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建筑钢结构应用技术专题讲座

建筑钢结构应用技术专题讲座
讲 稿

二零零四年九月

1. 门式刚架轻型房屋钢结构优化设计介绍
内容主要包括门式刚架、支撑和檩条的优化设计介绍，本章讨论门式刚架设计，支撑和檩条的优化设计在第4章中讨论。
1.1 门式刚架轻型房屋钢结构的组成与其技术特点
1.1.1 门式刚架轻型房屋钢结构的组成
基本组成（图1.1.1）

图1.1.1所示各部件组成能协同工作的、稳定的整体，它们可分成四大部分：
主结构－刚架，吊车梁；
次结构－檩条，墙架柱（与抗风柱），墙；
支撑结构－屋盖支撑，柱间支撑，系杆；
围护结构－屋面（屋面板、采光板、通风器等），墙面（墙板、门、窗）。
1.1.2 门式刚架轻型房屋钢结构的技术特点
门式刚架轻型房屋中的刚架又称山形门式刚架。压型钢板屋面为长坡面排水创造了条件，因而在多跨建筑中常做成单脊双坡的大屋面，多跨建筑的中柱常采用上下铰接的摇摆柱，可用钢管制作，占用空间小，且省材。实腹式单跨刚架的跨度国内最大的达83m，国际上实腹式门式刚架的跨度最大达150m。就面积而论，单幢厂房或超市达几万m2的已屡见不鲜，例如：1998年初竣工投入使用的安徽芜湖951工程1号厂房达7.56万m2（240m×315m）；2002年竣工投入使用的浙江杭萧钢构股份有限公司主厂房达8.76万m2(192m×456m)，等等，与传统的单层房屋相比，这种结构有如下一些特点：
1） 轻；
2） 刚架构件腹板按有效宽度理论和拉力场理论进行受弯和受剪计算，使腹板厚度显著减薄。加之屋面很轻，从而刚架构件可以做得很轻。
a
图1.1.2 受力蒙皮作用示意图
3） 采用压型钢板轻型屋面和墙面，其本身重量既轻亦使支承它的结构也轻，同时，由于屋面与檐檩，脊檩(以与中间檩条)和墙面牢固连接，檩条又与刚架牢固连接，因而屋面压型钢板可视为起应力蒙皮作用的隔板（图1.1.2），从而提高刚架结构的整体刚度，有效减小结构的实际位移，亦因此使檩条和墙梁与其隅撑可作为刚架构件受压翼缘的侧向支承点。
4） 刚架采用变截面，基本上按弯矩图形的变化以与施工方便来改变腹板高度和厚度以与翼缘尺寸(上下翼缘可用不同截面，相邻单元的翼缘也可采用不同截面)，充分做到材尽其用。加之采用轻质屋面，刚架构件以与檩条可以做得很轻，因而有很好的经济性。
5） 刚架的侧向刚度用隅撑来保证，由于隅撑用料很少，其间距可以做得较小，因而刚架构件的翼缘宽度亦可做得小，而腹板高度可加大，允许腹板失稳，利用腹板屈后强度，腹板按有效高度设计，腹板高厚比可做得较大，从而进一步节省材料。
6） 由于刚架构件轻，可以采用平板柱脚以与考虑这种平板柱脚对刚架柱的嵌固作用，支撑也可以做得很轻便。
7） 结构构件可全部在工厂制作，工业化程度高，目前，国内一些大的钢构公司已逐步实行标准化，系列化，构件单元根据运输条件划分，单元之间用螺栓在现场连接，方便快捷。基础亦简单，土建施工量小。亦便于拆迁。
8） 构件单元之间用端板连接，延性好，加之自重轻以与屋面蒙皮作用，对抗震有利。
由于上述特点，这种结构体系用钢省，造价低，制作简便，安装快捷，施工周期短，商品化程度高，而且其适用性广，造型美观，在建筑市场上具有很强的竞争力。但亦因其轻，对于风载较大或者房屋较高时，必须特别注意风载作用下的连接设计与施工。
1.1.3 102:2002的适用范围
102:2002适用于主要承重结构为单跨或多跨的下列单层门式刚架轻型房屋钢结构的设计、制作和安装：
1) 具有轻型屋盖和轻型外墙的房屋。屋面板和墙板材料可选用建筑外用彩色镀锌或镀铝锌压型钢板、夹心压型复合板和玻璃纤维增强水泥外墙板(板)等轻质材料，抗震设防烈度不高于8度时，外墙可采用砌体：当抗震设防烈度不高于6度时，外墙可采用嵌砌或非嵌砌砌体；当抗震设防烈度为7度、8度时外墙可采用非嵌砌砌体。屋面采用夹心压型复合板时其蒙皮作用不如压型钢板屋面板，采用102:2002时宜考虑这一因素。
2) 刚架的跨度不大于36m，檐口高度不大于12.5m。
3) 轻、中级工作制(A15)桥式吊车的起重量不大于20t。悬挂式起重机起重量不大于3t，当有实际需要时起重量允许不大于5t，但必须按第十二章采取加强房屋整体刚度的构造措施。
4) 多层钢结构房屋的顶层采用门式刚架轻型房屋钢结构与其屋盖时，该部分结构的设计、制作和安装可参照 102:2002执行，但应进行整体分析，包括抗震分析，考虑其下部结构对顶层内力和位移的影响。
5) 门式刚架轻型房屋钢结构的构件截面较薄，因此 102:2002不适用于强侵蚀介质环境中的房屋。
1.2 关于结构形式和布置
1.2.1 102:2002不推荐多脊多坡
图1.2.1 多脊多坡与单脊双坡的比较

图1.2.1中作了多脊多坡与单脊双坡房屋的比较，显然，在其它条件都相同的情况下，屋脊两侧各需一根檩条，而内天沟两侧亦各需一根檩条，因此， 多一个屋脊就需要多一根檩条；多一个内天沟也需要多一根檩条，同时也增加内天沟和落水管、室内排水沟的用料，设置内天沟还容易因积水、积雪而加大荷载，甚至导致渗漏。如果因为室内排水沟淤塞需要疏通，还将影响正常使用，多脊多坡不等高刚架上述问题更严重，应尽可能不采用。国内最大单坡长度做到120m, 刚架此时应注意屋面构造，确保排水畅通。不过，当跨度较大，由位移控制设计时，可能要增加刚架的用钢量，此时还是以多脊多坡可能较为有利。

1.2.2 102:2002关于中柱采用摇摆柱的数量限制
风荷载不很大且房屋并不特别高时，为减少刚架用钢量，多跨刚架中间柱可采用两端均为铰接的摇摆柱（简称摆柱），但两根与梁刚接的柱之间摆柱的数量不宜超过三根（图1.2.2）。
图1.2.2 多跨刚架中柱采用摇摆柱的数量限制

1.2.3 刚架的合理间距
　　刚架的用钢量一般说来随其间距的增大而减小，但吊车梁、檩条、墙梁的用钢量则随刚架间距的增大而增大。对于无桥式吊车的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以6m～9m为宜（因为薄钢檩条的截面最大高度不宜超过250）；当没有悬挂荷载或悬挂荷载不挂在檩条上，或采用高频焊接轻型H型钢檩条，或采用格构式檩条时，刚架间距可做到12m，此时侧墙宜设墙架柱；通常，大跨度刚架宜采用大间距，跨度与间距的比一般以3.5～5为宜。对于有10t以上吊车或较大的悬挂荷载的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以6m为宜。
1.2.4 托梁或托架两侧(或一侧)布置纵向水平支撑
在多跨刚架局部抽掉中柱(或边柱)处。可布置托梁或托架。此时应在其两侧(或一侧)布置纵向水平支撑，并向两端各延伸一个开间，如图1.2.3，以加强整体刚度，并保证托梁(托架)的整体稳定性。

图1.2.3 托梁(托架)侧边布置纵向水平支撑
图1.2.2 多跨刚架中柱采用摇摆柱的数量限制

1.2.5 山墙
山墙可设置由斜梁、抗风柱和墙梁与其支撑组成的山墙墙架；当有抗震要求或有扩建要求时，不宜采用山墙墙架，而宜采用门式刚架。

1.3 门式刚架设计
1.3.1 满应力设计法
刚架采用变截面构件，当为承载能力极限状态控制设计时，其截面变化的根据主要是弯曲应力与轴压应力两者计算值“组合”的应力图形的变化。利用截面变化，使各截面“组合应力”与材料设计强度值的比值（以下简称应力比）尽可能接近，也就是使材料分布更接近于应力图形的分布，这就是满应力设计法（或称为等强度设计法）。在确定了结构布置、结构与构件的选型后，在保证安全可靠的前提下，满应力设计法是使刚架设计得经济合理的基本方法，也是采用弹性设计法的变截面刚架较之采用塑性设计法的等截面刚架更为节省刚架用钢量的主要手段。应力比的最大值可以根据计算简图与实际工程的差异情况（例如：杆端约束情况，设计荷载是否充分考虑或尚有裕量等等）以与工程的重要程度和施工水平等因素由设计工程师灵活掌握。
当为正常使用极限状态控制设计，例如：侧移控制时，宜采用Q235钢材，且宜加大梁的抗弯刚度或把铰接柱脚改为刚接柱脚，如果中柱采用摇摆柱时，亦可将其中部分摇摆柱改为与梁刚接的柱，以加大刚架的抗侧移刚度。
1.3.2 变截面刚架的构件形式
1.3.2－1刚架柱
对于无吊车单层轻钢房屋：
边柱与与梁刚接的中柱采用楔形柱；
摆柱与与梁刚接的中柱采用等截面柱（H型钢、圆管、方管、矩形管）
对于有桥式吊车的单层轻钢房屋：
吊车起重量<5t，采用与梁刚接的楔形柱或等截面柱
吊车起重量5t,采用等截面柱,与梁刚接,宜采用刚接柱脚.
1.3.2－2刚架斜梁
可采用楔形梁(图1.3.2－1a)、双楔形梁（图1.3.2－1b）或加腋梁（图1.3.2－1c，d）。选用哪一种形式可结合制作单位的生产工艺而定，国内各公司多采用图1.3.2-1c，d的形式。
图1.3.2.－1 刚架形式及斜梁的构造型式
图1.2.2 多跨刚架中柱采用摇摆柱的数量限制

图

刚架梁可沿梁长分段变化截面高度和腹板厚度、翼缘宽度和厚度，同一运输单元段翼缘不变化宽度，不同单元段连接处梁高度应相等。当翼缘宽度变化明显时（例如相差30以上），宜用梯形板或三角板使翼缘平缓过渡，以免产生应力集中（如图1.3.2－2）
图1.3.2-2 变宽度梁翼缘平缓过渡

初选截面时梁端加腋长度的选取可参考表1.3.2。对于单跨刚架，山尖处的加腋主要是为连接高度的需要，如果山尖一侧斜梁加腋的水平长度与刚架跨度的比值不大于0.05，在内力与变形计算时，可不考虑此段截面变化。
考虑梁端加腋长度时，宜综合考虑如下几个因素：梁端截面的承载力要求以与梁端与柱连接处对连接高度的要求；为利用腹板屈后强度，腹板高度变化率不超过60；梁与中柱采用柱顶平接时，考虑运输长度的限值（火车运输要求构件长度不大于12m）。
表1.3.2 梁端加腋长度与梁跨度的近似比值
单跨或多跨
跨内无桥式吊车
跨内有桥式吊车
与边柱相连
的梁端
与中柱相连
的梁端
与边柱相连
的梁端
与中柱相连
的梁端
单跨
0.2左右

0.25左右

多跨
0.15～0.2
0.2～0.25
0.2～0.25
0.25～0.3
1.3.3 变截面刚架截面尺寸粗估
1.3.3-1 工字形截面尺寸模数（图1.3.3）
截面高度h以10为模数；
截面宽度b以5为模数（多数设计工程师亦取10为模数）；
腹板厚度可取4、5、6、8等，6以后以2为模数；对于技术条件较好，质量控制严格的制作单位，的最小值允许取用3；
翼缘厚度t6，以2为模数。
1.3.3-2 工字形截面的高宽比（）
通常取2~5，承受桥式吊车荷载的柱子宜取小值，梁端与柱的连接为侧接（端板竖放）时，该处梁端可取6.5。
1.3.3-3变截面刚架构件工字形截面尺寸粗估（图1.3.3，表1.3.3）
表1.3.3 变截面刚架构件工字形截面尺寸粗估（图1.3.3）
有无
吊车
单跨
多跨
1
1
0
1
2
1
2
0
无吊车
或
Q＜5t
(10～15)
(30～40)
(30～35)

(55～65)
(10～15)
(30～40)
(12～18)
(35～45)
(30～40)
(30～45)
(45～55)
Q≥5t
(12～18)
(40～50)
(25～30)
(50～55)
(12～18)
(40～50)
(16～20)
(45～55)
(30～35)
(25～30)
(40～50)
注：1为桥式吊车起重量；
2.中柱为摆柱时，将会加大与之相连的梁端弯矩，增加与梁刚接柱的负担。
3.根据国内的研究成果，楔形柱的楔率（见2.3.2－9）取为2~3较为合适；
4.截面尺寸尚与竖向荷载、风载、抗震设防烈度以与刚架间距等诸多因素有关。本表与表1.3.2只为刚开始做门式刚架设计的工程师在设计开始需输入构件尺寸时作参考，希望在使用中总结经验，修正表中数字。
(a) 单跨刚架
(b) 多跨刚架
图1.3.3刚架截面尺寸示意图
图1.2.2 多跨刚架中柱采用摇摆柱的数量限制

注：1、承受桥式吊车起重量≥5t的柱为等截面柱，= ,,柱两端均为刚接；
2、桥式吊车起重量<5t时，可采用楔形柱，但中柱柱顶亦需与梁刚接；
3、无桥式吊车的中柱可采用摆柱或楔形柱；采用楔形柱时柱顶与梁刚接；
4、中柱为摆柱时可按λ≈120粗估截面尺寸，结构计算时再加调整；
5、楔形柱≥200。
1.3.4 关于变截面刚架构件计算
1.3.4-1 腹板高厚比建议值
工字形截面腹板高厚比的建议值：
刚架柱：无桥式吊车时，取≤160；有桥式吊车时，取≤140；
刚架斜梁：取≤180。
1.3.4-2 腹板屈曲后强度的利用
1) 当工字形截面构件腹板受弯与受压板幅利用屈曲后强度时，应按有效宽度理论计算截面特性。
2) 工字形截面构件腹板的受剪板幅的屈曲后强度：
当腹板高度变化不超过60／m时可考虑屈曲后强度（拉力场），腹板在剪力作用下的行为可分为三个阶段[4]，如图1.3.4-1所示。第一阶段是屈服前阶段，腹板只在剪应力τ小于临界剪应力τ的剪力场工作，腹板在剪应力作用下出现主拉应力和主压应力，其作用方向与梁轴成45度角（图1.3.4-1a）；第二阶段是屈曲后阶段，此时板的压应力虽不再增加，但拉应力随荷载的增加而增加（其方向与屈曲前的主拉应力略有差异，图1.3.4-1b），与屈曲前的主拉应力一起形成腹板屈曲后的拉力场，拉力场锚固于上、下翼缘和两旁的加劲肋和腹板，因此利用腹板拉力场时，必须设置腹板横向加劲肋；第三阶段是形成机构而破坏的阶段，屈曲后随着荷载的增加，不仅腹板有一部分受拉屈服，梁的翼缘中还出现塑性铰，使整个梁成为可随时变形的机构（图1.3.4-1c）。
t
w
h
a
o
45
3
s
3
s
1
s
1
s
t
t
t
)
(

t
t
-
)
(

t
t
-
)
(

t
t
-
)
(

t
t
-
q
t
s
t
s
塑
塑性铰
性
带
c
x
V
x
V
图1.3.4-1 受剪板的三个工作阶段
工字形截面构件腹板受剪板幅利用屈曲后强度，应设置横向加劲肋，根据102:2002的有关公式，按有拉力场理论计算。
1.3.4-3 关于刚架构件中设置横向加劲肋的讨论
1） 梁腹板应在与中柱连接处、较大集中荷载作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋；
2) 柱腹板与梁连接处以与用连接板与吊车梁上翼缘相连处应设置横向加劲肋；
3） 梁腹板利用屈后强度时，应按有拉力场理论设置横向加劲肋；
梁腹板利用屈后强度时，其中间加劲肋除承受集中荷载和翼缘转折产生的压力外，还应承受拉力场产生的压力。该压力应按下列公式计算：
－0.9τ （1.3.4－1）

式中 ——腹板高度，对楔形腹板取板幅平均高度；
τ——利用拉力场时腹板的屈曲剪应力；
λw——参数，其计算公式为：

（分母中的系数为37与《钢结构设计规范》50017的41不同，是因为门式刚架的梁端部剪力最大处往往弯矩也最大，因而不考虑翼缘对腹板提供的嵌固作用。50017的对象是简支梁，梁端剪力最大处弯矩很小，翼缘可对腹板起嵌固作用，嵌固系数取1.23，因而37＝41。）
当验算加劲肋稳定性时，其截面应包括每侧宽度范围内的腹板面积，计算长度取。
图1.3.4-2节点处加劲肋的设置
（a）端板竖放
（b）端板横放

4）当腹板平均剪应力τ＝（）符合表1.3.4的要求时，说明没有利用其腹板屈后强度，按无拉力场理论不需设置横向加劲肋。通常刚架斜梁的等截面段和不受水平集中力作用的柱子符合表1.3.4的要求而不需设置横向加劲肋。
表1.3.4 梁腹板不需要设置横向加劲肋的条件

170
16

0
110
100
τ
0.116
0.131
0.149
0.171
0.199
0.233
0.278
0.336
注：1.本表按Q235计算，若采用其它牌号的钢材时，表中第2行的数字尚需乘以235/ ；
2.本表按（1.3.4-2）式计算（取），并按美国：，
考虑两国规范的差异，取恒载、活载分项系数为1.35，即以代入式中的，则得，计算结果基本一致。
3．本表对柱亦适用。
1.3.5 刚架柱的计算
1) 变截面柱在刚架平面内的稳定计算，应符合下列规定：
（1.3.5－1）
（1.3.5－2）
式中 N0 ——小头的轴向压力设计值；
——大头的弯矩设计值；
——小头的有效截面面积；
——大头有效截面最大受压纤维的截面模量；
——杆件轴心受压稳定系数，楔形柱按本篇第二章第二节规定的计算长度系数由现行国家标准《钢结构设计规范》 50017查得，计算长细比时取小头的回转半径；
β——等效弯矩系数，对于有侧移刚架柱取β1.0；
——参数，计算λ时回转半径i0以小头为准，计算长度系数按本篇第二章第二节的规定采用；
注：1. 当柱的最大弯矩不出现在大头时，M1和分别取最大弯矩和该弯矩所在截面的有效截面量。
2．变截面柱在刚架平面内的稳定计算是整体稳定验算，而不是截面验算，如果是完全弹性的理想直杆，对大头和小头都相同。但由于钢材是弹塑性体，且构件有残余应力和几何缺陷，考虑二阶效应，长细比越小按大头计算承载力降低得越多，即小头的（小于大头的因此第一项按小头运算要比按大头安全。
2) 变截面柱在刚架平面外的稳定性，应根据侧向支承点的布置分段进行计算。
3) 截面柱下端铰接时，应验算柱端的受剪承载力，当不满足承载力要求时，应对该处腹板进行加强。
1.3.6 斜梁的计算
斜梁的设计，应符合下列规定：
图1.3.6 隅撑连接
1) 实腹式刚架斜梁在平面内可按压弯构件计算其强度，在平面外应按压弯构件计算稳定性,其平面外的稳定性一般通过设置隅撑来保证。
2) 实腹式刚架斜梁的出平面计算长度，应取侧向支承点间的距离；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。
3) 当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘的两侧布置隅撑（端部仅布置在一侧）作为斜梁的侧向支承，隅撑的另一端连接在檩条上，见图1.3.6。
4) 当斜梁上翼缘承受集中荷载处不设横向加劲肋时，除应按现行国家标准《钢结构设计规范》 50017的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，尚应满足下列要求，以验算腹板在集中力作用下的屈皱：
（1.3.6－1）
（1.3.6－2）
式中 F——上翼缘所受的集中荷载；
、——分别为斜梁翼缘和腹板的厚度；
m——参数, m≤ 1.0，在斜梁负弯矩区取零；
M——集中荷载作用处的弯矩；
——有效截面最大受压纤维的截面模量。
5) 斜梁不需计算整体稳定性的侧向支承点间最大长度，可取斜梁受压翼缘宽度的
倍。
1.3.7 单面角焊缝
图 1.3.7 单面角焊缝
为减少腹板因焊接产生变形，并提高工效，当T形接头的腹板厚度不大于8且不要求全熔透（例如刚架构件工字形截面的翼腹连接焊缝），在技术设备和其它技术条件具备时，经工艺评定合格，单面角焊缝（图1.3.7）应符合下列规定，可采用自动或半自动埋弧焊
（跨度较大又设置10吨与以上吊车的刚架柱不宜采用）
1) 单面角焊缝适用于仅承受剪力的焊缝；
2) 单面角焊缝仅可用于承受静态荷载和间接动态荷载的、非露天和不接触强腐蚀性介质的结构构件；
3) 焊脚尺寸、焊喉与最小根部熔深应达到表1.3.7的要求；
4) 经工艺评定合格的焊接参数、方法不得变更；
5) 柱与底板的连接，柱与牛腿的连接，梁端板的连接，吊车梁与支承局部悬挂荷载的吊架等，除非设计专门规定，不得采用单面角焊缝。
表1.3.7 单面角焊缝参数（）
腹板厚度

最小焊脚尺寸
k
有效厚度
H
最小根部熔深
（焊丝直径1.2~2.0）J
3
3
2.1
1.0
4
4
2.8
1.2
5
5
3.5
1.4
6
5.5
3.9
1.6
7
6
4.2
1.8
8
6.5
4.6
2.0
1.3.8 节点设计
1) 端板连接
门式刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放（图1.3.8-1a）、端板横放（图1.3.8-1b）和端板斜放（图1.3.8-1c）三种形式。斜梁拼接时宜使端板与构件外边缘垂直（图1.3.8-1d）
（a）端板竖放
（b）端板横放
（c）端板斜放
（d）斜梁拼接
图1.3.8－1刚架斜梁的连接

柱翼缘与梁端端板用高强螺栓连接时（图1.3.8－1a）,连接处柱翼缘厚度应与梁端端板相同，但不应切割柱腹板（图1.3.8－1a）。
端板横放（即柱顶平接）时，对于刚接节点，连接螺栓宜尽量放置在柱翼缘的外侧，螺栓数量由计算确定；对于摇摆柱，连接螺栓宜尽可能置于柱翼缘的内侧，一般采用四个螺栓。梁腹板与柱翼缘连接处应设置加劲肋。
端板与其连接节点应符合下列规定：
(1) 端板连接（图1.3.8－1）应按所受最大内力设计。当内力较小时，端板连接应按能够承受不小于被连接截面承载力的一半设计。
(2) 主刚架构件的连接应采用高强度螺栓，可采用承压型或摩擦型连接。不得采用普通螺栓。当为端板连接且只受轴向力和弯矩，或剪力小于其抗滑移承载力（按抗滑移系数为0.3计算，以考虑摩擦面涂刷防锈漆或不涂油漆的干净表面情况）时，端板表面可不作专门处理。吊车梁与制动梁的连接可采用高强度摩擦型螺栓连接或焊接。吊车梁与刚架的连接处宜设长圆孔。高强度螺栓直径可根据需要选用，通常采用M1624螺栓。檩条和墙梁与刚架斜梁和柱的连接通常采用M12普通螺栓。
(3) 端板连接的螺栓应成对对称布置。在斜梁的拼接处，应采用将端板两端伸出截面高度范围以外的外伸式连接（图1.3.8－1）。在斜梁与刚架柱连接处的受拉区，宜采用端板外伸式连接（图1.3.8－1）。当采用端板外伸式连接时，宜使翼缘内外的螺栓群中心与翼缘的中心重合或接近。
(4) 螺栓中心至翼缘板表面的距离，应满足拧紧螺栓时的施工要求，不宜小于35。螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径。
(5) 在门式刚架中，受压翼缘的螺栓不宜少于两排。当受拉翼缘两侧各设一排螺栓尚不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓（图1.3.8－2），其间距可取75，且不小于3倍螺栓孔径。
(6) 与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度（图1.3.8－2）。当端板上两对螺栓间的最大距离大于400时，应在端板的中部增设一对螺栓。
(7) 对同时受拉和受剪的螺栓，应验算螺栓在拉、剪共同作用下的强度。
(8) 端板的厚度t应根据支承条件（图1.3.8－3）按下列公式计算，但不应小于16 。（端板计算公式是根据“塑性分析，弹性设计”、经过多项试验验证，按不同支承情况下的屈服线得出的。例如，对于伸臂类端板，考虑了通过螺栓中心线与其根部各有一条屈服线时得出的，如果采用普通螺栓连接将不可能产生产生屈服线，因此不能采用普通螺栓连接）。
图1.3.8-2端板竖放时的螺栓和檐檩

图1.3.8-3 端板的支承条件

a) 伸臂类端板
（1.3.8－1）
b) 无加劲肋类端板
（1.3.8－2）
c) 两边支承类端板
当端板外伸时
（1.3.8－3a）
当端板平齐时
（1.3.8－3b）
c) 三边支承类端板

（1.3.8－4）

式中和图中——一个高强度螺栓的受拉承载力设计值；
、——分别为螺栓中心至腹板和翼缘板表面的距离；
b、——分别为端板和加劲肋板的宽度；
——螺栓的间距；
f——端板钢材的抗拉强度设计值。
(9) 在门式刚架斜梁与柱相交的节点哉，应按下列公式验算剪应力：
（1.3.8－5）

（1.3.8－6）
式中、——分别为节点域的宽度和厚度；
——斜梁端部高或节点域高度；
M——节点承受的弯矩，对多跨刚架中间柱处，应取两侧斜梁端弯矩的代数和或柱端弯距；
——节点域钢材的抗剪强度设计值。
当不满足公式（1.3.8-5）的计算要求时，可设置腹板加劲肋或局部加厚腹板。
(10) 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对接组合焊缝或与腹板等强的角焊缝，坡口形式应符合现行国家标准《气焊、手工电弧焊与气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》985的规定。在端板设置螺栓处，应按下列公式验算构件腹板的强度：
当2≤0.4P时 （1.3.8－7）

当2≤0.4P时 (1.3.8－8)
式中：2——翼缘内第二排一个螺栓的轴向拉力设计值；
P——高强度螺栓的预拉力；
螺栓中心至腹板表面的距离；
——腹板厚度；
f——腹板钢材的抗拉强度设计值。
公式（1.3.8－7）和（1.3.8－8）表示腹板边缘在螺栓拉力作用下，平面内拉应力验算。取板边的拉力分布长度等于螺栓中心到腹板的距离。
当不满足公式（1.3.8－7）和（1.3.8－8）的要求时，可设置腹板加劲肋或局部加厚腹板。

2) 柱脚设计
(1) 平板柱脚
门式刚架轻型房屋钢结构的柱脚，宜采用平板式铰接柱脚（图1.3.8－4a、b）。当有必要时，也可采用刚接柱脚（1.3.8－4c、d）。
变截面柱下端的宽度应视具体情况确定，但不宜小于200。
柱身与底版可采用角焊缝连接，对重要工程宜采用全熔透焊缝。
图1.3.8-4门式刚架轻型房屋钢结构的柱脚

图1.3.8-5 柱底板下的抗剪键

柱脚锚栓应采用Q235钢或Q345钢制作。锚栓的锚固长度应符合现行国家标准设计规范 50010的规定，锚栓端部应按规定设置弯钩。锚栓长度不小于锚栓直径的25倍（不含弯钩），当埋置深度受到限制时，锚栓应牢固地固定在锚板或锚梁上，以传递锚栓的全部拉力，此时不考虑锚栓混凝土之间的粘结力。锚栓的直径不宜小于24，且应采用双螺帽。计算锚栓直径，设计内力宜乘以不小于1.3的系数。
计算有柱间支撑的柱脚锚栓在风荷载作用下的上拔力时，应计入柱间支撑产生的最大竖向分力，且不考虑活荷载（或雪荷载）、积灰荷载和附加荷载的影响，恒荷载分项系数应取1.0。
通常柱底板上的锚栓孔径取1.5倍的锚栓直径，底板就位校正后再套上垫板，并将垫板与柱底板焊接。锚栓与柱底板一般是不接触的，因此，柱脚锚栓不宜用于传递柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力承受（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键承受。计算柱脚锚栓的受拉承载力时，应采用螺纹的有效截面面积。亦可参考日本的做法，取孔径不大于锚栓直径5，此时可考虑锚栓抗剪，施工时锚栓群应采用定位支架。
(2) 插入式柱脚
插入式柱脚中，钢柱插入混凝土基础杯口的最小深度可按表1.3.8取用，但不宜小于500，亦不宜小于吊装时钢柱长度的1/20。
表1.3.8 钢柱插入杯口的最小深度
柱截面形式
实腹柱
双肢格构柱（单杯口或双杯口）
最小插入深度
1.5或1.5
0.5和1.5（或）的较大值
注： 1 为柱截面高度（长边尺寸）；为柱截面宽度；为圆管柱的外径。
2 钢柱底端至基础杯口的距离一般采用50，当有柱底板时，可采用200。
(3) 埋入式柱脚与外包式柱脚
预埋入混凝土构件的埋入式柱脚，其混凝土保护层厚度以与外包式柱脚外包混凝土的厚度均应不小于180。
钢柱的埋入部分和外包部分均宜在柱的翼缘上设置圆柱头焊钉（栓钉），其直径不得小于16，水平与竖向中心距不得大于200。
埋入式柱脚在基础中的埋深可参照表1.3.8的实腹柱，在埋入部分的顶部应设置水平加劲肋或隔板，柱外周应采用Φ9以上的箍筋。
外包式柱脚的外包部分高度不得小于钢柱截面高度的2倍，外包部分的四根主筋筋顶部应设置弯钩，通过栓钉将弯矩传至外包层，栓钉数量应满足传力要求，必须经过计算。对于较大的柱，应采用直径19的栓钉。

2. 超过102:2002应用范围时门式刚架轻钢房屋的设计探讨
2.1 跨度或高度超过适用范围时应考虑的主要因素
1) 结构选型
可选用图2.1或其它有效的门式刚架形式。屋盖各处坡度宜小于1:20，但不宜大于1：10。梁、柱截面可采用实腹式（可在腹板处开纵向椭圆孔以减轻自重），亦可采用格构式。

图2.1 刚架形式二例
（a）边柱略内倾
（b）边柱略内倾，斜梁为折线形

2) 设计计算
(1) 材料：刚架构件宜选用Q345B与以上等级的钢材；
(2) 支撑内力计算：风荷载主要由两端支撑桁架承受，按50017不宜考虑各榀支撑桁架均匀受力；
(3) 抗震设计：柱子较高，房屋跨高比小于3.5时，即使是抗震设防烈度为7度的地区也可能由地震作用的荷载效应组合控制设计，因此应充分考虑地震作用并采取抗震构造措施；跨度60m以上，应考虑竖向地震作用的影响。
(4) 不直接承受动载的构件，按有效截面计算：对于不直接承受动载的构件，如斜梁等，仍可按50017规定考虑按有效截面计算。
(5) 大跨度建筑（跨度≥60m）以与重要工程：对于大跨度建筑（跨度≥60m）以与重要工程，应按一级建筑考虑，取=1.1；尚应按50017考虑构件变形、支座结构位移、边界约束条件和温度变化对其内力的影响；并应进行吊装阶段的验算。
(6) 位移限值: 应根据面板与檁条的连接做法与对其蒙皮效应可能产生的影响参照 50017的规定确定适当的位移限值；
3) 构造要求
(1) 设置屋盖纵向水平支撑，与横向支撑一起组成封闭体系，增强房屋的整体刚度；
(2) 系杆采用型钢：刚架梁、柱受压翼缘的侧向稳定性不宜由檩条、墙梁加设隅撑来保证，必须另加系杆才能保证其侧向稳定性；系杆可采用型钢（圆钢管、方钢管、高频焊轻型H型钢、双角钢等）；
(3) 支撑：交叉支撑不能再用圆钢，支撑桁架各杆件必须采用型钢；
(4) 中柱不宜采用摆柱；
(5) 柱脚宜采用带靴梁的刚接柱脚；
(6) 节点应采用高强度螺栓连接。
2.2 桥式吊车起重量大于20t且工作级别大于A5的厂房
1) 结构选型
(1) 不宜用牛腿来搁置吊车梁，宜采用阶形柱；
(2) 下柱截面宜选用 、 、 或格构柱；
2) 设计计算
(1) 选材与支撑桁架计算：同2.1中2)第1、2款；
(2) 抗震设计：在抗震设防地区的厂房，应重视地震作用效应组合与抗震构造措施；
(3) 位移限值：同2.1中2）第5款。
3） 构造要求：同2.1中3）。

3. 混凝土柱上轻钢屋盖结构设计若干问题
考虑使用要求，防火与防腐要求，有一些实际工程采用钢筋混凝土柱和轻钢屋盖，本章可以把轻钢屋盖的承重结构设计成不带拉杆的两铰直线拱，或带拉杆的两铰直线拱，或梁端与混凝土柱刚接做成混合门式刚架。拱脚或梁端的推力有助于减少拱肋或斜梁的弯矩，这对结构受力是有利的。
结构平面布置、屋盖檩条与支撑布置和挠度限值同门式刚架轻型房屋钢结构。混凝土柱按《混凝土结构设计规范》50010-2002设计。
3.1 混凝土柱上的两铰直线拱
1) 等截面两铰直线拱的静力分析
(1) 不考虑拱脚相对位移（图3.1-1）
对于图3.1-1a所示的两铰直线拱，是一次超静定结构。设、分别为拱肋的抗弯和抗拉（压）刚度；I、A分别为拱肋的截面惯性矩和截面积；为拱肋坡度；L为其跨度；F为矢高。则
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（3－1）
或
（3—2）
（a） 原结构
（b）基本体系
（c） M图
（d） N图
图3.1-1 用力法求解两铰直线拱

用力法求解，取基本体系如图3.1-1b，并约定弯矩使拱肋内侧受拉为正。
考虑到两铰直线拱的拱肋所受轴力较大，用力法求解时必须同时考虑弯曲变形和轴向变形对位移的影响,其力法方程为
（3—3）
式中：

用图乘法可求出和，由（3-3）式可得：
（3－4）
（3－5）
图3.1-2带拉杆的两铰直线拱
有些建筑结构静力计算手册用力法求解两铰拱时不考虑轴向变形对位移的影响，产生的误差太大，不能用于工程设计。其他荷载情况，只要求出仍然可由（3-3）式求出水平反力。
(2)考虑拱脚相对位移：
a 带拉杆的两铰直线拱：
设拉杆的抗拉（压）刚度为，和分别为拉杆的弹性模量和截面积。则考虑拱拉杆的轴向变形，拱拉杆的轴拉力为：
（3-6）
（3-7）
b 不带拱拉杆的两铰直线拱：
图3.1-3 拱脚产生相对位移
设两端拱