门式刚架轻型钢结构

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1、天津大学 钢结构教研室,门式刚架轻型钢结构,1.概述,体系构成及适用范围,主要承重骨架：门式刚架 纵向支撑体系： 屋面水平支撑、柱间支撑 檩条和墙梁 维护结构 ： 轻型屋面板/轻型墙面板,结构体系,刚架梁,刚架柱,柱间支撑,屋面水平支撑,檩条,墙梁,墙梁,系杆,抗风柱,墙面板,屋面板,吊车梁,1.概述,体系构成及适用范围,竖向荷载 横向水平荷载 纵向水平荷载 *门式刚架是平面结构体系,传力途径,1.概述,体系构成及适用范围,主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构。,适用范围,1.

2、概述,门式刚架结构的特点,质量轻，用钢量省： 荷载轻/材料承载力高/变形能力强/变截面构件/独特的支撑体系/利用薄壁构件屈曲后强度 结构布置灵活：不受模数限制 工业化程度高，施工周期短：全钢结构 综合经济效益好；,优点,1.概述,门式钢架结构的特点,结构整体刚度小： 整体工作前应防止构件变形 杆件壁薄，锈蚀及局部变形影响大； 制作、运输及安装要求高；,缺点,1.概述,应用和发展,单层工业厂房 超市 仓库等 跨度9m 36m,应用,1.概述,应用和发展,极限状态的深入研究，避免特殊荷载下结构失效：雪荷载、风荷载 进一步轻型化 提高制作、安装精度,发展,2.基本设计规定,设计方法,以概率理论为基础

3、的极限状态设计法 极限状态的概念 承载能力极限状态 正常使用极限状态,2.基本设计规定,设计方法,非抗震设防地区：,承载能力极限状态,抗震设防地区：,2.基本设计规定,设计方法,按荷载效应的标准组合计算变形 柱顶侧移： H/60;H/180;H/400 （多层层间H/400 ） 受弯构件挠度： 主梁：L/180;L/240;L/400（钢结构 L/400）,正常使用极限状态,2.基本设计规定,材料选用,门式刚架、吊车梁：Q235B或Q345B以上 檩条、墙梁等：Q235或Q345；C或Z 屋面板、墙面板：Q235,2.基本设计规定,荷载及荷载组合,永久荷载： 结构自重；屋面；吊挂荷载等 屋面活

4、荷： 标准值 0.5kN/m2; (A60 m2时，0.3 kN/m2); 施工或检修集中荷载： 设计屋面板和檩条时，1.0 kN,2.基本设计规定,荷载及荷载组合,雪荷载 设置女儿墙时，应考虑女儿墙内侧积雪 积灰荷载 与屋面活荷、雪荷载较大者同时考虑 吊车荷载,2.基本设计规定,荷载及荷载组合,风荷载：标准值,基本风压：1.05； 高度系数；体形系数*,地震作用 底部剪力法；阻尼比0.05； 一般7度及以下，可不考虑地震作用,2.基本设计规定,荷载及荷载组合,目前两种风荷载体型系数共存： 建筑结构荷载规范/ 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 美国金属房屋制造商协会 低层房屋体系手册,关于风荷载

5、体型系数,2.基本设计规定,荷载及荷载组合,全国民用建筑工程设计技术措施2003(结构)第1816条规定：跨高比Lh小于等于4的门式刚架应按“规范”(GB 500092001)计算风荷载标准值及体型系数，跨高比大于4时宜按“规程”(CECS 102：2002)取用。,关于风荷载体型系数,2.基本设计规定,荷载及荷载组合,非地震组合： 1.2x永久荷载 + 0.9x1.4x（积灰荷载+max雪荷载，屋面活荷）+ 0.9x1.4x（吊车荷载+风荷载） 1.0 x永久荷载 + 1.4x风荷载 地震组合： 1.2x重力荷载代表值 + 1.3x水平地震作用,2.基本设计规定,构造要求,构件壁厚 主刚架梁

6、柱 t=4mm; 檩条、墙梁 t=1.5mm; 构件长细比 受压构件 180/220 受拉构件 250/300/350/400,3.结构体系及布置,结构体系,门式刚架,门式刚架的形式 按跨数分 单跨、双跨、多跨及带挑檐或毗屋 按起坡分 单脊单坡、单脊双坡及多脊多坡 梁柱刚接/摇摆柱,3.结构体系及布置,结构体系,门式刚架,门式刚架的建筑尺寸： 刚架跨度：936米 刚架柱轴线间的距离； 边柱外翼缘对齐； 刚架高度：4.59.0米,12m 地坪至柱轴线与斜梁轴线交点的高度； 考虑室内净空及吊车轨顶标高及净空； *梁、柱轴线确定,3.结构体系及布置,结构体系,门式刚架,构件截面： 变截面焊接H形钢

7、截面（腹板）高度：楔形； 腹板厚度/翼缘宽度/翼缘厚度； 等截面焊接H形钢或轧制H形钢 塑性设计 设有桥式吊车时柱截面,3.结构体系及布置,结构体系,门式刚架,柱脚种类： 铰接柱脚 刚接柱脚 设有5t以上桥式吊车时 屋面坡度设置： 排水坡度：1/201/8； 根据所在地区雨量大小确定；,3.结构体系及布置,结构体系,门式刚架,构件连接： 构件单元划分 钢柱一般为单独单元； 斜梁可划分为多个单元：根据运输条件 构件单元连接 构件单元内焊接连接； 构件单元间高强螺栓/端板连接；,3.结构体系及布置,结构体系,支撑系统,柱间支撑： 柔性支撑：20圆钢/交叉支撑/张紧装置 刚性支撑：角钢等，设有桥式吊

8、车时 3060度/约45度；刚架较高时，分层设置 其它形式的支撑或纵向刚架；,3.结构体系及布置,结构体系,支撑系统,屋面水平支撑： 柔性支撑：20圆钢/交叉支撑/张紧装置 3060度/约45度 刚性系杆： 柱顶及刚架转折处 可由檩条/墙梁兼作,3.结构体系及布置,结构体系,屋面墙面系统,檩条/墙梁 设置于斜梁、钢柱外侧； 双向受弯构件；冷弯薄壁型钢，C或Z/C； 跨度较大时，可使用轻型桁架； 檩条设置应考虑天窗、采光带、屋面材料等； 墙梁设置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等；,3.结构体系及布置,结构体系,屋面墙面系统,拉条及撑杆 S4米，一道/ S6米，两道； 斜拉条与刚性檩条拉接； 屋面板和墙面

9、板设计 彩色镀锌或镀铝锌压型钢板，t=0.4mm； 夹心压型复合钢板； 开孔洞后应适当加强；,3.结构体系及布置,结构体系,其它构件,托架 山墙墙架 抗风柱 吊车梁 ,3.结构体系及布置,结构布置,门式刚架的间距 柱网轴线纵向距离，6/7.5/9/12米 温度区段长度 伸缩缝间距离，纵向300米/横向150米 伸缩缝做法： 檩条(吊车梁等)连接螺栓用长圆孔 设置双柱,3.结构体系及布置,结构布置,支撑布置 每个温度区段应设置独立、稳定支撑系统； 屋面水平支撑及柱间支撑位于同一柱间； 支撑间距3045米； 间距应根据纵向柱距/纵向受力/安装条件确定；,4.作用效应计算,门式刚架内力分析,分析假定

10、,变截面门式刚架 可能几个截面同时出现塑性铰 弹性分析方法 等截面门式刚架 弹性或塑性分析方法,4.作用效应计算,门式刚架内力分析,分析模型,按平面结构进行内力分析 主刚架 平面模型 按空间结构进行内力分析 主刚架+支撑系统+屋、墙面体系（蒙皮效应） 空间整体模型,4.作用效应计算,门式刚架内力分析,分析方法,手算方法： 超静定结构体系； 结构力学力法/位移法； 电算方法： 有限元法/矩阵位移法/直接刚度法 变截面构件分段近似为若干等截面单元/楔形单元,4.作用效应计算,门式刚架内力分析,控制截面/控制内力,柱顶/柱底/梁端/梁跨中/牛腿 控制内力组合： Nmax+M+V Mmax+N+V N

11、min+M+V（锚栓抗拔）,4.作用效应计算,门式刚架侧移分析,侧移按弹性分析方法计算 精确计算方法 有限元法/矩阵位移法/直接刚度法 近似计算方法 增大侧向刚度、减小侧移的措施 增大梁柱截面/刚接柱脚/梁柱刚接,5.门式刚架构件设计,设计方法、设计过程,弹性设计方法 设计过程 初选截面 作用效应计算 内力组合 构件设计 调整截面 ,5.门式刚架构件设计,板件宽厚比,H形钢受压翼缘板宽厚比,H形钢腹板高厚比,5.门式刚架构件设计,抗剪强度 直径不小于24mm，双螺帽； 锚固长度：设置弯钩/锚板； 应考虑柱间支撑传至柱脚的拉力； 单个锚栓的抗拉承载力：,柱脚节点,6.门式刚架节点设计,抗剪键设计

12、 锚栓不抗剪; 剪力由摩擦力和抗剪键承担;,柱脚节点,6.门式刚架节点设计,摇摆柱与斜梁连接节点,7.其它构件及节点设计,檩条,墙梁,柱间支撑,屋面水平支撑,抗风柱,隅撑,7.其它构件及节点设计,檩条间距 根据屋面板跨度确定，1.5m左右 檩条截面形式 一般采用实腹式构件，C形和Z形冷弯薄壁型钢； 跨度大于9m时，可采用格构式构件；,檩条及节点设计,7.其它构件及节点设计,拉条/撑杆设置 跨度4m，宜在跨中设置一道拉条/撑杆； 跨度6m，应在三分点各设置一道拉条/撑杆； 每道拉条/撑杆应通过斜拉条与刚性檩条连接； 拉条由圆钢制作，直径=10mm； 撑杆采用钢管/钢，按压杆刚度选择截面； 拉条/

13、撑杆尽量设在距檩条受压翼缘1/3腹板高度范围内；,檩条及节点设计,7.其它构件及节点设计,檩条设计 檩条为双向受弯构件 檩条可以设计为简支梁或连续梁 檩条设计应考虑的荷载及荷载组合： 1.2*永久+1.4*max（屋面活荷，雪荷） 1.2*永久+1.4*施工检修集中荷载 1.0*永久+1.4*风荷载（吸力）,檩条及节点设计,7.其它构件及节点设计,檩条设计 檩条内力计算 Mx,Vx:简支梁（对接）/连续梁（搭接） My,Vy:拉条为侧向支撑点，按简支梁/连续梁 不考虑荷载不均匀分布,檩条及节点设计,7.其它构件及节点设计,檩条设计 檩条截面验算 屋面板能阻止檩条的失稳和扭转时，仅需进行强度验算

14、,檩条及节点设计,截面特性均按有效净截面计算,7.其它构件及节点设计,檩条设计 檩条截面验算 屋面板不能阻止檩条的失稳和扭转时，应进行整体稳定性验算,檩条及节点设计,截面特性均按有效净截面计算,7.其它构件及节点设计,檩条设计 檩条截面验算 整体稳定系数按GB50018的规定计算,檩条及节点设计,7.其它构件及节点设计,檩条设计 檩条截面验算 风吸力使檩条下翼缘受压时，因根据屋面能否阻止上翼缘失稳按规程附录E验算檩条稳定性。,檩条及节点设计,7.其它构件及节点设计,檩条设计 檩条变形验算： 验算垂直于屋面方向的挠度,檩条及节点设计,檩条允许挠度: l/150; l/240; l/360,7.其

15、它构件及节点设计,檩条节点构造：对接节点,檩条及节点设计,7.其它构件及节点设计,檩条节点构造：搭接节点,檩条及节点设计,7.其它构件及节点设计,墙梁间距 根据墙面板跨度确定，1.5m左右 墙梁截面形式 一般采用C形冷弯薄壁型钢 墙梁布置应考虑门窗设置的要求 可以设置拉条减小墙梁竖向挠度,墙梁及节点设计,7.其它构件及节点设计,墙梁设计 墙梁为双向受弯构件 水平风荷载+竖向永久荷载 墙面板一般直接落地与基础或防撞墙相连，此时竖向荷载仅包括墙梁自重。 墙梁设计及节点构造参见檩条相关内容,墙梁及节点设计,7.其它构件及节点设计,柔性柱间支撑 20圆钢/交叉支撑/张紧装置 刚性柱间支撑 型钢，设有桥

16、式吊车时采用 角度3060度/约45度；刚架较高时，可分层设置或采用其它形式的支撑或纵向刚架；,柱间支撑设计,7.其它构件及节点设计,柱间支撑的内力计算 纵向荷载：风/吊车/地震 计算模型：支承于柱脚基础的悬臂桁架 纵向荷载由多道柱间支撑共同分担 柱间支撑的截面验算 交叉支撑按拉杆设计 非交叉支撑按压杆设计,柱间支撑设计,7.其它构件及节点设计,屋面水平支撑一般为柔性支撑： 20圆钢/交叉支撑/张紧装置； 角度3060度/约45度,屋面水平支撑设计,7.其它构件及节点设计,屋面水平支撑的内力计算 纵向荷载：风/地震 计算模型：支承于柱顶的水平桁架 纵向荷载由多道屋面水平支撑共同分担 屋面水平支

17、撑的截面验算 交叉支撑按拉杆设计,屋面水平支撑设计,7.其它构件及节点设计,抗风柱一般采用等截面H形钢构件 抗风柱承受的荷载： 竖向永久荷载：自重+山墙的墙板重（山墙落地则无） 水平荷载：山墙风荷载 抗风柱柱脚：铰接柱脚 抗风柱与刚架连接：一般为柔性连接 只传递水平力，不传递竖向力,抗风柱设计,7.其它构件及节点设计,抗风柱一般采用等截面H形钢构件 抗风柱承受的荷载： 竖向永久荷载：自重+山墙的墙板重（山墙落地则无） 水平荷载：山墙风荷载 抗风柱柱脚：铰接柱脚 抗风柱与刚架连接：一般为柔性连接 只传递水平力，不传递竖向力,抗风柱设计,7.其它构件及节点设计,抗风柱内力计算： 两端简支； 抗风柱

18、截面设计： 压弯构件/受弯构件,抗风柱设计,7.其它构件及节点设计,隅撑的作用： 为斜梁的受压下翼缘提供侧向支承 隅撑通常采用单角钢截面构件 隅撑的间距,隅撑设计,7.其它构件及节点设计,隅撑内力：,隅撑设计,*成对布置时，每根隅撑为计算值的一半,隅撑截面验算： 按轴心受压构件设计 单角钢单面连接稳定性验算,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,8.制作与安装,