震作用一般不起控制作用；但当风荷载较大或房屋的高度较高时，风荷载的作用不可忽视。7、为使非地震区支撑做得轻便，可采用张紧的圆钢。有时7度设防的地区也采用圆钢支撑。8、 结构构件可全部在工厂制作，工业化程度高， 构件单元可根据运输条件划分(一般不超过12米，特殊情况下不超过15米)单元之间用螺栓连接，安装方便快速，土建施工量少。9、 门式刚架的最基本的形式:2.2. 门式刚架的适用范围 1、门式刚架属于轻型钢结构设计范围，轻型钢结构设计的控制原理是：“结构构件采用较薄板件，设计时考虑板件局部失稳后的后继强度的钢结构体系”。 (门式刚架设计是钢结

7、构设计中最简单的设计工作之一)门式刚架可以简化为由梁、柱(梁、柱可以是实腹式，也可以是格构式)组成的平面结构体系。形式种类多样，在单层工业和民用房屋的钢结构中，如工厂车间、物流仓库、超市、学校、车站、码头等应用较多的为单跨、双跨或多跨的单、双坡门式刚架，有时兼有局部夹层。下图为典型工字型柱、梁截面图。2、 适用范围：门式刚架通常用于跨度936米，柱距69米，柱高4.512米，最高时不超过40米。当设置桥式吊车时,宜为起重量不超过20t的中、轻级工作制（）的吊车；设置悬挂吊车时，其起重量不宜大于t。吊车起重量5t时，柱脚可以采用铰接；起重量 5t时，柱脚一定要采用刚接。多层房屋上增加的单层钢结构

8、房屋，也可以按照门式刚架设计处理。2.3. 门式刚架的布置原则 1、门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度（伸缩缝间距），纵向温度区段不大于300米，横向温度区段不大于150米。当有计算依据时，温度区段长度可适当加大。当需要设置伸缩缝时，可采用两种做法：直接把此处檩条及檩托板的连接孔设成长远圆孔，同时使该处的屋面板在构造上允许膨胀或收缩。设双柱。有吊车梁时，吊车梁与柱的连接处宜采用长圆孔。2、在多跨刚架局部抽掉中间柱或外边柱，可布置托梁或托架。3、屋面檩条的布置，应考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条供货规格等因素的影响。屋面压型钢板厚度和檩条间距应按计算确定。（屋面压型钢板的生产厂家一般

9、都根据板厚不同，计算了檩条的适用间距，设计时多数采用1.5米的檩距。）4、山墙可设置由斜梁、抗风柱、墙梁及其支撑组成的山墙墙架，这时斜梁完全支撑在抗风柱和边柱上，斜梁的高度可以很小；或采用门式刚架。3 结构材料3.1 主要结构材料：Q235 钢和Q345钢l强度钢材的强度有比例极限p、弹性极限e和屈服点(流限)fy。这三个指标实际上可用屈服点作为代表，设计时认为这是钢材可以达到的最大应力。屈服点fy高，则可减轻结构自重、节约钢材和降低造价。此外还有一个强度指标即抗拉强度(极限强度)f，这是钢材破坏前能够承受的最大应力。虽然在达到这个应力时，钢材巳由于产生很大的塑性变形而失去使用性能，但是抗拉强

10、度f高，则可增加结构的安全保障，故ffy的值可以看作是钢材强度储备多少的一个系数。 必须注意，fy、f值是由单向均匀受力的静力拉伸试验获得的，这样的指标也只有在承受静力荷载，而且应力单向分布较均匀的结构或构件中才具有实际意义。强度指标虽然是结构设计的重要依据之一，但单凭这一指标不足以完全判定结构是否安全可靠，还需考虑下面所述因素。2塑性 钢材的塑性一般是指当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形(塑性变形)而不立即断裂的性质。衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率和断面收缩率。 伸长率是应力应变曲线中最大应变值，等于试件拉断后的原标距间长度的伸长值(包括残余塑性变形)和原标距比值的百分率，当L0/

11、d0=10时，以10表示，当L0/d0=5时，以5表示。值可按下计算：=(L1-L0)/L0100%(2-1)式中：-伸长率；L0-试件原标距长度；L1-试件拉断后标距间的长度；d0-试件中间部分的直径。 断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率，按下式计算： =(A0-A1)/A0100% (2-2)式中：A0-试件原来的断面面积； A1-试件拉断后颈缩区的断面面积。断面收缩率是表示钢材在颈缩区的应力状态(形成同号受拉的立体应力区域)条件下，所能产生的最大塑性变形量，它也是衡量钢材塑性的一个指标。由于伸长率是钢材的均匀变形和集中变形(颈缩区)的总和所确定的，所

12、以它不能代表钢材的最大塑性变形能力。断面收缩率是衡量钢材塑性的一个比较真实和稳定的指际。不过在测量时容易产生较大的误差。在实际工程中，结构或构件中的个别区域出现应力集中，个别地方的材料有缺陷或者实际受力与计算假定不相符合等是难以避免的。当钢材具有良好的塑性时，在受力达到一定程度后，个别区域材料屈服而产生塑性变形，构件内部应力可以重新分布而趋于比较均匀，不致因个别区域首先出现裂缝并扩展到全构件而导致破坏。尤其是在动力荷载(包括冲击荷载和振动荷载)作用下的结构或构件，材料的塑性好坏常是决定结构是否安全可靠的主要因素之一，所以钢材塑性指标比强度指标更为重要。 3韧性 钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂

13、过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它与钢材的塑性有关而又不同于塑性，它是强度与塑性的综合表现。钢材的强度和塑性指标是由静力拉伸试验获得的，这些指标用于承受动力荷载的结构时，显然有很大的局限性。因此，必须相应地用动力荷载进行试验，从而获得更可靠的指标。韧性指标是由冲击试验获得的，它是判断钢材在冲击荷载作用下是否出现脆性破坏危险的重要指标之一。 在冲击试验中，一般采用截面为10l0mm2，长度为55mm，中间开有小槽(缺口)的长方形试件，放在摆锤式冲击试验机上进行试验。冲断试样后，可以从试验机的刻度盘上直接读出冲击功Ak(单位为N-m)值。此值除以试件缺口处的净截面面积Ai(单

14、位为cm2)，所得的值即为冲击韧性值，用ak表示 ak=Ak/AiN-m/mm2(2-3)钢结构或构件的脆性断裂常是从应力集中处开始的，冶金或轧制过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是脆性断裂的发源地。为此，冲击试验的试件做成带有缺口的。 钢材冲击韧性的数值，随试件刻槽（缺口)的形式和试验机的种类不同而相差很大，各国采用的缺口形式并不统一，主要三种类型的缺口，目前我国规定采用夏比V型缺口的试件。 4可焊性 钢材的可焊性，是指在一定材料、工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。可焊性可分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。 施工上的可焊性，是指焊缝金属产生裂纹的敏感性以

15、及由于焊接加热的影响、近缝区钢材硬化和产生裂纹的敏感性。可焊性好是指在一定的焊接工艺条件下，焊接金属和近缝区钢材均不产生裂纹。使用性能上的可焊性，是指焊接接头和焊缝的缺口韧性(冲击韧性)和热影响区的延伸性(塑性)。要求焊接结构在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。 目前，国内外所采用的可焊性试验方法很多。我国、日本和苏联既采用施工上的可焊性试验方法，也采用使用性能上的可焊性试验方法，而美国则对钢材焊后的冲击韧性进行大量研究工作，英国的可焊性试验，近年来偏重于对裂纹的研究。 每一种可焊性试验方法都有其特定的约束程度和冷却速度，它们与实际施焊的条件相比有一定距离。因此可焊性试验结果的评定仅具有相

16、对比较的参考意义，而不能绝对代表实际中的情况，更不能单纯地根据某种试验方法来确定操作规程及措施。 5冷弯性能 冷弯性能是指钢材在冷加工(即在常温下加工)产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。钢材的冷弯性能是用冷弯试验来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，并显示其缺陷的程度。冷弯试验方法是在材料试验机上，通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至某一规定角度时(一般取=180)，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如无裂纹、裂断或分层，即认为试件冷弯性能合格。冷弯试验一方面是检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程，另一方面通过试验还能暴露出钢材的内部缺陷(颗粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷)

17、，鉴定钢材的塑性和可焊性。冷弯试验是鉴定钢材质量的一种良好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验等的补充试验。冷弯性能是一项衡量钢材力学性能的综合指标。 6耐久性 影响钢结构使用寿命的因素较多。首先由于钢材的耐腐蚀性较差，必须采取防护措施，避免钢材的腐蚀，这是钢结构的一大弱点。新建的结构需要油漆，已建成的结构也要根据使用的具体条件定期维护，这就使钢结构的维修费用较其他结构为高。 随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变，出现所谓“时效”现象。根据结构的使用要求和所处的环境条件，必要时对钢材进行快速时效后测定钢材的冲击韧性，以鉴定钢材是否适用。其次由于钢材在高温和长期荷载作用下的破坏强度远比短期的静力

18、拉伸试验的强度低得多，所以在长期高温条件下工作的钢材，应另行测定其“持久强度”。 钢结构在多次的重复荷载或交变荷载作用下，虽然钢材应力低于屈服点fy，也往往会发生破坏。这种现象叫做钢材的疲劳现象。疲劳破坏与脆性破坏相似，破坏之前没有显著的变形和明显的迹象，破坏是突然发生的，常易引起严重后果。因此，在重复和交变荷载作用下，需要确定钢材的另一个力学性能指标“疲劳强度”。 7化学成分对钢材力学性能的影响 钢结构中常用的钢材，例如Q235钢，在一般情况下，既有较高的强度fy235Nmm2，又有很好的塑性1021%和韧性k0.70N-m/mm2，是比较理想的承重结构材料。但是，仍有可能出现脆性断裂。 促

19、使钢材发生脆性断裂的因素很多，主要的因素是钢材的化学成分，钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，并与钢材的力学性能有密切关系。钢的基本元素是铁(Fe)，普通碳素钢中的纯铁约占99，此外便是碳(C)、锰(Mn)和硅(Si)等杂质元素，以及在冶炼中不易除尽的有害元素硫(S)、磷(P)、氧(O)，氮(N)等。碳和其他元素虽然含量不大(仅占1%左右)，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。因此，在选用钢材时要注意钢的化学成分 在普通碳素钢中，碳是除铁以外最主要的元素，它直接影响着钢材的强度，塑性、韧性和可焊性等。随着含碳量的增加，钢材的屈服点和抗拉强度提高，但塑性和韧性，特别是负温冲击韧性下降。同时,钢

20、材的耐腐蚀性能，疲劳强度和冷弯性能也却明显下降，并将恶化钢材的可焊性和增加低温脆断的危险性。因此建筑钢的含碳量不宜大高，一般不过0.22%，在焊接结构中则应限制在0.20以下。硅一般作为脱氧剂加入普通碳素钢，用以制成质量较高的镇静钢。硅有使铁液在冷却时形成无数结晶中心的作用，因而可使纯铁体的晶粒变为细小而均匀。适量的硅可以使钢材的强度大为提高，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性均无显著的不良影响。一般镇静钢的含硅量为0.100.30，如含量过高(达1左右)将会降低钢材的塑性、冲击韧性，抗锈性和可焊性。锰是一种弱脱氧剂。锰与铁、碳的化合物既能溶解于纯铁体中，又能溶解于渗碳体中，有强化纯铁体和珠

21、光体的双重作用，是一种十分有效的合金成分。含量不太多的锰可以有效地提高钢材的强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材的热加工性能，并能改善钢材的冷脆倾向，而同时又不显著降低钢材的塑性和冲击韧性。锰在普通碳素钢中的含量约为0.30.8%。如含量过高(达l.01.5以上)，会使钢材变得脆而硬，并将降低钢材的抗锈性和可焊性。在普通碳素钢中，硫和磷是极为有害的物质硫与铁化合为硫化铁(FeS)，散布在纯铁体晶粒的间层中。含硫量增大时会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。高温(8001200)时，例如在焊、铆及热加工时，硫化铁即将熔化而使钢材变脆(热脆)和发生裂缝。因此应严格控制钢材中的含硫量

22、，一般应不超过0.055，在焊接结构中则应不越过0.050。在钢中增加锰的含量，可使硫形成熔点高、塑性较好的硫化锰(MnS)，它的熔点(约为1600)，远远高出热加工温度这样就可以消除一部分硫的有害作用。 磷与纯铁体结成不稳定的固熔体，有增大纯铁体晶粒的害处。磷的存在虽可提高钢材的强度和抗锈性，但严重降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性等，特别是在低温时能使钢材变得很脆(冷脆)。所以磷的含量也应严格控制，一般不超过0.050，在焊接结构中不超过0.045。但是，磷在钢材中的强化作用是十分显著的，因此有时就利用它的这一强化作用来提高建筑钢的强度。磷使钢材的塑性、冲击韧性和可焊性等方面的降低

23、，可用减少钢材中的含碳量来弥补。在有些国家中，采用特殊的冶炼工艺，生产高磷钢，其中含磷量(在含碳量小于0.09时)最高可达0.080.12。氧和氮因容易从铁液中逸出，故含量甚少。这两种物质对钢材具有极为严重的危害性，能使钢材变得极脆。氧的作用与硫类似，是引起热脆的因素之一。一般要求含氧量小于0.05。氮能使钢材强化。但和磷的作用类似，它的存在将显著降低钢材的塑性、韧性，可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。因此应尽量减少钢中的含氮量，一般应小于0.008%。 为了改善钢材的力学性能，可以适当增加钢中锰或硅的含量，还可以掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，这种钢称为合金钢。钢结构常

24、用的合金钢中的合金元素含量较少，称普通低合金钢。 3.2 Q235及Q345钢的质量等级和保证项目（一）Q235钢的质量等级和保证项目门式刚架结构中，Q235钢是广泛应用的钢号之一。实际工程中根据使用条件，对Q235钢的力学性能及化学成分提出不同的供货保证项目。减少不必要的合格保证项目，即降低钢材价格，又可及时供货。Q235钢根据质量等级分为A、B、C、D四级，质量要求A级最低，D级最高。1、Q235A钢的保证项目、力学性能保证项目：有屈服点、抗拉强度、及伸长率三项、化学成分保证项目：有碳、锰、硅、硫、磷五项，但三项力学性能合格时，碳、锰含量可不作为交货条件，但在质量证明书中注明其含量。2、Q

25、235的B、C、D级钢的保证项目、力学性能保证项目：有屈服点、抗拉强度、及伸长率、V型缺口冲击韧性、冷弯性能五项，其中冲击韧性的试验温度，对B、C、D级钢分别为20C、0 C、-20C，D级试验温度属负温试验。、化学成分保证项目：有碳、锰、硅、硫、磷五项，以及残余元素含量也应合格。五项保证项目中，主要以硫、磷含量的高低区分B、C、D级钢，D级的含量最低。此外五项保证项目均合格，碳及锰的含量下限可不作为交货条件。（二）Q345钢的质量等级和保证项目Q345钢不但大量用于门式刚架中，同时也是高层钢结构建筑用钢的首选材料，其用量远大于Q235钢。Q345钢的质量等级分为A、B、C、D、E五个级别，比

26、Q235钢多一个E级。其质量要求对A级最低，对E级最高。这些等级中，同时包括钢材的力学性能和化学成分的对应保证项目。1、Q345A钢的保证项目、力学性能保证项目：有屈服点、抗拉强度、及伸长率、冷弯性能四项，无冲击韧性的要求。、化学成分保证项目：有碳、硫、磷三项。其磷、硫含量大于其它等级。2、Q345的B、C、D、E级钢的保证项目、力学性能保证项目：有屈服点、抗拉强度、及伸长率、V型缺口冲击韧性、冷弯性能五项，其中冲击韧性的试验温度，对B、C、D、E级钢分别为20C、0 C、-20C级-40 C，D、E级试验温度属负温试验。、化学成分保证项目：有碳、锰、硅、硫、磷五项，以及四种残余元素含量也作为

27、保证项目。D、E级的碳、硫、磷含量限制值最严。Q235及Q345钢材中，如有Z向受拉的断面收缩率要求，应作为单项附加订货保证项目。3.3 主结构材料的选用 柱、梁（有时包括雨蓬梁）、吊车梁等这些构件构成了主结构的主要构件。主要材料的钢材应选用国家标准碳素结构钢GB/T700规定的Q235B级钢或低合金高强度结构钢GB/T1591中的Q345钢。钢材按照质量等级分为A、B、C、D四个等级，这些构件绝大部分是由三块钢板通过焊接加工而成的工字型截面。焊接的工作量大，钢材除了要满足强度、伸长率、冷弯性能、冲击韧性等基本条件外，碳的含量非常重要。碳的含量直接影响焊接质量，进而影响结构安全。国家标准碳素结

28、构钢GB/T700中的1号修改通知指出A级钢的含碳量不作为交货条件，但应在溶量分析中注明。3.4 次结构材料的选用：次结构属于结构受力的次要构件，即使它们失去承载能力后，对于整个结构来说依然是基本没有影响。它们基本上是可以通过螺栓连接或少量焊接与主体结构相连。选用Q235A级钢即能满足使用要求又节约成本。3.5 连接材料：焊条、普通螺栓、高强螺栓、锚栓、圆柱头焊钉一、焊接材料焊接材料的选用，需适应焊接场地（工厂或现场）、焊接方法、焊接方式（连续焊缝、断续焊缝、或局部焊缝），特别是要与焊件钢材的强度和材质要求相适应。、手工焊接用焊条1、碳钢焊条及低合金焊条的应用手工焊时，Q235钢的焊接采用碳钢

29、焊条E43系列，Q345钢材用低合金钢焊条E50系列。、酸性焊条采用这类焊条焊接的焊缝外观表美观、焊波细密、成形平滑。但是焊接过程中合金元素烧伤较多，焊缝金属中氧和氢的含量较多，因而溶敷金属的塑性和韧性较低。、碱性焊条（低氢焊条）采用这类焊条焊接的焊缝外观波纹粗糙，但在焊缝金属中含氢量较低，故又称低氢焊条。采用低氢焊条焊接的金属，其塑性、冲击韧性均较好，因此钢结构设计规范（GB50017-2003）规定对直接承受动力荷载和振动荷载的结构宜采用低氢焊条。2、电焊条的型号及应用钢结构设计规范（GB50017-2003）及建筑钢结构焊接规程（JGJ8191），将焊条的型号与主体金属进行配合使用如下：

30、、对Q235钢用于直接承受动力荷载的结构及重要结构，宜采用E4315、E4316低氢焊条；对其他结构，则宜采用E4301E4312型焊条。、对Q345钢用于直接承受动力荷载的结构及重要结构，宜采用E5015、E5016低氢焊条；对其他结构，则宜采用E5003、E5010、E5011型焊条。（二）自动及半自动埋弧焊用的焊丝及焊剂钢结构中采用三块或四块钢板焊接而成的钢梁及钢柱，其大量的连续焊缝需要在工厂中采用自动或半自动的埋弧焊焊接。自动埋弧焊是将电弧埋在焊剂下进行焊接，即将没有余料的焊丝伸入被焊金属上面的焊剂中，通电后产生电弧熔化焊剂，浮在被熔化金属的表面，保护被熔化的金属不与外界空气接触。焊接

31、过程中，焊丝和焊剂的共给输送和电弧的移动，全部有机械自动进行。半自动埋弧焊与自动焊的区别仅是电弧移动由人工操作，不是机械控制。自动焊生产效率高、塑性好、冲击韧性高、抗腐蚀性能强、焊件变形小，也改善劳动条件。半自动焊的焊缝质量介于自动焊和手工焊之间，但使用灵活，可以焊接小尺寸的短焊缝。自动焊接或半自动焊接采用的焊丝和焊剂，应与焊件钢材的强度和材质相适应，即要求等强度焊接。焊丝应符合国标熔化焊用钢丝（GB/T1495794），焊剂应符合国标碳素钢埋弧焊用焊剂（GB/T1247090）的规定。（三）二氧化碳气体保护焊的焊丝CO2气体保护焊已得到广泛的应用，主要焊接低碳钢和低合金钢。这种焊接方法如同埋

32、弧焊，也是采用成盘连续的光焊丝，但不用焊剂。气体保护焊主要采用手工操作，手持焊枪移动焊接，也能进行自动焊接。焊接时围绕焊丝由喷嘴喷出CO2气体，对电弧、容池与大气进行保护。焊接低碳钢或低合金钢时，均可采用H08MnSiA、H08Mn2SiA、H08Mn2Si等。二、普通螺栓的钢号与规格建筑钢结构中常用的普通螺栓钢号为Q235，即4.6级和4.8级螺栓，较少采用由中碳钢制成的5.6级螺栓，以及由低合金钢淬火并回火后制成的8.8级螺栓。普通螺栓一般为六角头螺栓。螺栓的标记通常为Md*L，其中d为螺栓的规格（直径），L为螺栓的公称长度。普通螺栓的规格为M8、M10、M12、M16、M20、M24、M

33、30等普通螺栓的质量等级按螺栓加工制作的质量及精度公差分A、B、C三个等级，A级加工精度最高，C级最差。A、B级螺栓对构件的拼装精度要求高，价格很昂贵，工程中较少采用。C级螺栓常与II类孔匹配应用；II类孔的孔径比螺栓直径大12毫米，受剪能力较差，故宜用于受拉的连接，或用于承受静载结构中的次要连接，以及临时用的安装连接。三、高强螺栓高强螺栓根据其受力性能可分为两种类型：高强度摩擦型和承压型。1、高强度螺栓摩擦型连接：高强度螺栓摩擦型连接是靠连接间的摩擦阻力传递剪力，以摩擦阻力刚被克服作为连接承载力的极限状态。抗震设计的构件连接，常采用高强度螺栓摩擦型连接，但当地震作用大于多遇地震时的弹塑性阶段

34、，因连接部位产生相互滑移变形，则摩擦型连接转化为承压型连接。2、高强度螺栓承压型连接：高强度螺栓承压型连接，是当剪力大于预拉力P产生的摩擦阻力后，以栓杆被剪断或连接板被挤坏作为承载力极限状态，其计算方法基本上同普通螺栓。承压型连接对摩擦面仅要求清除油污及浮锈，不要求作其他的处理。相应地，高强度螺栓承压型连接可用于承受静载的结构。3、高强度螺栓的类型常用的高强度螺栓有，大六角头高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓两种类型。大六角头高强度螺栓的头部尺寸比普通螺栓的要大，可适应施加预拉力的工具及操作要求，也增大与连接板间的承压或摩擦面积。大六角头高强度螺栓施加预拉力的工具有电动、风动和人工特制扳手。扭剪型高

35、强度螺栓的尾部连着一个梅花头，梅花头与螺栓尾部之间有一沟槽。当用特制扳手拧螺母时，以梅花头作为反拧支点，终拧时梅花头沿沟槽被拧断，并以拧断为准表示已达到规定的预拉力值。高强度螺栓的螺杆、螺母和垫圈均采用高强度钢材制成，其成品应再经热处理，以进一步提高强度。因此高强度螺栓的力学性能，是以热处理后的数值为准，并另定其性能等级。其性能等级以两个强度值表示，前一个数值表示热处理后的最低抗拉强度b（8或10，即800N/mm2或1000 N/mm2），后一个数值表示螺栓经热处理后的屈强比（0.8或0.9），即=02/b。高强度螺栓及其配套供应的螺母和垫圈等，应符合国家标准钢结构高强度大六角头螺栓、大六角

36、螺母、垫圈技术条件（GB/T123191），以及钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副技术条件（GB3632363383）的规定。四、锚栓锚栓主要用作钢柱脚与钢筋砼基础之间的锚拉连接，承受柱脚的拉力，又可作为柱子安装定位过程中的临时固定用。锚栓宜采用Q235钢及Q345钢等塑性性能好的钢号，不宜采用高强度钢材。门刚规程规定用Q235制成的锚栓其抗拉强度设计值fb=140N/mm2；用Q345钢制成的锚栓其抗拉强度设计值fb=180N/mm2。五、圆柱头焊钉圆柱头焊钉是作为钢构件与混凝土之间的抗剪连接。圆柱头焊钉是一个带有圆头的实心杆，在钉头埋嵌焊丝，起拉弧作用。圆柱头焊钉需要采用专门的焊机焊接，并配置

37、焊接瓷环。焊接瓷环有两种类型使用于不同的条件。B1型用于焊钉直接焊接于钢构件（梁、柱）上。B2型用于焊钉焊透压型钢板后焊在钢梁上，其细部尺寸略大于B1型。圆柱头焊钉长度不小于直径的4倍。常用的焊钉直径16、19及22mm。3.6 围护结构材料的选用1、围护结构的材料：压型钢板、夹芯板、Kingspan板、压型钢板是近三十年国际上迅速发展起来的一种新型建筑材料，在我国生产和应用也有十多年的历史。目前，压型钢板是轻型钢结构的主要维护材料。压型钢板应采用热涂锌钢板或彩色涂锌钢板制作，其力学性能、工艺性能、涂层性能应符合现行国家标准建筑压型钢板的规定。钢板的钢材宜采用现行国家标准碳素结构钢（GB700

38、-88）规定的钢和钢，有可靠依据时，也可采用其它钢号。压型钢板最大允许檩距可根据板型、支承条件和受荷情况综合考虑，一般情况下在1.5m左右。压型钢板自重很轻，大概在左右，若包括保温棉和屋面檩条在内，整个金属屋面的重量也仅为。、夹芯板是由内外两层彩色涂层钢板作面层，自熄性聚苯乙烯泡沫等作芯材，通过高强度粘合剂粘合而成的板材（下图）。彩钢夹芯板是一种多功能新型建筑板材，具有轻质、高强、保温、隔热、隔音、防水、装饰等性能，主要用于工业与民用建筑的屋面和墙面、组合式冷库以及加层、改建等工程。由于彩钢夹芯板的面层是非燃材料，芯材是阻燃、难燃或不燃材料，所以夹芯板不适用于高层建筑及易燃易爆厂房、车间，也不

39、宜用于楼板。 复合板面板为0.50.6mm的单层彩板，其性能应符合Q/BQB440-94规定，外板可以是低波纹彩钢板，也可以是高波纹彩钢，为保证排水通畅，应选择高波纹彩板；内板为低波纹彩钢板；芯材为阻燃性聚苯乙烯泡沫、玻璃纤维或岩棉等保温材料，容重为。保温材料应有力学性能的要求，而且还有导热性、吸水性、阻燃性（用氧指数来衡量）等方面的要求。面板与芯材间粘结所采用的粘结剂是聚氨脂类双组份热固化粘结剂，具有粘结强度高、固化时间短、耐低温及抗热、自熄等性能。根据板的厚度（以mm为单位），复合板常用的规格有40、50、75、100、150、200、250等七种，选材时应根据使用要求由热工计算确定板厚。

40、对冷库等有较高保温要求的建筑，应采用较厚的复合板。在制作、运输和施工许可的条件下，应采用长尺复合板，以减少接缝，防止渗漏和提高保温性能。、Kingspan板是一种新型复合板,作为屋面板时板宽有500、1000mm两种规格，檩条间距可取1.5米；作为墙面板时，板宽有600、900、1000mm三种规格，墙面板是横向布板，竖向檩条的间距不大于3.0米。板的自重和夹芯板基本相同。目前只是在国外生产，国内没有生产线，其价格非常高。下图为其墙面板及其板间连接节点。2、围护材料选用的原则根据围护结构的使用功能选用：单纯的围护结构可以选用单层压型钢板，对于屋面坡度比较平缓的时，应选用高波板，利于屋面排水，反

41、之可以选用低波板。如果有保温隔热要求，首先选用夹芯板，其次是单层彩钢板下面家加保温棉的做法。Kingspan板常用在对建筑有很强的视觉要求，或是内部生产洁净度很高的生产车间。例如医药生产车间，或者是高档的办公场所得外墙面。3.7 材料的构造要求3.7.1 主结构材料的构造1、用于焊接主刚架构件腹板的钢板，其厚度不宜小于4mm,当有根据时可不小于3mm。工字型梁、柱腹板的高厚比不应大于，翼缘的宽厚比不应大于，此处fy为钢材的屈服强度。如果钢材为Q235时，腹板的最大高厚比为250，翼缘的最大宽厚比为15；如果钢材为Q345时，腹板的最大高厚比为206，翼缘的最大宽厚比为12.38。2、受压构件的

42、长细比小于等于180。（长细比：受压构件的计算长度与构件回转半径的比值）3.7.2 次结构材料的构造1、门刚规程规定：用于屋面檩条和墙面檩条的冷弯薄壁型钢，其壁厚不宜小于1.5 mm；屋面拉条采用圆钢时直径不宜小于10 mm。另外，梁、柱隅撑用角钢的最小截面一般宜取不小于L50x4。2、受压时长细比：220；受拉时：吊车梁或吊车桁架以下柱间支撑300；其他支撑400（张紧的钢绞线或圆钢支撑长细比不限）3.7.3 维护结构材料的构造一、屋面压型钢板有关构造压型钢板选择应考虑到屋面坡度，当坡度较小时，由于屋面排水并不通畅，应尽量采用高波纹屋面板。压型钢板腹板与翼缘水平面之间的夹角不宜小于。压型钢板

43、宜采用长尺板材，以减少板横向搭接数量，有利于屋面防水。压型钢板横向搭接应与檩条有可靠连接，搭接长度须满足规范要求，波高大于70mm的高波纹压型钢板，搭接长度不宜小于350mm, 波高小于70mm的低波纹压型钢板，搭接长度不宜小于250mm，当屋面坡度10%时，搭接长度不宜小于200mm；墙面板搭接长度200mm，且屋面板在搭接处须涂通长密封胶带。压型钢板侧向连接有不同方式，为防止屋面漏水，有条件尽量采用暗扣式连接。屋面板侧向搭接时，搭接宽度应视压型钢板形状、规格而定，一般不小于半波，搭接方向应与主导风向一致。安装时应该逆风进行。对于波高小于70mm低波纹压型钢板，可不设固定支架，而对于波高大于

44、70mm高波纹压型钢板，须设固定支架。压型钢板横向和侧向连接时均须有可靠连接，以防止屋面板发生错动和滑动现象。考虑到国产密封材料性能较差，易于老化开裂，施工时连接件尽量设置在波峰处，以便防水。二、夹芯板的有关构造1、常用的夹芯板厚度50150mm,彩色钢板的厚度0.50.6 mm，条件允许且经过计算，屋面板和墙面板的内层板可以采用0.4 mm。2、夹芯板为工厂制品，其板长不宜超过12m。3、屋面板的纵向搭接应位于檩条处，两块板均应伸到支座上，每块板在支座上的长度50 mm；搭接处应采用双檩条或在檩条一边焊接通长的角钢。4、夹芯板的纵向搭接长度（面层彩色钢板）：屋面坡度10%时，长度200 mm

45、，屋面坡度4时采用门刚规程的风荷载体型系数。全国民用建筑工程设计技术措施结构中也是采用钢结构设计手册（第三版）中的结论。如果按照钢结构设计手册（第三版）中所说的，那么部分的门式刚架是采用荷载规范的体型系数计算风荷载的影响，得出的计算结果要比按照门刚规程里的大1020%。而门刚规程里面并没有这方面的限制条件。并且门刚规程是由国家发布的标准，而钢结构设计手册（第三版）和全国民用建筑工程设计技术措施结构只是对于规范条文的理解而做出的参考书。4.4 吊车荷载的取值吊车荷载参见荷载规范5.1条：最大轮压、最小轮压、小车重量、额定起吊重量、纵向刹车力。注意力的单位是千牛还是吨。荷载取值可以从下面三个途径得

46、到。A、建设单位提供 ， B、从钢结构设计资料上找， C、上网查。由B、C两条路径得到的设计参数一定要在图纸中说明“由什么地方得到，如实际有不同，需要调整设计”。吊车荷载组合：排架方向计算单榀排架、单层单跨最多考虑两台，单层多跨最多考虑四台。纵向水平荷载(由柱间支撑承担,最后传给基础) 取一边所有刹车轮最大轮压的10%，该荷载的作用点位于刹车轮与轨道的接触点，其方向与轨道方向一致。4.5 其他作用1、地震作用：全国民用建筑工程设计技术措施结构中规定在抗震设防烈度小于等于7度的地区门式刚架可不进行抗震计算。经过多次计算比较后，抗震设防烈度小于等于7度时，对门式刚架受力没有影响。2、带夹层的楼面荷

47、载取值：有的厂房设有局部夹层作为办公或仓库用。夹层楼面恒荷载取值要根据选用的楼层板板型及其浇注砼板厚确定；典型的楼层板如下图示。h1部分，用钢筋砼的密度25kN/m2乘以h1得出，h2部分，要把楼层钢板的上下口按照梯形计算出有效高度，再乘以钢筋砼的密度得出。上面得出的仅仅是钢筋砼的自重，还有楼面装修荷载没有考虑。楼面装修荷载要根据建筑装修要求查荷载规范附录A。如小磁砖地面0.55KN/M2，水磨石地面0.65KN/M2；附录A里查不到时，要根据实际做法分层计算。3、楼面活荷载取值：楼面活荷载一般建设单位会根据其使用要求提出楼面荷载使用的标准值。如果没有给出，可以按照设计的使用功能查荷载规范4.

48、1条和4.2条确定。4、吊挂荷载：有的建筑设有吊顶、消防管喷淋管或是局部悬吊重物，这些荷载的取值，要按照给定的吊顶类型、消防管的布置情况及其悬吊的实际取。4.6 荷载组合原则组合原则按照门刚规程3.2.5要求进行。屋面活荷载不与雪荷载同时出现，即是：屋面有积雪的时候人们不会去施工、检修；积灰荷载可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。多台吊车的组合按照荷载规范5.1条的要求进行。风荷载不与地震作用同时考虑。 5 门式刚架设计 5.1 门式刚架设计的分类1、门式刚架房屋的构件组成2、门式刚架设计内容设计内容主刚架设计次结构设计

49、维护结构设计结构设计内容端刚架中间刚架抗风柱托架墙架柱3、主刚架设计内容4、次结构设计次结构设计檩条设计支撑设计拉条设计墙面檩条屋面檩条柱间支撑屋面支撑墙面拉条屋面拉条隅撑设计吊车梁5、维护结构设计维护结构设计墙面板排板收边屋面板排板收边5.2 门式刚架设计明确建设单位对于拟建建筑的书面技术要求。首先要明确设计的内容：即别人要求我们做什么，是方案设计、施工图设计还是优化设计。要求不同，设计表达的深度也不同，设计的允许误差也是不一样的；拟设计的建筑物的几何尺寸长、宽、高；拟建建筑物的用途 (有无吊车、屋面、墙面有无保温隔热要求，处在什么样的使用环境中，有无防火或防腐等方面的特殊要求)；明确拟建建

50、筑物的建设地点 (乡村、城市、海边），根据建筑物的建设地点合理的选择抗震等级、风、雨雪荷载。明确钢结构的受力特性，钢结构计算不仅要计算其强度，而且要计算平面内和平面外的稳定。5.2.1 主刚架设计1、构件的截面取值：粱端头（与钢柱连接处）高取约L /4045 (跨度)， 梁宽根据平面外支撑间距取，一般200左右，多跨双坡第二跨梁截面高度要比边柱端梁的大，边柱的高度、宽度可以和梁同或者比梁稍大一点，保证柱的刚度大于梁的刚度。有吊车时柱的宽度要宽一点；中间摇摆柱是由平面外的受力控制截面宽度的，可以用圆管或方管，比用工字型截面省。同时要保证构造要求， 腹板高厚比h/t250 sqr fy /Q235

51、 ， 翼板的自由外挑边宽厚度t5 sqr fy /Q235 ，如果材料为非235，则要乘以相应的折减系数，采用345时折减系0.825；390，420钢材对我们来说基本不用；梁、柱截面高度的变化率不应该超过60mm/m。如果超过该值，腹板就不能考虑屈曲后的强度，腹板厚度取值就要很大。柱距如果由自己给定时，一般是取69米，最好取7.5米，这种情况下计算出来的用钢量基本上是最经济的。工字梁、柱截面板的取值：梁截面的翼緣板厚首选8mm（因为刚架多数是采用Q345钢材，用8mm的板，根据构造要求，梁的宽度刚好做到200mm)，腹板厚可以取5mm(比门刚规程要求的4mm大），且目前大多数的加工厂能够保证

52、腹板焊接后平直。柱截面的翼缘板厚可取同梁，腹板最小取6mm，(因为柱的相对于梁更重要）。如果是没有吊车的普通门式刚架，除了节点板以外钢板的厚度不会超过12mm。2、沿刚架跨度方向梁的长度分段取值：分段的原则是根据弯矩和剪力包络图。在结构力学中我们都知道，两端固接梁在均布荷载作用下，梁的弯矩在端头、跨中大；剪力是端头大中间小，在梁的区间弯矩和剪力都同时较小。把分段变截面点放在弯矩和剪力都相对较小区域，与力学的受力假设模型相吻合。如下图示。分三段时按0.3L、0.4L、0.3L取，L为刚架跨度。假设24米跨度，则第一段 7.2米，中间段9.6米，后一段7.2米，这样分段是根据刚架的弯矩包络图来确定

53、的，很经济；如果跨度是33米，还分成三段就不合适；则要分成五段才合适，同样是要根据弯矩包络图来进行划分。超过30米以上的刚架主要是由梁的挠度比值控制；要想使梁的应力比值和挠度值同时达到门刚规程的最低安全标准，需要进行多次的截面试选。理论上用高强螺栓把分段的梁连接是等强度连接，在何处相连都是一样的，只要满足运输单元即可。但是节点位置选择不好会带来加工不方便，连接端板和高强螺栓的用量将会增加，最后增加造价。5.2.2 利用计算机辅助设计的注意事项：1、跨度、屋面坡度要准确 2、刚架高度不一定等于檐口高度(门式刚架定义的檐口高度：地坪至房屋外侧檩条上缘的高度)，如室内外高差大时，或者刚架是安装在露出

54、地坪的短柱上时，如下图示图4-1表示刚架是安装在从地坪向上一定高度的柱上，图4-2表示建筑的室内外高差较大情况，在这两种情形下檐口高度和刚架高度有区别，檐口高度大于刚架的实际高度。 最特殊的情况是在一栋钢筋砼楼层上面加一层门式刚架，刚架的高度与檐口高度相差就特别大。总之，搞清刚架的高度、檐口高度之后，对于正确选取风荷载的风压高度变化系数有帮助。3、各种荷载的输入：荷载的输入一定要准确，恒载的输入千万不要随意放大，根据受荷面积按实际计算；刚架对风荷载比较敏感，如果恒载加大，在风吸力作用下计算结果是偏安全的，而实际没有设计时的恒载作用在刚架上抵消风吸力的影响，则有可能使刚架出现反方向的过大变形，恒

55、荷载放大的结果直接导致用钢量的增加；用钢量无谓增加使我们在竞争中处于劣势。活荷载根据主刚架的受荷水平投影面积是否超过决定采用.还是.；比较活荷载与雪荷载两者大小，是雪荷载控制设计还是由活荷载控制。如果雪荷载的数值小于活荷载，侧肯定是由活荷载控制不需要考虑雪载影响；如果雪荷载的值大于活荷载，则要按两种情况分别计算。先把雪荷载作为控制荷载输入计算，同时要根据屋面坡度大小确定是否要进行雪荷载的不利布置，记下这时的结果。再把活荷载作为控制荷载输入，这时一定要考虑活荷载的不利布置。比较 两种计算结果，选取对刚架作用的最不利值作为活荷载的设计控制值。 吊车荷载输入时要注意横向水平力、最大轮压的作用点。地震

56、作用：地震作用一般在门式刚架里不起控制作用，可以不考虑它。只有当吊起重量车5t，柱脚采用刚接时，才需要考虑地震影响。梁、柱的计算长度：平面内的计算长度由计算机自动算出，如果是手算时可用查表法；平面外的计算长度取隅撑间距，常用3.0米。通长的纵向系杆，可作为梁、柱平面外的支撑点；有吊车梁时，吊车梁也是柱的平面外支撑点；有的软件在计算时通常把牛腿处当成一个平面外的支点。4、荷载效应组合1）不带吊车时分4种（1）. 1.2 恒载 + 1.4 活载 （2）. 1.0 恒载 + 1.4 风载 （3）. 1.2 恒载 + 1.4 活载 + 1.40.6 风载（4）. 1.2 恒载 +1.40.7 活载 + 1.4 风载2）带