门式刚架设计讲解.doc
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1、- 76 - 1 综合概述门式刚架是典型的轻型钢结构,也是目前国内应用最为广泛的轻型钢结构体系。早期典型的门式刚架是1910年布鲁塞尔世博会的德国机械工程展厅,采用了多层阶形钢框架结构;1932年建成的德国埃森煤矿税收协会采用了门式钢框架结构。1954年由托罗哈设计的德国地铁站,采用的是典型的门式刚架结构,他把装饰效果与门式刚架的受力完美结合。在国外预制轻钢建筑进入中国之前,中国就开始了自己的轻钢建筑体系的研究。20世纪7080年代,部分设计人员已经开始尝试全钢结构建筑;但由于钢产量的限制及设计方法陈旧,钢结构建筑在中国发展举步维艰。在改革开放的十多年间,数不清的国外轻钢建筑厂商驻入中国,无数
2、的本地轻钢建筑公司涌现。我国钢结构体系的发展大致经过了这样的时期:1990年以前,钢结构建筑在工业领域中的主要应用是重型厂房中的排架结构体系,在民用领域中的主要应用是螺栓球或焊接球网架结构;自1990年代起,钢结构在我国进入了快速的全面的发展和应用时期。门式刚架结构被大量应用于工业厂房、超市、仓库中;钢框架在多高层建筑中也得到了越来越多的应用;薄壁彩钢板大量应用于各类结构的维护体系和无梁无柱穹顶中;钢管直接汇交焊接结构及其与高强度拉索的组合结构已推广应用于各类体育、文化等公共建筑中;冷弯薄壁型钢截面除广泛应用于檩条等维护结构构件外也开始作为结构的主要受力构件或其组成部件得到应用。现代钢结构体系
3、由热轧截面、焊接截面和冷弯薄壁型钢截面构件组成。人们往往将钢结构划分为普通钢结构和轻型钢结构两大类。但是,究竟如何定义或区分这两类结构,却存在着很多不同的标准。例如,结构跨度的标准,结构层数的标准,结构用途的标准,吊车吨位的标准等。这些标准都有一定的合理性,但是都是建立在结构体系外在因素或特征基础上的。事实上,轻型钢结构体系的本质是“轻”,实现这一本质的条件是截面板件要“薄”,“薄”的板件受力时,容易造成局部失稳,局部失稳后,构件仍然具有承载能力,所以设计时必然要考虑板件局部失稳后的极限强度。由于用地日益紧张,有的建设方为了节约用地成本,往往在门式刚架内设置局部夹层,用作办公或者是仓储。这样就
4、改变了门式刚架使用功能单一性,超出了门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:2002)(以下简称门刚规程)的应用范围,而实际上有许多单位在设计这种类型的结构体系时,仍然采用门刚规程。也有夹层及以下部分采用钢结构设计规范(至少在材料的构造取值上),上部仍然采用门刚规程。我们建议按照后者采用。一榀门式刚架的成形,它包括设计、加工制造和施工安装三个环节;本次仅对门式刚架的设计进行介绍,包含的具体内容有:主结构系统、次结构系统和围护系统三大方面。希望通过本次交流,加深我们设计人员对门式刚架设计的认识和了解;掌握门式刚架结构的传力过程;在进行结构优化设计时,在保证结构安全的前提下,能够很好的确定
5、构件的尺寸,做到经济合理;掌握门式刚架设计的一些简单技巧;有益于今后的设计工作。让我们大家:共同学习 共同发展 共同成长 共同进步。2 门式刚架的特点及其应用范围2.1 门式刚架的特点:1、 采用轻型屋面,自重轻,可减少梁、柱截面尺寸及基础尺寸。2、 在大跨度建筑中增设中间柱做成一个屋脊多跨大双坡屋面,以避免内天沟排水中间柱可采用钢管制作的上下铰接摇摆柱,占空间小。3、 刚架侧向刚度可籍檩条和墙梁的隅撑保证,以减少纵向刚架构件翼缘宽度。4、 跨度较大的刚架可采用改变腹板高度、厚度及其翼缘宽度的变截面。5、 刚架的腹板允许其部分失稳,利用其屈曲后的强度,即按有效宽度设计,可减少腹板厚度,不设或少
6、设横向加劲板。6、 竖向荷载通常是设计的控制荷载,地震作用一般不起控制作用;但当风荷载较大或房屋的高度较高时,风荷载的作用不可忽视。7、为使非地震区支撑做得轻便,可采用张紧的圆钢。有时7度设防的地区也采用圆钢支撑。8、 结构构件可全部在工厂制作,工业化程度高, 构件单元可根据运输条件划分(一般不超过12米,特殊情况下不超过15米)单元之间用螺栓连接,安装方便快速,土建施工量少。9、 门式刚架的最基本的形式:2.2. 门式刚架的适用范围 1、门式刚架属于轻型钢结构设计范围,轻型钢结构设计的控制原理是:“结构构件采用较薄板件,设计时考虑板件局部失稳后的后继强度的钢结构体系”。 (门式刚架设计是钢结
7、构设计中最简单的设计工作之一)门式刚架可以简化为由梁、柱(梁、柱可以是实腹式,也可以是格构式)组成的平面结构体系。形式种类多样,在单层工业和民用房屋的钢结构中,如工厂车间、物流仓库、超市、学校、车站、码头等应用较多的为单跨、双跨或多跨的单、双坡门式刚架,有时兼有局部夹层。下图为典型工字型柱、梁截面图。2、 适用范围:门式刚架通常用于跨度936米,柱距69米,柱高4.512米,最高时不超过40米。当设置桥式吊车时,宜为起重量不超过20t的中、轻级工作制()的吊车;设置悬挂吊车时,其起重量不宜大于t。吊车起重量5t时,柱脚可以采用铰接;起重量 5t时,柱脚一定要采用刚接。多层房屋上增加的单层钢结构
8、房屋,也可以按照门式刚架设计处理。2.3. 门式刚架的布置原则 1、门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度(伸缩缝间距),纵向温度区段不大于300米,横向温度区段不大于150米。当有计算依据时,温度区段长度可适当加大。当需要设置伸缩缝时,可采用两种做法:直接把此处檩条及檩托板的连接孔设成长远圆孔,同时使该处的屋面板在构造上允许膨胀或收缩。设双柱。有吊车梁时,吊车梁与柱的连接处宜采用长圆孔。2、在多跨刚架局部抽掉中间柱或外边柱,可布置托梁或托架。3、屋面檩条的布置,应考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条供货规格等因素的影响。屋面压型钢板厚度和檩条间距应按计算确定。(屋面压型钢板的生产厂家一般
9、都根据板厚不同,计算了檩条的适用间距,设计时多数采用1.5米的檩距。)4、山墙可设置由斜梁、抗风柱、墙梁及其支撑组成的山墙墙架,这时斜梁完全支撑在抗风柱和边柱上,斜梁的高度可以很小;或采用门式刚架。3 结构材料3.1 主要结构材料:Q235 钢和Q345钢l强度钢材的强度有比例极限p、弹性极限e和屈服点(流限)fy。这三个指标实际上可用屈服点作为代表,设计时认为这是钢材可以达到的最大应力。屈服点fy高,则可减轻结构自重、节约钢材和降低造价。此外还有一个强度指标即抗拉强度(极限强度)f,这是钢材破坏前能够承受的最大应力。虽然在达到这个应力时,钢材巳由于产生很大的塑性变形而失去使用性能,但是抗拉强
10、度f高,则可增加结构的安全保障,故ffy的值可以看作是钢材强度储备多少的一个系数。 必须注意,fy、f值是由单向均匀受力的静力拉伸试验获得的,这样的指标也只有在承受静力荷载,而且应力单向分布较均匀的结构或构件中才具有实际意义。强度指标虽然是结构设计的重要依据之一,但单凭这一指标不足以完全判定结构是否安全可靠,还需考虑下面所述因素。2塑性 钢材的塑性一般是指当应力超过屈服点后,能产生显著的残余变形(塑性变形)而不立即断裂的性质。衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率和断面收缩率。 伸长率是应力应变曲线中最大应变值,等于试件拉断后的原标距间长度的伸长值(包括残余塑性变形)和原标距比值的百分率,当L0/
11、d0=10时,以10表示,当L0/d0=5时,以5表示。值可按下计算:=(L1-L0)/L0100%(2-1)式中:-伸长率;L0-试件原标距长度;L1-试件拉断后标距间的长度;d0-试件中间部分的直径。 断面收缩率是指试件拉断后,颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率,按下式计算: =(A0-A1)/A0100% (2-2)式中:A0-试件原来的断面面积; A1-试件拉断后颈缩区的断面面积。断面收缩率是表示钢材在颈缩区的应力状态(形成同号受拉的立体应力区域)条件下,所能产生的最大塑性变形量,它也是衡量钢材塑性的一个指标。由于伸长率是钢材的均匀变形和集中变形(颈缩区)的总和所确定的,所
12、以它不能代表钢材的最大塑性变形能力。断面收缩率是衡量钢材塑性的一个比较真实和稳定的指际。不过在测量时容易产生较大的误差。在实际工程中,结构或构件中的个别区域出现应力集中,个别地方的材料有缺陷或者实际受力与计算假定不相符合等是难以避免的。当钢材具有良好的塑性时,在受力达到一定程度后,个别区域材料屈服而产生塑性变形,构件内部应力可以重新分布而趋于比较均匀,不致因个别区域首先出现裂缝并扩展到全构件而导致破坏。尤其是在动力荷载(包括冲击荷载和振动荷载)作用下的结构或构件,材料的塑性好坏常是决定结构是否安全可靠的主要因素之一,所以钢材塑性指标比强度指标更为重要。 3韧性 钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂
13、过程中吸收能量的能力,也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力,它与钢材的塑性有关而又不同于塑性,它是强度与塑性的综合表现。钢材的强度和塑性指标是由静力拉伸试验获得的,这些指标用于承受动力荷载的结构时,显然有很大的局限性。因此,必须相应地用动力荷载进行试验,从而获得更可靠的指标。韧性指标是由冲击试验获得的,它是判断钢材在冲击荷载作用下是否出现脆性破坏危险的重要指标之一。 在冲击试验中,一般采用截面为10l0mm2,长度为55mm,中间开有小槽(缺口)的长方形试件,放在摆锤式冲击试验机上进行试验。冲断试样后,可以从试验机的刻度盘上直接读出冲击功Ak(单位为N-m)值。此值除以试件缺口处的净截面面积Ai(单
14、位为cm2),所得的值即为冲击韧性值,用ak表示 ak=Ak/AiN-m/mm2(2-3)钢结构或构件的脆性断裂常是从应力集中处开始的,冶金或轧制过程中产生的缺陷,特别是缺口和裂纹,常是脆性断裂的发源地。为此,冲击试验的试件做成带有缺口的。 钢材冲击韧性的数值,随试件刻槽(缺口)的形式和试验机的种类不同而相差很大,各国采用的缺口形式并不统一,主要三种类型的缺口,目前我国规定采用夏比V型缺口的试件。 4可焊性 钢材的可焊性,是指在一定材料、工艺和结构条件下,钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。可焊性可分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。 施工上的可焊性,是指焊缝金属产生裂纹的敏感性以
15、及由于焊接加热的影响、近缝区钢材硬化和产生裂纹的敏感性。可焊性好是指在一定的焊接工艺条件下,焊接金属和近缝区钢材均不产生裂纹。使用性能上的可焊性,是指焊接接头和焊缝的缺口韧性(冲击韧性)和热影响区的延伸性(塑性)。要求焊接结构在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。 目前,国内外所采用的可焊性试验方法很多。我国、日本和苏联既采用施工上的可焊性试验方法,也采用使用性能上的可焊性试验方法,而美国则对钢材焊后的冲击韧性进行大量研究工作,英国的可焊性试验,近年来偏重于对裂纹的研究。 每一种可焊性试验方法都有其特定的约束程度和冷却速度,它们与实际施焊的条件相比有一定距离。因此可焊性试验结果的评定仅具有相
16、对比较的参考意义,而不能绝对代表实际中的情况,更不能单纯地根据某种试验方法来确定操作规程及措施。 5冷弯性能 冷弯性能是指钢材在冷加工(即在常温下加工)产生塑性变形时,对产生裂缝的抵抗能力。钢材的冷弯性能是用冷弯试验来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能,并显示其缺陷的程度。冷弯试验方法是在材料试验机上,通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至某一规定角度时(一般取=180),检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面,如无裂纹、裂断或分层,即认为试件冷弯性能合格。冷弯试验一方面是检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程,另一方面通过试验还能暴露出钢材的内部缺陷(颗粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷)
17、,鉴定钢材的塑性和可焊性。冷弯试验是鉴定钢材质量的一种良好方法,常作为静力拉伸试验和冲击试验等的补充试验。冷弯性能是一项衡量钢材力学性能的综合指标。 6耐久性 影响钢结构使用寿命的因素较多。首先由于钢材的耐腐蚀性较差,必须采取防护措施,避免钢材的腐蚀,这是钢结构的一大弱点。新建的结构需要油漆,已建成的结构也要根据使用的具体条件定期维护,这就使钢结构的维修费用较其他结构为高。 随着时间的增长,钢材的力学性能有所改变,出现所谓“时效”现象。根据结构的使用要求和所处的环境条件,必要时对钢材进行快速时效后测定钢材的冲击韧性,以鉴定钢材是否适用。其次由于钢材在高温和长期荷载作用下的破坏强度远比短期的静力
18、拉伸试验的强度低得多,所以在长期高温条件下工作的钢材,应另行测定其“持久强度”。 钢结构在多次的重复荷载或交变荷载作用下,虽然钢材应力低于屈服点fy,也往往会发生破坏。这种现象叫做钢材的疲劳现象。疲劳破坏与脆性破坏相似,破坏之前没有显著的变形和明显的迹象,破坏是突然发生的,常易引起严重后果。因此,在重复和交变荷载作用下,需要确定钢材的另一个力学性能指标“疲劳强度”。 7化学成分对钢材力学性能的影响 钢结构中常用的钢材,例如Q235钢,在一般情况下,既有较高的强度fy235Nmm2,又有很好的塑性1021%和韧性k0.70N-m/mm2,是比较理想的承重结构材料。但是,仍有可能出现脆性断裂。 促
19、使钢材发生脆性断裂的因素很多,主要的因素是钢材的化学成分,钢材的化学成分直接影响钢的组织构造,并与钢材的力学性能有密切关系。钢的基本元素是铁(Fe),普通碳素钢中的纯铁约占99,此外便是碳(C)、锰(Mn)和硅(Si)等杂质元素,以及在冶炼中不易除尽的有害元素硫(S)、磷(P)、氧(O),氮(N)等。碳和其他元素虽然含量不大(仅占1%左右),但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。因此,在选用钢材时要注意钢的化学成分 在普通碳素钢中,碳是除铁以外最主要的元素,它直接影响着钢材的强度,塑性、韧性和可焊性等。随着含碳量的增加,钢材的屈服点和抗拉强度提高,但塑性和韧性,特别是负温冲击韧性下降。同时,钢
20、材的耐腐蚀性能,疲劳强度和冷弯性能也却明显下降,并将恶化钢材的可焊性和增加低温脆断的危险性。因此建筑钢的含碳量不宜大高,一般不过0.22%,在焊接结构中则应限制在0.20以下。硅一般作为脱氧剂加入普通碳素钢,用以制成质量较高的镇静钢。硅有使铁液在冷却时形成无数结晶中心的作用,因而可使纯铁体的晶粒变为细小而均匀。适量的硅可以使钢材的强度大为提高,而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性均无显著的不良影响。一般镇静钢的含硅量为0.100.30,如含量过高(达1左右)将会降低钢材的塑性、冲击韧性,抗锈性和可焊性。锰是一种弱脱氧剂。锰与铁、碳的化合物既能溶解于纯铁体中,又能溶解于渗碳体中,有强化纯铁体和珠
21、光体的双重作用,是一种十分有效的合金成分。含量不太多的锰可以有效地提高钢材的强度,消除硫、氧对钢材的热脆影响,改善钢材的热加工性能,并能改善钢材的冷脆倾向,而同时又不显著降低钢材的塑性和冲击韧性。锰在普通碳素钢中的含量约为0.30.8%。如含量过高(达l.01.5以上),会使钢材变得脆而硬,并将降低钢材的抗锈性和可焊性。在普通碳素钢中,硫和磷是极为有害的物质硫与铁化合为硫化铁(FeS),散布在纯铁体晶粒的间层中。含硫量增大时会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。高温(8001200)时,例如在焊、铆及热加工时,硫化铁即将熔化而使钢材变脆(热脆)和发生裂缝。因此应严格控制钢材中的含硫量
22、,一般应不超过0.055,在焊接结构中则应不越过0.050。在钢中增加锰的含量,可使硫形成熔点高、塑性较好的硫化锰(MnS),它的熔点(约为1600),远远高出热加工温度这样就可以消除一部分硫的有害作用。 磷与纯铁体结成不稳定的固熔体,有增大纯铁体晶粒的害处。磷的存在虽可提高钢材的强度和抗锈性,但严重降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性等,特别是在低温时能使钢材变得很脆(冷脆)。所以磷的含量也应严格控制,一般不超过0.050,在焊接结构中不超过0.045。但是,磷在钢材中的强化作用是十分显著的,因此有时就利用它的这一强化作用来提高建筑钢的强度。磷使钢材的塑性、冲击韧性和可焊性等方面的降低
23、,可用减少钢材中的含碳量来弥补。在有些国家中,采用特殊的冶炼工艺,生产高磷钢,其中含磷量(在含碳量小于0.09时)最高可达0.080.12。氧和氮因容易从铁液中逸出,故含量甚少。这两种物质对钢材具有极为严重的危害性,能使钢材变得极脆。氧的作用与硫类似,是引起热脆的因素之一。一般要求含氧量小于0.05。氮能使钢材强化。但和磷的作用类似,它的存在将显著降低钢材的塑性、韧性,可焊性和冷弯性能,增加时效倾向和冷脆性。因此应尽量减少钢中的含氮量,一般应小于0.008%。 为了改善钢材的力学性能,可以适当增加钢中锰或硅的含量,还可以掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素,这种钢称为合金钢。钢结构常
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