轻型钢结构讲义6.pptx

16.1 概述 6-1.1 门式刚架结构的组成 门式刚架按结构体系分为实腹式和格构式，一般来说格构式刚架属于普通钢结构范畴，实腹式刚架多属于轻型钢结构。门式刚架轻型房屋钢结构技术规程规定：轻型门式刚架承重结构为单跨或多跨实腹式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20 t 的A1A5工作级别桥式吊车或 3t 悬挂式起重机的房屋结构。其结构组成如图所示。檩条刚架屋面板墙面板墙梁2 在轻型门式刚架结构体系中，承重骨架刚架采用焊接工字钢（等截面或变截面）、热轧 H型钢或冷弯薄壁型钢；利用冷弯薄壁型钢做檩条、墙梁；以压型钢板或压型铝板做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等做保温隔热材料。山墙处可设置由斜梁、抗风柱和墙架组成的山墙，或直接采用门式刚架。单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨刚架的梁柱节点采用刚接和铰接并用，柱脚多按铰接设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。当用于工业厂房且有5t 以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。6-1.2 门式刚架结构的特点 重量轻。3 屋面、墙面多采用轻型材料，重量轻，同时可减小刚架梁、柱截面，基础也相应减小，使得基础的处理费用相对较低。在相同的跨度和荷载条件下，单层门式刚架的自重仅约为钢筋混凝土结构的 1/201/30，单层门式刚架承重结构的用钢量一般为1030kg/m2。柱网布置灵活。传统的结构形式受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6m，门式刚架结构的维护体系采用金属压型钢板，因此柱网布置可不受模数限制。竖向荷载通常是门式刚架的控制荷载。一般情况下，地震作用参与的内力组合对刚架设计不起控制作用。风荷载产生的吸力可能会使轻型屋面材料、檩条的受力与通常情况下的受力反向。4 所以风荷载对门式刚架的受力影响较大，当风荷载较大或房屋较高时，风荷载可能成为刚架设计的控制荷载。支撑简化。门式刚架体系的整体性可以通过檩条、墙梁及隅撑来保证，减少了屋盖支撑的数量，所设支撑可直接或用节点板与刚架相连，在非抗震区也可以采用张紧的圆钢。工业化程度高，施工周期短，经济效益好。构件单元可根据运输件划分，每个运输单元均为工厂制作，质量易于保证，单元之间在现场用高强螺栓或焊接连接，安装方便迅速，施工周期短，经济效益高。轻型门式刚架通常用于跨度936m、柱距69m、平均柱高4.59m的建筑，有桥式吊车时柱高不宜大于12m。特别适合于设有较小起重量的单、多层工业厂房、仓库、大型超市、车站候车室、活动房屋及加层建筑等。56-2 结构形式和结构布置 6-2.1 门式刚架的结构形式 门式刚架分为单跨、双跨和多跨以及带挑檐的和带毗屋的刚架，如图所示。（a）单跨单坡（c）单跨双坡（e）四跨双坡（d）三跨双坡（f）双跨多坡（g）双跨多坡（j）双跨单坡（带毗屋）（i）单跨双坡（带挑檐）（h）双跨双坡（b）双跨单坡6 多跨刚架宜采用双坡或单坡屋盖，而多坡刚架的内天沟易产生渗漏和堆雪及积灰现象，不等高刚架（图g）这一问题更加严重，实际工程中需慎重选择这种刚架形式。多跨刚架中间柱与斜梁的连接可采用铰接也可采用刚接。双坡多跨刚架用于无桥式吊车房屋时，若刚架柱不是特别高且风荷载也不很大时，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱（如图 d、h 所示），摇摆柱不参与抵抗侧力，所需截面比较小，连接构造也铰简单。若房屋设有桥式吊车，中柱宜为两端刚接（如图 e所示），增加房屋的侧向刚度，与刚架共同承担侧向力。根据跨度、高度和荷载不同，门式刚架的梁、柱可采用变截面或等截面实腹工字形截面或轧制 H形截面。7 设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。变截面构件通常改变腹板的高度做成楔形；必要时也可改变腹板厚度。结构构件在安装单元内一般不改变翼缘截面，当必要时可改变翼缘厚度；邻接的安装单元可采用不同的翼缘截面，两单元相邻截面高度宜相等。变截面与等截面相比，前者可以适应弯矩变化，节约钢材，但在构造连接及加工制造方面不如等截面方便，故当刚架跨度较大或房屋较高时才设计成变截面。门式刚架轻型房屋的屋面坡度宜取1/81/20，在雨水较多的地区宜取其中的较大值。6-2.2 门式刚架的结构布置 1.刚架的建筑尺寸与柱网的布置8 变截面门式刚架的几何尺寸如图所示。斜梁的轴线取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。柱的轴线取通过柱下端（较小端）的竖向轴线，工业建筑边柱的定位轴线宜取柱外皮。当边柱采用变截面柱宽度不等时，其外侧应对齐。门式刚架的跨度，应取横向刚架柱轴线间的距离，通常936m。门式刚架的高度，应取地坪至柱轴线与斜梁轴线交点的高度。LhS 门式刚架的几何尺寸9 刚架高度应根据使用要求的室内净高确定，有吊车的厂房应根据轨顶标高和吊车净空要求确定，一般平均柱高4.59 m，有吊车时柱高不宜大于12m。门式刚架轻型房屋的檐口高度，应取地坪至房屋外侧檩条上缘的高度。门式刚架轻型房屋的最大高度，应取地坪至屋盖顶部檩条上缘的高度。门式刚架轻型房屋的宽度，应取房屋侧墙墙梁外皮之间的距离。门式刚架轻型房屋的长度，应取两端山墙墙梁外皮之间的距离。门式刚架的间距，即柱网轴线在纵向的距离应根据刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素综合考虑，一般宜为6m，也可采用7.5m、9m，最大可用12 m，跨度较小时，刚架的间距可取4.5 m。10 挑檐长度宜为0.51.2 m，其上翼缘坡度应与刚架斜梁坡度相同。2.变形缝的设置 门式刚架轻型房屋的构件和维护结构，通常刚度不大，温度应力相对较小，因此其温度区段的长度应比传统结构形式放宽，但应符合下列规定：纵向温度区段长度 300m，横向温度区段长度 150m，当有计算依据时，温度区段长度可适当加大。当房屋的平面尺寸超过上述规定时，需设置伸缩缝，可采用两种做法：设置双柱；在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔，并使该处 屋面板在构造上允许胀缩。11 若设有吊车，吊车梁与柱的连接处宜采用长圆孔。3.檩条和墙梁的布置 屋面檩条的布置，应考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素的影响。屋面檩条一般按等间距布置，但在屋脊处，应沿屋脊两侧各布置一道檩条，保证屋面板的悬伸长度不要过长（一般小于200mm）。屋面压型钢板的厚度和檩条间距应按计算确定。侧墙墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和维护材料的要求。侧墙采用压型钢板作维护面时，墙梁宜布置在刚架柱的外侧，其间距随墙板板型和规格确定，且不应大于计算要求的值。12 4.支撑布置 作用于山墙上的风荷载、吊车的纵向水平荷载、纵向地震力等均要求结构具有足够的纵向刚度，这在结构上可以通过合理的设置柱间支撑和屋盖支撑来实现。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。门式刚架结构应在其横梁顶面设置横向水平支撑，在刚架柱间设置柱间支撑。由于门式刚架轻型房屋的构件和维护结构刚度不大，温度应力和温度变形相对较小，所以柱间支撑宜设在温度区段端部的第一个或第二个柱间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向柱距、受力情况和安装条件确定。当无吊车时宜取3045m；13 当有吊车时宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处，且间距不宜大于60m；当建筑物宽度大于60m，在内柱列适当增加柱间支撑。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，如图所示。柱间支撑墙梁刚架(b)纵墙刚架檩条屋盖支撑（a）屋面14 若柱间支撑与横向支撑设在第二开间，则应在第一开间的相应位置设置刚性系杆；在刚架转折处（单跨房屋边柱柱顶和屋脊，以及多跨房屋某些中间柱柱顶和屋脊）应沿房屋全长设置刚性系杆，且应设在受压翼缘处。由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑，可由檩条兼作，按压弯构件设计；当不满足时，可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其它截面的杆件。门式刚架轻型房屋结构的支撑，可采用带张紧装置的十字交叉圆钢，圆钢与相连构件的夹角应在3060范围内，宜接近45。圆钢应采用特制的连接件与梁、柱腹板相连，如图所示。当设有起重量不小于5t的桥式吊车时，柱间宜采用型钢支撑。在温度区段端部吊车梁以下不宜设置柱间刚性支撑。腹板连接件支撑斜杆15 在设有带驾驶室且起重量大于15t 桥式吊车的跨间，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。6-3 门式刚架的内力分析和变形计算 6-3.1 门式刚架的计算简图 门式刚架分为变截面门式刚架和等截面门式刚架两种，刚架的柱脚多按铰接设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓，当用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。铰接变截面门式刚架的计算简图如图所示。LhSSIb1Ic1Ib0Ib2Ic0 S(1-)S166-3.2 门式刚架的荷载计算 设计轻型门式刚架结构所涉及的荷载，除现行门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102：2002)有专门规定除外，一律按现行国家标准建筑结构荷载规范（GB500092001）采用。1.永久荷载 刚架所承受的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自重，如屋面板、檩条、支撑、刚架、墙架、保温材料及吊顶、管线等悬挂荷载。永久荷载可根据荷载设计确定，如屋面板、檩条，也可事先预估。一般压型钢板的自重标准值可取0.10.15 kN/m2。实腹式檩条的自重标准值可取0.050.1 kN/m2。轻质保温材料的自重标准值可取0.1 kN/m2。17 刚架横梁及支撑的自重标准值可取0.100.30kN/m2。墙架的自重标准值可取0.250.45 kN/m2，檐口高度大时可取大值。2.可变荷载 (1)屋面均布活荷载 屋面水平投影面上的均布活荷载按如下规定采用：不上人屋面的均布活荷载标准值取0.5 kN/m2。上人屋面的均布活荷载标准值取2.0 kN/m2。当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）取0.5 kN/m2，对受荷水平投影面积超过 60 m2的刚架结构，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3 kN/m2。设计屋面板和檩条时应考虑施工检修集中荷载（人和小工具的重力），其标准值为1 kN，作用在最不利位置。18(2)屋面雪荷载 雪荷载标准值按建筑结构荷载规范的规定采用，设计屋面板、檩条时应考虑在屋面天沟、阴角、天窗挡风板内和高低跨连接处的荷载增大系数或不均匀分布系数。(3)屋面积灰荷载 对于生产中有大量排灰的厂房及其邻近建筑物，应考虑屋面积灰荷载，依据建筑结构荷载规范（GB500092001）的规定查取屋面积灰荷载的标准值。同屋面雪荷载一样，设计屋面板、檩条时应考虑在屋面天沟、阴角、天窗挡风板内和高低跨连接处等的荷载增大系数或不均匀分布系数。(4)吊车荷载 包括竖向荷载和横向及纵向水平荷载，按照建筑结构荷载规范的规定采用。19(5)地震荷载 按建筑抗震设计规范的规定计算。(6)风荷载 按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程附录A的规定，垂直于建筑物表面的风荷载可按下式计算：式中：wk：风荷载标准值（kN/m2）；w0：基本风压，按照荷载规范的规定值 乘以1.05采用；z：风荷载高度变化系数，按照荷载规范 的规定采用，当高度小于10m时，按10m高度处的数值 采用；s：风荷载体形系数。20 对于双坡及单坡门式刚架轻型房屋，当其屋面坡度不大于10、屋面平均高度不大于18m、房屋高宽比不大于1、檐口高度不大于屋面的最小水平尺寸时，风荷载体形系数s 按照下图和下表采用。1E2E3E4E123455E6E6中间区端区端区B2ZHZ(a)双坡刚架21注：屋面与水平面的夹角；B：建筑宽度；H：屋顶至地面的平均高度，可近似取檐口高度；Z：计算刚架时的宽度，取建筑最小水平尺寸的10或0.4H中 之较小值，但不得小于建筑最小尺寸的4或1m。端区宽 度取Z(横向)和2Z(纵向)。1E2E3E4E123455E6E6中间区端区端区B/22ZHZ(b)单坡刚架B/2B22 刚 架 的 风 荷 载 体 形 系 数表注：1 表中，正号（压力）表示风力由外朝向表面；负号（拉力）表示风力自表面向外离开，下同；2 屋面以上的周边伸出部位，对1区和5区可取+1.3，对4区 和6区可取-1.3，这些系数包括了迎风面和背风面的影响；3 当端部柱距不小于端区宽度时，端区风荷载超过中间区风 荷载的部分，宜直接由端刚架承受；4 单坡房屋的风载体形系数，可按双坡房屋的两个半边处理。建筑类型 端 区 1E 2E 3E 4E 5E 6E 封 闭 式 +0.50-1.40-0.80-0.70+0.90-0.30 部分封闭式 +0.10-1.80-1.20-1.10+1.00-0.20 建筑类型 中 间 区 1 2 3 4 5 6 封 闭 式 +0.25-1.00-0.65-0.55+0.65-0.15 部分封闭式 -0.15-1.40-1.05-0.94+0.75-0.0523 6-3.3 门式刚架的内力计算及荷载组合 1.荷载组合 按照建筑结构荷载规范（GB500092001）的规定，在承载能力极限状态的计算中，应考虑荷载效应的基本组合。由于轻型门式刚架结构的自重较轻，基本组合中的荷载效应由可变荷载效应起控制作用，永久荷载不起控制作用，所以按照建筑结构荷载规范的规定，对于一般的刚（框）架，取下列简化公式中的最不利值计算荷载效应：在刚架内力分析时，所需考虑的荷载组合主要有：24 (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）；(2)1.0永久荷载1.4风荷载；(3)1.0永久荷载0.91.4（风荷载邻跨吊车水平 荷载）；组合（1）进行效应叠加时，起有利作用者不叠加，主要用于最大弯矩及相应的轴力和剪力的计算以进行刚架截面的计算，组合（2）、（3）主要用于计算最小轴力及相应的弯矩以进行柱脚和锚栓的计算。(4)多台吊车的组合应符合建筑结构荷载规范规定；(5)当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考 虑，其荷载组合可按下式计算：25 计算刚架地震作用及自振特性时，永久荷载标准值0.5屋面活荷载标准值吊车 荷载标准值。当考虑地震作用组合的内力时，1.2永久荷载标准值1.4（0.5屋面活荷载标 准值吊车荷载标准值）+1.3地震作用标准值。由于门式刚架结构的自重较轻，地震作用产生的荷载效应一般较小。设计经验表明：当抗震设防烈度为7度而风荷载标准值大于0.35 kN/m2，或抗震设防烈度为8度而风荷载标准值大于0.45 kN/m2时，地震作用的组合一般不起控制作用。2.内力计算 确定门式刚架的内力时，可采用弹性分析方法和塑性分析方法。26 塑性分析方法不适用变截面刚架、格构式刚架及有吊车的刚架，仅适用于刚架的梁、柱全部为等截面的情况。而实际工程中等截面的刚架应用较少，故本章仅叙述有关弹性分析方法的内容。进行内力分析时，取单榀刚架按平面结构计算，一般不考虑受力蒙皮效应，仅将其视为安全储备。变截面门式刚架内力计算时可采用电子计算机及专用程序进行，计算时将变截面的梁、柱构件分为若干段，每段的几何特性当作常量，或采用楔形单元；亦可按门式刚架计算公式进行，计算公式详见本章附录。3.控制截面及最不利内力组合 刚架在各种荷载作用下的内力确定之后，即可进行内力组合，以求得刚架梁、柱各控制截面的最不利内力作为构件设计的依据。27 控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面，如图所示。计算刚架梁控制截面的内力组合时，应考虑下列三种最不利内力组合：Mmax及相应的V；Mmin(即最大负弯矩)及相应的V；Vmax及相应的M。对于刚架横梁，梁支座截面是最大负弯矩及最大剪力作用的截面，在水平荷载作用下也可能出现最大正弯矩，故需考虑上面三种组合；梁跨中截面一般是最大正弯矩作用的截面，在风荷载作用下也可能出现最大负弯矩，故需考虑以上、组合。计算刚架柱控制截面的内力组合时，应考虑下列四种最不利内力组合：122334412112刚架梁计算截面 刚架柱计算截面28 Nmax及相应的M、V；Nmin及相应的M、V；Mmax及相应的N、V；Mmin(即最大负弯矩)及相应的N、V。由于门式刚架自重轻，柱脚锚栓在强风作用下有可能受到上拔力，所以需计算第种组合。刚架梁中内力符号：弯矩以使梁的下部受拉为正，反之为负；剪力以绕杆端顺时针为正，逆时针为负。刚架柱中内力符号：弯矩以使柱的左侧受拉为正，反之为负；轴力以受压为正，受拉为负。刚架梁、柱内力组合可列表进行。6-3.4 门式刚架的侧移计算 变截面门式刚架的柱顶侧移采用弹性分析方法进行。29 侧移计算可用计算机计算，也可按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程给出的柱顶侧移的简化计算公式计算。当单跨变截面门式刚架斜梁上缘坡度不大于1:5时，在柱顶水平力作用下的侧移 u，可按下列公式估算：柱脚铰接刚架 柱脚刚接刚架 式中：h、L：分别为刚架柱高度和刚架跨度，当坡度大于1:10时，L应取横梁沿坡折 线的总长度2s，尺寸详见下图变截面门 式刚架的计算简图。(a)(b)(c)30 Ic、Ib：分别为柱和横梁的平均惯性矩，可按下列公 式计算：楔形构件：双楔形横梁：式中：Ic0、Ic1：分别为柱小头和柱大头的惯性矩；Ib0、Ib1、Ib2：分别为楔形横梁最小截面、檐口 和跨中截面的惯性矩；：楔形横梁长度比值；H：刚架柱顶等效水平力，按下式计算。LhSSIb1Ic1Ib0Ib2Ic0 S(1-)S31 当刚架承受沿柱高度均布的水平风荷载作用时，如图所示，柱顶等效水平力H可取为：柱脚铰接刚架 柱脚刚接刚架 式中：W：均布风荷载的总值，；w1、w4：分别为刚架两侧承受的沿柱高度分布的 水平风荷载，kN/m。当刚架承受吊车的水平荷载Pc作用时，如下图所示，柱顶等效水平力H可取为：hhHw1hhHPc h32 柱脚铰接刚架 柱脚刚接刚架 式中：吊车水平荷载Pc作用高度与柱高度之比。中间柱为摇摆柱的两跨或多跨刚架。柱顶侧移也采用公式（a）或（b）计算，但公式（c）中的 L 应以双坡斜梁全长 2s 代替，s为单坡长度。当中间柱与横梁刚性连接时，可将多跨刚架视为多个单跨刚架的组合体（每个中间柱分为两半，惯性矩各取I/2），按下列公式计算整个刚架在柱顶水平荷载作用下的侧移：ss如图所示，33式中：柱脚铰接时各单跨刚架的侧向刚度之和；hi：所计算跨两柱的平均高度；li：与所计算柱相连接的单跨刚架梁的长度；Iei：两柱惯性矩不相同时的等效惯性矩；Il、Ir：分别为左、右两柱的惯性矩；Ibi：与所计算柱相连接的单跨刚架梁的惯性矩；ti：所计算柱与相连接的单跨刚架梁的线刚度比 值。34 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程对于变形作出如下规定：计算钢结构变形时，可不考虑螺栓孔引起的截面削弱。单层门式刚架的柱顶位移设计值，不应大于下表规定的限值。刚 架 柱 顶 位 移 设 计 值 的 限 值 注：表中h为刚架柱高度 受弯构件的挠度与其跨度的比值，不应大于下表规定的限值。吊 车 情 况 其 它 情 况 柱顶位移限值 无 吊 车 当采用轻型压型钢板时 当采用砌体墙时 h/60 h/100 有 桥 式 吊 车 当吊车有驾驶室时 当吊车由地面操作时 h/400 h/18035 受弯构件的挠度与跨度比限值 注：1 表中L为构件跨度；2 对悬臂梁，按悬伸长度的2倍计算受弯构件的跨度。构 件 类 别 构件挠度限值 竖 向 挠 度门式刚架斜梁 仅支承压型钢板屋面和冷弯薄壁型钢檩条 尚有吊顶 有悬挂起重机 L/180 L/240 L/400檩条 仅支承压型钢板屋面 尚有吊顶 L/150 L/240压型钢板屋面板 L/150 水 平 挠 度墙板 L/150墙梁 仅支承压型钢板墙 支撑砌体墙 L/100 L/150且50mm36 受拉构件和受压构件的长细比应符合以下两表规定的限值。受 拉 构 件 的 长 细 比 限 值 受 压 构 件 的 长 细 比 限 值 构 件 类 别承受静态荷载或间接承受动态荷载的结构直接承受动态荷载的结构桁架构件 350 250吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑 300 其它支撑（张紧的圆钢或钢铰线支撑除外）400 构 件 类 别 长 细 比 限 值 主 要 构 件 180 其它构件，支撑和隅撑 22037 注：1 对承受静态荷载的结构，可仅计算受拉构件在竖向平面 内的长细比 2 对直接或间接承受动态荷载的结构，计算单角钢受拉构 件的长细比时，应采用角钢的最小回转半径；在计算单 角钢交叉受拉杆件平面外长细比时，应采用与角钢肢边 平行轴的回转半径；3 在永久荷载与风荷载组合作用下受压的构件，其长细比 不宜大于250。6-4 门式刚架梁、柱的设计 6-4.1 梁、柱板件的宽厚比限值和腹板的有效宽度 1.梁、柱板件的宽厚比限值 工字形梁、柱截面如图所示，b1twhwt受压翼缘的宽厚比限值：腹板的宽厚比限值：38 式中：b1、t ：受压翼缘的外伸宽度与厚度；hw、tw：腹板的高度与厚度。2.腹板的有效宽度 为了节约钢材，在进行刚架梁、柱截面设计时，允许腹板发生局部屈曲，并利用腹板屈曲后强度。当利用屈曲后强度时，应按有效宽度计算腹板的截面几何特性。有效宽度取为：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 式中：he：腹板受压区有效宽度；hc ：腹板受压区宽度；：有效宽度系数，按下列公式计算：39 当p 0.8时，当 0.8 1.2时，式中：p：与板件受弯、受压有关的参数，由下式确定：式中：截面边缘正应力比值，其值 1：最大受压正应力；2：截面另一边缘的正应力，受压为正，受拉为负，参见右图。k：杆件在正应力作用下的凸曲系数。h e1h e21h ch e2h e12 11h w240 当板边最大应力1 f 时，计算p可用R 1代替式中的 f y。R为抗力分项系数，对Q235和Q345钢，可取 R1.1。如图所示，腹板有效宽度he应按下列规则分布：当截面全部受压，即 时，当截面部分受拉，即 时，6-4.2 刚架梁、柱的强度计算 1.抗剪强度计算 工字形截面构件腹板的受剪板幅，当腹板高度变化不超过60mm/m时，可考虑屈曲后强度（斜拉力场）。h e1h e21h ch e2h e12 11h w241 其抗剪承载力设计值应按下列公式计算：当s 0.8时，当0.8 s1.4时，当s 1.4时，式中：fv：腹板屈曲后抗剪强度设计值；fv：钢材抗剪强度设计值；hw：腹板高度，楔形腹板取板幅平均高度；w：与板件受剪有关的参数，w与GB50017中s的计算不同，这是因为门式刚架的横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约束。GB50017的对象是简支梁，梁端剪力最大处弯矩较小，翼缘可对腹板起约束作用。w 按下式确定。（a）42 式中：k：受剪板件的凸曲系数，当不设横向加劲 肋时，取 k=5.34。a：横向加劲肋间距。当利用腹板屈曲后强度时，横肋间距宜取 hw2hw 。2.抗弯强度计算 工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩M共同作用下的强度计算，应满足下列要求：当V 0.5Vd时，M Me 当0.5Vd V Vd时，（b）43 当截面为双轴对称时，式中：Mf：两翼缘所承担的弯矩；Me：构件有效截面所承担的弯矩，Me=We f；We：构件有效截面最大受压纤维的截面模量；Af：构件翼缘的截面面积；Vd：腹板抗剪承载力设计值，按式（a）计算。工字形截面压弯构件在剪力V、弯矩M和轴压力N共同作用下的强度计算，应满足下列要求：当 V 0.5Vd时，当0.5Vd V Vd时，44 当截面为双轴对称时，式中：Ae：有效截面面积；：兼承压力N时两翼缘所能承受的弯矩；：兼承压力N时有效截面所能承受的弯矩。6-4.3 刚架梁腹板加劲肋的设置 应在刚架梁与中柱连接处、较大固定集中荷载作用处和翼缘转折处设置梁腹板的横向加劲肋，其它部位是否设置中间加劲肋，应根据计算确定。如图所示，当梁腹板在剪应力作用下发生屈曲后，将以斜向拉力带的方式承受继续增加的剪力，梁类似于桁架，斜向拉力带起桁架斜腹杆的作用，而横向加劲肋则相当于竖腹杆。aaaS45 因此，中间横向加劲肋除承受集中荷载和翼缘转折处产生的压力外，还要承受斜拉力场产生的压力，斜拉力场产生的 压力应按下式计算：当0.8 1.25时，式中：Ns：斜拉力场产生的压力；cr：利用拉力场时腹板的屈曲剪应力；w：参数，按公式（b）计算。加劲肋的稳定性验算按GB50017规范的规定进行，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15tw 范围内的腹板面积，按两端铰接轴心受压构件计算。46 6-4.4 变截面柱平面内稳定性的计算 楔形柱的稳定计算采用 冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB500182002）等截面压弯构件平面内稳定的相关公式，考虑变截面压弯构件的受力特点，作了必要的改动。变截面柱在刚架平面内的稳定性按下列公式计算：式中：N0：小头的轴向压力设计值；M1：大头的弯矩设计值；当柱的最大弯矩不 在大头时，取最大弯矩；Ae0：小头的有效截面面积；mx：等效弯矩系数，有侧移刚架柱的等效弯矩系数mx取1.0；47 We1：大头有效截面最大受压纤维的截面模量；当柱的最大弯矩不出现在大头时，We1取 最大弯矩所在截面的有效截面模量；：欧拉临界力，计算 时，回转半径 i0 以小头为准；x：杆件轴心受压稳定系数，楔形柱可按下面所述方法确定构件的计算 长度后，由小头的回转半径确定长细比，然后按照钢结构设计规范查表得到。6-4.5 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：h：为柱的几何高度，：为柱的计算长度系数。48 可由下列三种方法之一确定：1.查表法 该方法适合于手算，主要用于柱脚铰接的对称刚架。(1)柱脚铰接单跨刚架楔形柱的 可由下表查得。柱 脚 铰 接 楔 形 柱 的 计 算 长 度 系 数 K2/K1 0.1 0.2 0.3 0.5 0.75 1.0 2.010.0Ic0/Ic1 0.010.428 0.368 0.349 0.331 0.320 0.318 0.315 0.3100.020.600 0.502 0.470 0.440 0.428 0.420 0.410 0.4040.030.729 0.599 0.558 0.520 0.501 0.492 0.483 0.4730.050.931 0.756 0.694 0.644 0.618 0.606 0.589 0.5800.071.075 0.873 0.801 0.742 0.711 0.697 0.672 0.6500.101.252 1.027 0.935 0.857 0.817 0.810 0.790 0.7390.151.518 1.235 1.109 1.021 0.965 0.938 0.895 0.8720.201.745 1.395 1.254 1.140 1.080 1.045 1.000 0.96949 柱的线刚度K1和梁的线刚度K2，应按下列公式计算：表中和式中：Ic0、Ic1：分别为柱小头和大头的截面惯性矩 Ib0：梁最小截面惯性矩；s：半跨斜梁长度；：斜梁换算长度系数，可由门式 刚架轻型房屋钢结构技术规程 附录D的曲线查得。当梁为等截面时，1。(2)多跨刚架的中间柱为摇摆柱时，边柱计算长度应取 50 对于中间柱为摇摆柱的多跨刚架，中间柱不提供任何侧向刚度，但这些柱中的轴向力却有促使刚架失稳的作用，因此边柱的 应乘以放大系数。式中：计算长度系数，但公式中的s取与边柱相连 的一跨横梁的坡面长度 lb，如图所示；Pli：摇摆柱承受的荷载；Pfi：边柱承受的荷载；hli ：摇摆柱高度；hfi：刚架边柱高度。P f2l bl bP f1P f2P f1P l1P l1P l151 摇摆柱的计算长度系数 取为1.0。系数 适用于屋面坡度不大于1:5 的情况，否则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。(3)带毗屋的刚架 近似将毗屋柱视为摇摆柱，主刚架柱的系数可按前表查得，并乘以放大系数。计算 时，Pl 为毗屋柱承受的竖向荷载，Pf 为主刚架柱承受的荷载。2.一阶分析法 一阶分析就是不考虑结构变形对内力的影响。当刚架利用一阶分析计算程序得出柱顶水平荷载作用下的侧移刚度 Kh/u 时，柱计算长度系数可由下列公式计算：如图所示，52 (1)单跨对称刚接 当柱脚铰接刚架时，当柱脚刚接刚架时，上两式也可用于右图所示屋面坡度不大于1:5 的、有摇摆柱的多跨对称刚架的边柱，但算得的系数还应乘以放大系数 。摇摆柱的计算长度系数 取为1.0。(2)中间柱为非摇摆柱的多跨刚架 可按下列公式计算：P f2l bl bP f1P f2P f1P l1P l1P l153 当柱脚铰接刚架时，当柱脚刚接刚架时，式中 hi、Pi、：分别为第 i 根柱的高度、竖向荷载和 以小头为准的参数。上两式也可用于单跨非对称刚接。3.二阶分析法 二阶分析法与一阶分析法不同之处在于，力的平衡条件是按发生变形后的杆件轴线建立的。54 当采用计入竖向荷载侧移效应的二阶分析程序计算内力时，计算长度系数可按下列公式计算：式中：构件的楔率，不大于 0.268h/d0 及6.0；d0、d1：分别为柱小头和柱大头的截面高度。6-4.6 变截面柱在刚架平面外稳定的计算 变截面柱的平面外稳定应分段按下列公式计算：式中：t：等效弯矩系数，按下列规定计算；对一端弯矩为零的区段 对两端弯曲应力基本相等的区段55 y：轴心受压构件弯矩作用平面外的稳定系数，以小 头为准，按照钢结构设计规范的规定采用，计算长度取侧向支撑点的距离。若各段线刚度差别较大，确定计算长度时可考虑 各段间的相互约束；N0 ：所计算构件段小头截面的轴向压力；M1：所计算构件段大头截面的弯矩；：在刚架平面内以小头为准的柱的参数；b：均匀弯曲楔形受弯构件的杆件整体稳定系数，双轴对称工字形截面构件的整体稳定系数如下：56式中：A0、h0、Wx0、t0：分别为构件小头的截面面积、截面高度、截面模量、受压翼 缘截面厚度；Af：受压翼缘截面面积；iy0：受压翼缘与受压区腹板1/3高度 组成的截面绕y轴的回转半径；l：楔形构件计算区段的平面外计 算长度，取支撑点间的距离。当两翼缘截面不等时，在整体稳定系数公式中应参照钢结构设计规范受弯构件整体稳定系数公式加上截面不对称影响系数b项。57 当算得的 b 0.6时，应按钢结构设计规范的规定查出相应的 b代替 b 。当不能满足平面外稳定要求时，应设置侧向支撑（隅撑），并验算每段的平面外稳定。注意：截面几何特性应按有效截面计算。变截面柱下端铰接时，应验算柱端的受剪承载力，当不满足要求时，应对该处腹板加强。6-4.7 斜梁与隅撑的设计 1.斜梁的设计 当屋面坡度较大时，轴力对稳定性的影响在刚架平面内外都不容忽视。当斜梁坡度不超过1:5时轴力很小，可仅按压弯构件计算其强度和刚架平面外的稳定，不必计算平面内的稳定。58 实腹式刚架斜梁平面外计算长度，应取侧向支撑点间的距离；当斜梁两翼缘侧向支撑点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支撑点的距离。斜梁不需计算整体稳定性的侧向支撑点间的最大距离，可取斜梁受压翼缘宽度的 倍。当斜梁上翼缘承受集中荷载处不设横向加劲肋时，除应按照钢结构设计规范验算梁腹板上边缘的正应力、剪应力和局部压应力共同作用下的折算应力外，尚应满足下式的要求：式中：F：上翼缘所受的集中荷载；tf、tW：分别为斜梁翼缘和腹板的厚度；59 m：参数，m1.0，在斜梁负弯矩区取零；M：集中荷载作用处的弯矩；We：有效截面最大受压纤维的截面模量。2.隅撑设计 当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘侧面布置隅撑（山墙处隅撑仅布置在刚架一侧）作为斜梁的侧向支撑，隅撑的另一端连接在檩条上。如图所示。隅撑与刚架腹板间的夹角不宜小于45。隅撑常采用等边单角钢，可连接在下翼缘上，也可连在下翼缘附近的腹板上，按轴心受压构件计算。轴心压力按下式计算：檩条100mm隅撑檩托刚架斜梁60 式中：A：实腹斜梁被支撑翼缘的截面面积；f：实腹斜梁钢材的强度设计值；fy：实腹斜梁钢材的屈服强度；：隅撑与檩条轴线的夹角。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，不需计算计及扭转效应的换算长细比，但设计强度需乘以相应的折减系数。6-5 节点设计 门式刚架结构中的节点有：梁与柱连接节点、梁与梁连接节点及柱脚。当设有桥式吊车时，刚架柱上还设有牛腿。61 1.斜梁与柱的连接及斜梁拼接 门式刚架斜梁与柱的连接，采用高强螺栓端板连接。门式刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板横放、端板斜放三种形式。斜梁拼接时也采用高强螺栓端板连接，宜使端板与斜梁外边缘垂直，如图所示。端板连接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较小被连接截面承载力的一半设计。端板竖放端板斜放端板横放如图所示，斜梁拼接62 主刚架构件的连接应采用高强螺栓，可采用摩擦型或承压型连接。螺栓直径可根据需要选用，通常采用M13M30螺栓。当端板连接只受轴向力和弯矩，或剪力小于其抗滑移承载力（按抗滑移系数为0.3计算）时，端板表面可不作专门处理。端板连接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。在斜梁与刚架柱连接的受拉区，宜采用端板外伸式连接，宜使翼缘内外的螺栓群中心与翼缘的中心重合或接近。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35mm，螺栓端距2d0 。63 受压翼缘的螺栓数不宜少于两排，当受拉翼缘两侧各设一排螺栓不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓，其间距可取 75 mm，且不小于 3 倍螺栓直径。与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度，当端板上两对螺栓间的最大距离大于400mm，应在端板的中部设一对螺栓。2.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，如图所示。牛腿根部承受剪力V、弯矩MPee1HchHB1B264 式中：PD：吊车梁及轨道在牛腿上产生的反力；Dmax：吊车最大轮压在牛腿上产生的最大反力。牛腿截面多采用焊接工字形截面，根部截面尺寸据V和M确定，做成变截面牛腿时，端部截面高度 h 不宜小于H/2，在吊车梁下对应位置应设置支承加劲肋。牛腿上翼缘及下翼缘与柱的连接焊缝采用焊透的对接焊缝，牛腿腹板与柱的连接采用角焊缝，此角焊缝承受剪力V。吊车梁与牛腿的连接宜设置长圆孔。