门式钢架荷载设计教程

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1、v 1.3.1 荷 载 及 荷 载 组 合v 1.3.2 刚 架 的 内 力 和 侧 移 计 算v 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

2、 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 。 在 进 行 刚 架 内 力 分 析 时 ， 荷 载 效 应 组 合 主 要 有 ： 组 合 （

3、 1） ： 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 +0.9 1.4 (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

4、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 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

5、 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 、

6、 柱 构 件 腹 板 的 宽厚 比 ： yftb 235151 yww fth 235250 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 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

7、 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 ： we hh ce hh 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q 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q 轻 型 钢 结 构

8、 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 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 。 efnAefn

9、xW efnyWxM yM 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 215.01 dfef VVMMMM dd VVV 5.0 dVV 5.0 eMM fthAM wff 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 dVV 5.0 dd VV

10、V 5.0 NeMM eeeNe ANWMM 215.01 dNfNeNf VVMMMM ANfthAM wfNf 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 hw 2hw。 当 梁 腹 板 在 剪 应 力 作 用 下 发 生 屈 曲 后 ， 将 以 拉 力

11、 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

12、 件 进 行 计 算 。yw ft 23515 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 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

13、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 。 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 。n 实 腹 式 刚 架 斜 梁 的 平 面

14、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 。 yf23516 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

15、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

16、。 yf23516cos60 hMN 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 。500Hl H 180l 刚 架 节 点 设 计 刚 架 横 梁 与 柱 拼 装 节 点 刚 架 横 梁 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 h1M

17、e（ 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 。Mm axyn iy btN 分 析 研 究 表 明 ， 外 伸 式 连 接 转 动 刚 度 可 以 满 足刚 性

18、 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 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

19、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。 fewe 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

20、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 缝 。 在 端 板设 置 螺 栓 处 ， 应 按 下 列 公 式 验 算 构 件 腹 板 的 强 度 ：n 当 时 ， n 当 时 ，PNt 4.02 PNt 4.02 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

21、 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

22、 ， 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 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 。N ccf 0A 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 ；

23、 底 板 悬 臂 长 度 。再 根 据 底 板 面 积 确 定 底 板 长 度 。0b btc 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 。 m axM 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

24、计 入 柱间 支 撑 的 最 大 竖 向 分 力 ， 此 时 ， 不 考 虑 活 荷 载 (或雪 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

25、 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

26、 。 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l刚 架 内 力 计 算l变 截 面 柱 在 平 面 内 的 整 体 稳 定 计 算l变 截 面 柱 在 平 面 外 的 整 体 稳 定 计 算l斜 梁 的 设 计l刚 架 节 点 设 计