1、轻型门式刚架设计,本章内容,结构形式及布置檩条设计刚架设计围护结构计算实例,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,门式刚架结构示意,3.1.1 门式刚架特点及适用范围 1、结构特点 （1）刚架梁、柱采用轻型H型钢（等截面或变截面）组成； （2）刚架梁与柱刚接，柱脚与基础宜采用铰接；当设有桥式吊车、檐口标高较高或对刚度要求较高时，柱脚和基础可采用刚接； （3）构件单元可根据运输条件划分，单元之间在现场用螺栓连接，安装方便快捷，土建工作量小。 （4）刚架构件的刚度较好，为制造、运输、安装提供了便利； （5）用C形、Z形薄壁型钢做檩条、墙梁，
2、以彩钢板或夹芯板做屋面、墙面； （6）和屋架结构相比，整个构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，降低房屋的高度，减小建筑体积。,3.1结构形式及布置,3.1结构形式及布置,3.1结构形式及布置,2、显著特点质量轻工业化程度高，施工周期短综合经济效益高柱网布置比较灵活,始于20世纪60年代，屋面用瓦材； 20世纪70年代在工程上极少应用。 20世纪80年代在经济特区引进国外门式刚架轻钢房屋，压型钢板始见用于屋面和墙面； 20世纪90年代初外国轻钢企业进入中国大陆，带动了内资轻钢企业的发展。中期以来，采用门式刚架轻型房屋钢结构的工程数量越来越多，工程规模越来越大，充分展示了这种结构的优越性
3、。,2、 门式刚架结构的应用情况,3.1结构形式及布置,国家标准的制定情况： 冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002） 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）,3.1结构形式及布置,3.1结构形式及布置,3、适用范围跨度936m、柱距6m9m、柱高4.512m、设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑（超市、车站候车室、展览厅、码头建筑等）。目前国内单跨刚架的跨度已达到72m。,3.1.1 结构形式 1 结构形式：分为单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的刚架等形式。,（a）单跨刚架 （b）双跨刚架 （c）多跨刚架,（d）带挑檐刚架 （e）带毗屋刚架 （f
4、）单坡刚架,3.1结构形式及布置,3.1.2门式刚架的尺寸,跨度：横向刚架柱轴线间的距离，一般为936m； 高度：地坪至柱轴线与横梁轴线交点的高度，根据使用要求的室内净高确定。无吊车时，高度一般为4.59m；有吊车时应根据轨顶标高和吊车净空要求确定，一般为912m。 柱距：宜为6m，通常介于4.59m之间。 檐口高度：地坪至房屋外侧檩条上缘的高度； 最大高度：地坪至房屋顶部檩条上缘的高度； 房屋宽度：房屋侧墙墙梁外皮之间的距离； 房屋长度：房屋两端山墙墙梁外皮之间的距离； 屋面坡度：宜取1/81/20，在雨水较多地区可取较大值。,3.1结构形式及布置,（1）温度区段布置,3.1.3结构布置,1
5、、平面布置,（2）伸缩缝设置可通过设置双柱，或搭接檩条及吊车梁的螺拴连接处采用长圆孔进行调节。,纵向温度区段300m 横向温度区段150m,3.1结构形式及布置,当因建筑或工艺要求门式刚架柱被抽除时，应沿纵向柱列布置托梁以支承已抽位置上的中间榀刚架上的斜梁。托梁一般采用焊接工字形截面，当屋面荷载偏心产生较大扭矩时，可采用箱型截面。,托梁的形式和尺寸,（3）托梁,3.1结构形式及布置,1、支撑构件的设计 （1）屋盖水平支撑,杆件必须交于节点的中心,支撑的设计与构造,（2）柱间支撑 无吊车时柱间支撑的间距宜取3045m；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
6、60m； 当建筑物宽度大于60m时，内柱列宜适当增加柱间支撑； 支撑与构件的夹角应在3060范围内，宜接近45； 柱间支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑，当桥式吊车起重量大于5时，宜采用型钢支撑； 当房屋高度相对柱距较大时，柱间支撑宜分层设置； 不允许设置交叉柱间支撑时，可设置其他形式的支撑。,3.1结构形式及布置,（2）柱间支撑 柱间支撑在建筑物跨度小、高度低的情况下，可用带张紧装置的圆钢做成交叉型的拉杆。也可采用角钢或槽钢。 在高大的建筑中柱间支撑的交叉杆除用角钢外，也可采用钢管。 柱间支撑的上端与水平压杆必须与柱中心交于一点；柱间支撑下端应尽可能与柱中心交于柱脚底面，避免出现偏心受力
7、。,支撑的设计与构造,（2）柱间支撑 柱间支撑在建筑物跨度小、高度低的情况下，可用带张紧装置的圆钢做成交叉型的拉杆。也可采用角钢或槽钢。 在高大的建筑中柱间支撑的交叉杆除用角钢外，也可采用钢管。 柱间支撑的上端与水平压杆必须与柱中心交于一点；柱间支撑下端应尽可能与柱中心交于柱脚底面，避免出现偏心受力。,支撑的设计与构造,（2）屋面水平支撑,屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间，端部支撑设在第二开间时，第一开间相应位置宜设置刚性系杆； 在刚架转折处（柱顶和屋脊）应沿房屋全长设置刚性系杆； 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 柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内，
8、形成抵抗纵向荷载的支撑桁架； 刚性系杆可由檩条兼作，此时檩条应满足对压弯构件的刚度和承载力要求。若不满足，应另设刚性系杆； 交叉支撑可采用张紧的圆钢，屋盖横向水平支撑可仅设在靠近上翼缘处， 在设有带驾驶室且起重量大于15t的桥式吊车的跨间，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。,3.1结构形式及布置,3.1结构形式及布置,3.1结构形式及布置,支撑系统的传力途径：,山墙墙板,墙梁,墙架柱,屋盖水平支撑系统,刚性系杆,柱间支撑,基础,支撑的设计与构造,（3）支撑构件的计算 门式刚架结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计（认为受压斜杆不受力），非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。 柱间支撑的内力，
9、应根据该柱列所受纵向荷载（如风、吊车制动力）按支承于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算。 对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，山墙风力应有最靠近山墙的一道支撑承受。,支撑的设计与构造,支撑的节点荷载：,支撑的设计与构造,为保证刚架梁下翼缘和柱内翼缘的平面外稳定性，可在梁与檩条或柱与墙梁之间增设隅撑。隅撑间距不应大于13b（对Q345钢）或16b （对Q235钢），b为刚架梁受压翼缘的宽度。,隅撑应按轴心受压构件设计，轴压力按下式计算,（3） 隅撑布置,隅撑构造,3.1结构形式及布置,A 实腹式横梁被支承翼缘的截面面积； f 实腹式横梁钢材的强度设计值； fy 实腹式横梁钢材的
10、屈服强度； 隅撑与檩条轴线间的夹角。,3.1结构形式及布置,3.2 檩条的构造与设计,实腹式檩条,檩条一般设计成单跨简支构件，有实腹式和桁架式两大类，实腹式檩条也可以设计成连续构件。,3.2.1 檩条的截面形式,适用于荷载较大的屋面,热轧型钢,H型钢,冷弯薄壁型钢,适用于压型钢 板的轻型屋面,直卷边和斜卷边Z形檩条适用于屋面坡度i1/3的情况。卷边C形檩条适用于屋面坡度i1/3的情况，其截面在使用中互换性大，用钢量省。,3.2 檩条的构造与设计,适用于屋面坡度1/3,适用于屋面坡度1/3,3.2 檩条的构造与设计,桁架式,空腹式,3.2 檩条的构造与设计,（1）优先选用冷弯卷边槽钢C形和冷弯卷
11、边Z形钢等简支或连续实腹式檩条； （2）C形和Z形檩条，宜将上翼缘肢尖（或卷边）朝向屋脊方向； （3）屋脊檩条应采用双檩条方案，并应在高度1/3处用圆钢或钢管相互拉结； （4）檩条跨度由主刚架柱距决定； （5）檩条间距应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、天沟、屋面材料、檩条规格等因素，一般应等间距布置，但在屋脊和檐口处，为便于屋脊盖板和天沟收边，檩条布置应做局部调整。,3.2.2布置和连接,3.2 檩条的构造与设计,3.2 檩条的构造与设计,拉条和撑杆是提高檩条侧向稳定性的重要构造措施，拉条仅传递拉力，撑杆主要承受压力，和拉条共同作用，将檩条沿屋面坡度方向的分力传给梁或柱。拉条一般采用直径816
12、mm的圆钢，撑杆可采用钢管、方管或角钢做成，也可采用钢管内设拉条的做法，其长细比按压杆要求不能大于200。,3.2.3 拉条与撑杆,3.2 檩条的构造与设计,撑杆的作用是限制屋脊、檐口和天窗两侧边檩向上和向下两个方向的侧向弯曲。,（a）直拉条 （b）斜拉条,（d）撑杆,3.2 檩条的构造与设计,拉条和撑杆的布置原则： （1）当檩条跨度l4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条； （2）当屋面坡度i1/10或檩条跨度l4m时，应在檩条跨中受压翼缘设置一道拉条；当跨度大于6m时，宜在檩条三分点处各设一道拉条；,3.2 檩条的构造与设计,（4）当屋盖有天窗时，应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆；
13、撑杆处应同时设置斜拉条，将檩条沿屋面坡度方向的分力传到钢梁或钢柱上。,（5）拉条一般设置在离檩条上翼缘1/3高度处，当檩条在风吸力作用下，受力反号且平面外稳定不满足要求时，宜在檩条的上下翼缘1/3腹板高度处设剪刀式拉条。,3.2 檩条的构造与设计,3.2.4 荷载,永久荷载压型钢板、檩条、拉条和悬挂物的自重，采用保温板尚需考虑保温层龙骨等的自重； 可变荷载雪荷载、屋面均布活荷载、屋面检修集中荷载、积灰荷载、风荷载等，风载体型系数按CECS 102-2002 附录表A-2采用。,3.2 檩条的构造与设计,荷载组合原则： （1）檩距小于1m的檩条，还应验算1kN（标准值）施工或检修集中荷载作用于跨
14、中时构件的强度； （2）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； （3）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； （4）当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。,3.2 檩条的构造与设计,对轻型屋面檩条一般选用可变荷载控制的组合： 1.2永久荷载+1.4max屋面均布活荷载，雪荷载+积灰荷载c1+ 1.4风压c2 ； 或1.2永久荷载+1.4积灰荷载+max屋面均布活荷载，雪荷载c1+ 1.4风压c2 。 1.2永久荷载+1.4施工检修集中荷载； 当需考虑风吸力对檩条的受力影响时，还应进行下式的荷载组合： 1.0永久荷载+1.4风吸力荷载。,3.
15、2 檩条的构造与设计,3.2.5计算,（a）C型截面 （b）Z型截面 檩条计算示意图,1、内力分析,3.2 檩条的构造与设计,垂直于主轴x和y的分荷载按下式计算：,式中 p 檩条竖向荷载设计值； 0 q与主轴y的夹角：对C形、槽形和工字型截面0=，为屋面坡角； 对Z形截面 ，为主轴x与平行于屋面轴x1的夹角。,简支檩条（墙梁）的内力见下表：,多跨连续构件，不考虑活荷载的不均匀分布，跨中和支座弯矩均近似取：,（1）初选截面 截面高度h：跨度的1/501/35； 截面宽度b：根据选定的高度由冷弯薄壁型钢结构技术规范确定。,（三）檩条的截面选择,（2）确定有效截面的特性设计冷弯薄壁型钢构件允许考虑构
16、件的屈曲后强度，不同边缘支承的板件屈曲应力和屈曲后性能不同，应按板件的支承条件各板件有效宽度后计算有效截面。,计算有效截面的截面特性时，假设由My引起的应力变化忽略不计。,3.2 檩条的构造与设计,3.2 檩条的构造与设计,上翼缘,下翼缘均匀受拉板件，全截面有效。,腹板腹板上下边缘分别为压应力和拉应力，按压应力分布不均匀系数和实际宽厚比b/t确定有效宽。,3.2 檩条的构造与设计,（3） 强度计算,Mx、My 刚度最大主平面（由qy引起）的弯矩和刚度最小主平面（由qx引起）的弯矩； Wefnx、Wefny 对主轴x、y的有效净截面模量； x、y 截面塑性发展系数； f 钢材的强度设计值。,冷弯
17、薄壁型钢：,热轧型钢：,3.2 檩条的构造与设计,当屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可不计算檩条的整体稳定性。 当屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可按下式计算檩条的稳定性。,（4）稳定计算,Wex、Wey 对主轴x、y的毛截面模量； bx、 x 受弯构件绕强轴的整体稳定性； f 钢材的强度设计值。,冷弯薄壁型钢：,热轧型钢：,3.2 檩条的构造与设计,为使屋面平整，实腹式檩条应验算垂直于屋面方向的挠度，两端简支檩条的挠度验算公式为：,Ix、 Ix1 截面对主轴x-x（ 平行于屋面轴x1-x1 ）的毛截面惯性矩； v 容许挠度，对无积灰的瓦楞铁、石棉瓦等屋面为1/150；对压型钢板、积灰的瓦楞
18、铁、石棉瓦等屋面为1/200；其他屋面为1/200； qky 沿垂直于屋面方向轴的荷载分量的标准值。,（5）变形计算,C型薄壁型钢檩条：,Z型薄壁型钢檩条：,3.2 檩条的构造与设计,3.3 刚架设计,1、永久荷载：结构自重，一般为0.250.35kN/m2，屋面悬挂荷重按实际取值； 2、可变荷载：屋面活荷载 ：对压型钢板屋面，按水平投影计，一般取0.5kN/m2，水平投影面超过60m2时可取不小于0.3kN/m2施工检修集中荷载（人和小工具的重力）：1kN ，按最不利位置,3.3.1 荷载及荷载组合,屋面雪荷载和积灰荷载 ：按GB50009 采用，考虑增大系数和不均匀系数。 吊车荷载：竖向和
19、水平荷载，按GB50009采用。 地震作用：按建筑抗震设计规范 GB50011采用。对抗震烈度为6、7度地区以压型钢板围护的铰接单层门式刚架一般可不进行抗震计算。,（a）单质点 （b）两质点,3.3 刚架设计,风荷载：垂直于建筑物表面的风荷载，按下式计算：,wk风荷载标准值（kNm2）； w0基本风压，按建筑结构荷载规范的规定乘以1.05的系数后采用； z风荷载高度变化系数，按建筑结构荷载规范的规定采用；当高度小于10m时，应按10m高度处的数值采用； s风荷载体型系数。,3.3 刚架设计,适用于对于门式刚架轻型房屋，当其屋面坡度 不大于 10o、屋面平均高度不大于18m、房屋高宽比不大于1、
20、檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸时，风荷载体型系数。,恒载（柱距6m）,3.3 刚架设计,活载（柱距6m）,3.3 刚架设计,左风（柱距6m，基本风压0.55）,3.3 刚架设计,右风（柱距6m，基本风压0.55）,3.3 刚架设计,2、荷载组合,（1）荷载组合原则 屋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建筑结构荷载规范的规定； 当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。,3.3 刚架设计,（2）荷载效应组合 组合：1.2永久荷
21、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) 组合 ： 1.2永久荷载+ 0.91.4(风荷载+邻跨吊车水平荷载) 组合：1.0永久荷载+1.4风荷载 组合 用于截面强度和构件稳定性计算； 组合 用于多跨有吊车刚架； 组合、 用于锚栓抗拉计算。,3.3 刚架设计,3.3.2 构件截面设计,弹性分析方法：变截面刚架、格构式刚架、带有吊车的刚架。结构力学方法、静力计算公式图表法 塑性分析方法：刚架梁柱全为等截面时可用此法静力法、机动法、公式法一般情况下不考虑应力蒙皮效应。,3.3 刚架设计,计算控制性截面的内力组合时一般应计算以下四种组合： N
22、min情况下Mmax及相应V； Nmin情况下 -Mmax及相应V； Nmax情况下Mmax及相应V； Nmax情况下-Mmax及相应V。 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、梁端、梁跨中等截面。,3.3 刚架设计,门式刚架计算简图,3.3 刚架设计,1、单跨刚架侧移计算,当单跨变截面刚架横梁上缘坡度不大于1：5时，在柱顶水平力作用下的侧移u，可按下列公式估算：,柱脚刚接刚架：,h、L 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L=2s； Ic、Ib 柱和横梁的平均惯性矩； H 刚架柱顶等效水平力。,刚
23、架侧移计算,柱脚铰接刚架：,3.3 刚架设计,变截面柱和横梁的平均惯性矩，可按下式计算：,对于双楔形横梁：,门式刚架计算简图,对于楔形柱：,3.3 刚架设计,刚架柱顶等效水平力H可按下列公式计算： 当估算刚架在沿柱高度均布的水平风荷载作用下的侧移时,柱脚铰接刚架,柱脚刚接刚架,其中：,3.3 刚架设计,当估算刚架在吊车水平荷载Pc作用下的侧移时，,柱脚刚接刚架, 吊车水平荷载Pc作用高度与柱高度之比； Pc 吊车水平荷载；,柱脚铰接刚架,3.3 刚架设计,两跨刚架：中间柱为摇摆柱的两跨刚架，柱顶侧移计算同单跨刚架，但L应以2s代替，s为单坡面长度。,3.3 刚架设计,中间柱与横梁刚接时：可将多
24、跨刚架视为多个单跨刚架的组合体（每个中柱分为两半，惯性矩各为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：,l,3.3 刚架设计,3.3 刚架设计,刚架侧移不满足要求时，可采取下列措施之一进行调整：放大柱或（和）梁的截面尺寸；改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。,截面高度呈线性变化的柱在刚架平面内的计算长度,柱脚铰接单跨刚架楔形柱 ，相当于GB50018规范附表 A3.2的计算长度系数乘以,（a）柱脚铰接单跨刚架楔形柱的 可由表查得,可有三种方法确定：,查表法（用于柱脚铰接的对称刚架）,3.3 刚架设计,刚架结构的构件截面设计,1、构件的计算长度,3.
25、3 刚架设计,（b）多跨刚架的中间柱为摇摆柱时，边柱的计算长度取为,摇摆柱的计算长度系数取为1。,计算边柱时的斜梁长度,放大系数,3.3 刚架设计,一阶分析法 由一阶分析得出侧移刚度K =H/u后，柱计算长度系数为： a）对单跨对称刚架 ：,一阶分析时的柱顶侧移,当柱铰接时：,当柱脚刚接时：,有摇摆柱的边柱乘以放大系数,3.3 刚架设计,b）对中间柱为非摇摆柱的多跨刚架 ：,当柱脚铰接时：,当柱脚刚接时：,3.3 刚架设计,二阶分析法计入P效应,变截面构件,等截面柱的计算长度取几何长度,楔形构件,3.3 刚架设计,4）实腹式刚架柱和横梁的平面外计算长度取侧向支承点的间距；当考虑围护材料和檩条（
26、墙梁）的蒙皮作用时可取2倍的檩距。,3.3 刚架设计,工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比：,1、梁、柱板件的宽厚比限值,构件设计,工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比：,3.3 刚架设计,不允许翼缘发生局部失稳，容许腹板局部失稳并利用其屈曲后强度。,2、腹板的有效宽度,1）工字形截面构件腹板的受剪板幅的屈曲后强度,3.3 刚架设计,2）工字形截面构件腹板的受弯及受压板幅的屈曲后强度,屈曲后强度主要依靠横向薄膜张力对腹板变形的约束 ； 腹板受压区发生屈曲，屈曲部分不能再继续承受压力，受压区应力非线性； 中和轴位置下移，直到板边缘纤维达到钢材屈服点才达到极限承载力； 设计中在受压区引入有效宽度概念； 受
27、压区上下两部分有效，中间部分退出工作，受拉区全部有效。,3.3 刚架设计,强度计算时，应根据截面的翼缘和腹板有效宽度及厚度计算截面面积、新的中和轴位置、有效截面惯性矩和有效截面模量。,3）工字形截面构件腹板的受弯及受剪板幅的屈曲后强度,研究表明：当剪力 时，梁的极限弯矩仍可取为,当梁所受的弯矩不超过两个翼缘的抗弯能力 时可以认为腹板不参与承担弯矩，故梁的抗剪能力为,当 或 时，规范采用类似欧洲钢结构试行规范（EC3）的相关公式验算梁的抗弯和抗剪承载能力：,3.3 刚架设计,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：,变截面构件的腹板有效宽度：,3.3 刚架设计,为
28、杆件在正应力作用下的凸曲系数,是与板件受弯、受压有关的参数,为截面边缘正应力比值,3.3 刚架设计,当腹板边缘最大应力1f 时，计算时可用R1代替fy ，R为抗力分项系数，对Q235和Q345钢，R=1.1。,当截面全部受压，即 0时,当截面部分受拉，即 0时,3.3 刚架设计,3、腹板受剪屈曲后强度利用,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。当腹板的高度变化不超过60mm/m时，抗剪承载力按下式计算：,3.3 刚架设计,4、刚架梁、柱构件的强度计算 工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩M共同作用下的强度应符合下列要求：,当 时,当 时,当截面为
29、双轴对称时,3.3 刚架设计,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,3.3 刚架设计,1变截面柱 （1）平面内稳定计算,整体稳定设计,N0为小头的轴向压力设计值 M1为大头的弯矩设计值； Ae0为小头的有效截面面积； We1为大头的有效面积最大受压纤维截面模量； xy杆件轴心受压稳定系数，楔形柱轴心受压稳定系数，计算长细比时取小头的回转半径； by为均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数； mx为等效弯矩系数，对有侧移刚架柱mx=1；计算时回转半径i0以小头为准。,当柱的弯矩不出现在大头时，M1和We1分别取最大弯矩和该弯矩
30、所在截面的有效截面模量。,3.3 刚架设计,（2）平面外稳定计算,对双轴对称、均匀弯曲的工字形楔形截面杆件,对一端弯矩为零的区段：,对两端弯曲应力基本相等的区段：,轴心受压构件弯矩作用平面外的稳定系数，以小头为准，按现行国家标准钢结构设计规范GB 50017 的规定采用。,3.3 刚架设计,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。,3.3 刚架设计,（1）水平横梁可不考虑轴力的影响，只需按受弯构
31、件进行验算，一般应验算强度、整体稳定、局部稳定和挠度。 （2）等截面折线型横梁，坡度不大于1/3时，可不考虑横梁内轴力的影响，仅需按受弯构件进行验算；当坡度大于1/3时，应按压弯构件进行验算。 （3）变截面梁的平面外、平面内稳定计算同变截面柱。,2刚架斜梁,（4）斜梁不需计算整体稳定的侧向支承点间最大长度，可取横梁上下翼缘宽度的 倍。,3.3 刚架设计,尚应满足下列要求,式中 F 上翼缘所受的集中荷载； tf、tw 横梁翼缘和腹板的厚度； m 参数，m 1.0，在横梁负弯矩区取1.0； 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。,当横梁上翼缘承受集中荷载处不设横向加劲肋
32、时，除按下式验算该处的折算应力：,3.3 刚架设计,（5）当横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。 （6）当实腹式刚架横梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘的两侧布置隅撑作为横梁的侧向支承，隅撑的另一端连接在檩条上。,3.3 刚架设计,等截面刚架按弹性设计时，其构件可按变截面的计算方法进行。等截面刚架按塑性设计时，其构件应按现行国家标准钢结构设计规范GB50017 中塑性设计的规定进行设计。,（一）梁柱连接及梁拼接节点 （1）门式刚架横梁与柱的连接，可采用端板竖放、平放和斜放三种形式。 （2）主刚架构件的连接可采用承压型或摩擦型高强螺栓连接。高强度螺栓直径通常采用
33、M16M24。 （3）斜梁拼接处，应采用外伸式连接，并使得翼缘内外的螺栓中心与翼缘的中心重合或接近。与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。 （4）刚架构件的翼缘与端板的连接应采用全熔透对接焊缝，腹板与端板的连接采用角焊缝。,四、节点设计,3.3 刚架设计,（a） 端板竖放 b） 端板横放 （c）端板斜放 （d）斜梁拼接 梁柱连接节点,（5）高强度螺栓的中心距和端距应符合钢结构设计规范的要求。,3.3 刚架设计,端板的厚度应根据支承条件确定，但不应小于16mm。 （1）伸臂类端板,（2）无加劲肋类端板,（3）两边支承类端板 当端板外伸时,（二）端板厚度确定,当端板平齐时,3.3 刚架设计,端
34、板支承条件,（4）三边支承类端板,Nt一个高强螺栓的拉力设计值； ew、ef分别为螺栓中心至腹板和翼缘板表面的距离； b、bs螺栓的间距； a分别为端板和加劲肋板的宽度； f端板钢材的抗拉强度设计值。,计算时应按相应的公式计算各个板区的厚度值，然后取最大板厚作为最终值（悬臂区格往往决定了端板厚度）。,3.3 刚架设计,门式刚架斜梁与柱相交的节点域，应验算剪应力。,dc、tc分别为节点域的宽度和厚度； db斜梁端部高度或节点域高度； 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矩； fv节点域钢材的抗剪强度设计值。,（三）节点域剪应力验算,3.3 刚架设计,3端板螺栓
35、处构件腹板强度验算,Nt2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； ew螺栓中心至腹板表面的距离； tw腹板厚度； f腹板钢材的抗拉强度设计值。,3.3 刚架设计,（a）多用平板式铰接柱脚或刚接柱脚； （b）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。 （c）柱脚底板边缘至混凝土基础柱边缘的距离不小于50mm；柱脚底板的底部在柱安装完毕后应灌注无收缩水泥砂浆。,柱脚设计的一般原则：,3.3 刚架设计,（四）柱脚的构造和设计,铰接柱脚,3.3 刚架设计,露出
36、式刚接柱脚,3.3 刚架设计,（d）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。 （e）计算风荷载作用下柱脚锚栓的上拔力时，应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为1.0。锚栓直径不宜小于24mm，且应采用双螺帽以防松动。 （f）铰接柱脚的锚栓直径由构造确定，一般为M20-M24；刚接柱脚的锚栓直径通过计算确定。,3.3 刚架设计,抗剪键,柱脚设计的主要内容：柱脚底板尺寸的确定；相关连接焊缝设计；柱脚水平抗剪验算；柱脚的锚栓设计。,3.3 刚架设
37、计,1、刚接式柱脚（偏心受压柱脚）：,柱脚的设计计算：,柱脚底板尺寸的初选（L、B）：应根据设置的加劲肋等补强板件和锚栓的构造要求确定。,3.3 刚架设计,根据偏心距e=M/N的不同，采用不同的公式计算底板下混凝土的最大受压应力 、锚栓拉力Ta、柱脚底板的水平抗剪承载力Vtb。,不满足则 设抗剪键,底板厚度计算,底板厚度应满足抗弯承载力，按下式验算：,底板被加劲肋划分为不同板区格，根据各区格支承条件分别计算弯矩，取最大值得到 。,3.3 刚架设计,一、屋面和墙面板 屋面常见作法：一种采用夹芯钢板作为屋面的保温防水层；一种采用压型钢板防水并承受屋面荷载，钢板下铺设超细玻璃纤维棉保温。 墙面系统也
38、分为两种：一种为压型钢板内加玻璃纤维棉保温，如对外观要求较高，可在玻璃棉内侧增设彩钢平板；一种情况为采用具有保温功能的夹芯板。 按构造作法屋面和墙面板可分为三大类即螺钉外露式、暗扣式和锁缝式。,3.4 围护结构,屋面构造作法,（a）压型钢板 （b）夹芯板 屋面板作法,3.4 围护结构,墙梁一般采用C型和Z型冷弯薄壁型钢，最大刚度平面在水平方向。 （一）纵墙结构布置 （1）墙梁的间距取决于墙板的材料强度、尺寸、所受荷载的大小、门窗洞口等（一般不大于2.5m）； （2）墙梁跨度为46m时，宜在跨中设一道拉条；当墙梁跨度大于6m时，宜在跨间三分点处各设一道拉条。当墙粱单侧挂墙板时，拉条应连接在墙梁挂
39、墙板的一侧1/3处；当墙梁两侧均挂有墙板时，拉条宜连接在墙梁重心点处。 （3）在最上层墙梁处宜设拉条将拉力传至承重柱或墙架柱。,二、墙面布置和连接,3.4 围护结构,纵墙结构布置,3.4 围护结构,（二）山墙结构布置,山墙结构布置,3.4 围护结构,（三）墙梁计算,（1）荷载 竖向荷载墙板自重和墙梁自重 水平荷载风荷载 （2）荷载组合 1.2 竖向永久荷载+1.4 水平风压力荷载 1.2 竖向永久荷载+1.4 水平风吸力荷载,3.4 围护结构,（3）墙梁截面验算： 首先根据墙梁跨度、荷载和拉条设置情况，初选墙梁截面，然后对墙梁截面进行验算。 截面验算包括：正应力验算，剪应力验算，整体稳定验算验
40、算。,3.4 围护结构,正应力验算：对主轴x的有效净截面抵抗矩对主轴y的有效净截面抵抗矩,3.4 围护结构,剪应力验算：,钢材的抗剪设计强度；、 墙梁在x、y方向承担的剪力最大值；、 墙梁沿x、y方向的计算高度； 墙梁壁厚。,3.4 围护结构,外侧没有压型钢板的墙梁在风吸力作用下的稳定性，可按规程附录E的规定计算。,设计实例,（一）设计参数： （1）单层房屋采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度24m，长度60m，柱距6m，檐口标高7m，屋面坡度1/10。 （2）屋面和墙面均采用夹芯板，天沟为彩钢板天沟。 （3）钢材材质为Q345，f=310N/mm2，fv=180N/mm2。 （二）设计荷载 屋面恒
41、载为0.25kN/m2，活载为0.5kN/m2；雪载为0.2kN/m2，基本风压为0.55kN/m2，地面粗糙度为B类。,一、设计资料,计算模型及风载体型系数, 1.2恒载+1.4活载； 1.2恒载+1.4风载； 1.2恒载+1.4活载+1.40.6风载； 1.2恒载+1.40.7活载+1.4风载；,（三）荷载组合,（四）设计要求 1.确定屋面结构布置（包括支撑体系布置） 2.计算门式刚架内力和变形 （1）确定梁、柱截面形式，并初步估截面尺寸 （2）梁、柱线刚度计算及梁、柱计算长度确定 （3）荷载计算 （4）计算各工况下的内力、柱顶水平位移及横梁挠度 （5）荷载组合和内力组合（不考虑抗震情况）
42、,（四）控制指标 柱顶水平位移： 横梁挠度： 无吊顶 有吊顶 （五）构件及连接节点设计 1. 柱脚设计 2. 梁、柱连接节点设计 3. 屋面梁拼接节点设计,节点及单元编号图,二、计算模型,设计中应注意的问题,刚架拼接点的设置（受运输长度限制） 拼接处截面（两侧截面高度相等） 梁柱截面宽度（柱宽度梁宽度） 梁柱翼缘与腹板厚度 檩条截面形式（C型和Z型） 屋面水平撑刚性：角钢；柔性：圆钢 刚性系杆（钢管）,三、荷载工况,（a） 恒载,qD=0.25x6=1.5,（b） 活载,qL=0.5x6=3,（c） 左风,（d） 右风,四、各工况内力,（a）弯矩 （b）剪力,（c）轴力 恒载作用下刚架内力图,（a）弯矩 （b）剪力,（c）轴力 活载作用下刚架内力图,（a）弯矩 （b）剪力,（c）轴力 左风作用下刚架内力图,选取荷载组合1.2恒载+1.4活载对构件内力值进行验算。,五、组合内力,六、构件截面验算,
