轻钢结构门式钢架和拱.ppt

第3章 轻型门式刚架结构,1.1 概述 1.2 结构形式和布置 1.3 刚架设计 1.4 压型钢板设计 1.5 檩条设计 1.6 墙梁设计 1.7 支撑及构造设计,了解轻型门式刚架的特点、应用现状和发展前景，熟悉门式刚架的结构体系、维护结构及设计方法。,掌握轻型钢结构和普通钢结构的区别,以及变截面计算。,学习目标,学习难点,学习目标,轻型门式刚架结构与一般普通钢结构相比具有以下技术特征： 1.结构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，建筑造型美观。 2.门式刚架的刚度较好，自重轻，横梁与柱可以组装，为制作、运输、安装提供了有利条件。 3.屋面刚架用钢量仅为普通钢屋架用钢量的1/5-1/10，是一种经济可靠的结构形式。,1.1 概述,正在建设的门式刚架工程实例,工程实例： 青岛永源体育用品有限公司加工车间，是由韩国投资建设的2万平方米轻钢结构多层工业厂房。 主体结构采用轻钢结构框架体系。楼面板采用钢混凝土组合楼板。屋面板均采用双层压型钢板，两层压型钢板之间放置了耐火性能较好的岩棉保温隔热层，波浪造型的轻钢结构屋面梁轻盈、活泼，克服了工业建筑造型单一、立面造型呆板的缺点。,正在建设中的多层轻钢结构厂房,压型钢板外墙板,主要承重骨架门式刚架 檩条、墙梁 冷弯薄壁型钢 屋面、墙面 压型金属板、彩钢夹芯板 屋面及墙面保温芯材 聚苯乙烯泡沫塑料、 聚氨酯泡沫塑料、岩棉等 支撑 屋面支撑、柱间支撑,1.1.1 门式刚架结构的组成,单层轻型钢结构房屋的组成,门式刚架结构示意,1.1.2 门式刚架结构的特点,重量轻 工业化程度高、施工周期短 柱网(无模数)布置灵活 综合经济效益高,门式刚架整体性能： 1.门式刚架屋面体系的整体性可以依靠檩条、隅撑来保证，从而减少了屋盖支撑的数量，同时支撑多用张紧的圆钢做成，很轻便。,2.门式刚架的梁、柱多采用变截面杆件，檁条采薄型,可以节省材料。 3.组成构件的杆件较薄，对制作、涂装、运输、安装的要求高。 4.构件的抗弯刚度、抗扭刚度比较小，结构的整体刚度也比较柔。,1.1.3 门式刚架结构的应用情况,1.我国门式刚架设计规程：门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:2002) 2.应用范围：轻型厂房、物流中心、大型超市、体育馆、展览厅、活动房屋、加层建筑等。 3.应用规模：国内每年有一千万平方米的轻钢结构 建筑物竣工。,4.轻型门式刚架的适用范围及截面形式： (1).屋面荷载较小，横向跨度为936m，柱高为4.512m，柱距6m9m (2).没有吊车或设有中、轻级工作制吊车的厂房。 (3).当厂房横向跨度不超过15m，柱高不超过6m时，屋面刚架梁宜采用等截面刚架形式。当厂房横向跨度大于15m，柱高超过6m时，宜采用变截面刚架形式。,5.变截面刚架与等截面刚架的对比: 柱和梁采用变截面形式时，截面形状与内力图形附合较好，受力合理、节省材料。 变截面刚架在构造连接及加工制造方面不如等截面方便。 6.柱脚形式: 门式刚架柱脚分为铰接和刚接两种连接形式。,刚接柱脚详图,铰接柱脚详图,刚接柱脚门式刚架,铰接柱脚门式刚架,变截面梁,变截面梁、柱,加劲板,地脚螺栓,刚接柱脚工程实例,变截面 刚架梁,等截面刚架柱,一、门式刚架结构特点 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）在非地震区可采用张紧的圆钢作为支撑；,第二节 结构形式和布置,（5）用C形、Z形薄壁型钢做檩条、墙梁，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，在建筑造型上也较简洁美观。,二 结构形式与布置 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。,第二节 结构形式和布置,跨度：横向刚架柱轴线间的距离； 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。,2门式刚架的尺寸,3结构布置,（1）温度区段布置(如下表) （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。,温度区段长度,（1）实腹屋面梁 实腹屋面梁结构体系是在钢筋混凝土结构上用钢梁、檩条、屋面支撑和屋面板搭建而成。屋面钢梁采用人字钢梁，按简支梁设计，可根据受力情况分段采用变截面，钢梁对混凝土柱有推力。,4实腹屋面梁和托梁,实腹梁钢屋架形式,（2）托梁 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,三、支撑体系布置,1柱间支撑 （1）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60m； （2）当建筑物宽度大于60m时，内柱列宜适当增加柱间支撑； （3）支撑与构件的夹角应在30°60°范围内，宜接近45°； （4）柱间支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑(下图)，当桥式吊车起重量大于5时，宜采用型钢支撑； （5）柱间支撑的内力，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；,2屋面水平支撑,（1）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；. （2）在刚架转折处（柱顶和屋脊）应沿房屋全长设置刚性系杆； （3）屋面交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑杆件(如横杆)及刚性系杆应按压杆设计；,（5）刚性系杆可由檩条兼作(屋脊缘口处须加强)，此时檩条应满足对压弯构件的刚度和承载力要求； （6）屋盖横向水平支撑可仅设在靠近上翼缘处 （7）交叉支撑可采用圆钢，按拉杆设计； （8）屋面横向水平支撑内力，应根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，对于交叉支撑可不计压杆的受力。,3 隅撑布置,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 实腹式横梁钢材的屈服强度； 隅撑与檩条轴线间的夹角。,隅撑,第二节 檩条设计,一、檩条布置和连接,桁架式檩条,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（图3-13）；,3.荷载组合原则 （1）屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中较大值； （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自重（如拉条支撑自重）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。,上面的稳定算式只针对受弯构件，若是压弯构件要考虑压力和弯曲的耦合效应，对冷弯薄壁压弯构件，因处于弯扭状态，还要求解弯扭换算长细比（见下图公式），比较复杂，因此应尽量避免让冷弯薄壁构件处于压弯状态，避免不了就尽量用闭口或热轧构件承受压弯荷载。本课程只讲解纯受弯的冷弯薄壁构件稳定计算。,纯受弯的冷弯薄壁构件有效截面模量问题： 由于冷弯薄壁构件最大宽厚比限值（如下表所列）比一般梁要大（如Q235工字梁翼缘不出现局部失稳的宽厚比限值为13），会出现局部屈曲，且檩条连接使用普通螺栓且数量少孔隙也较大,这就决定了檩条的约束仅针对面外位移而不能阻止扭转,应考虑屈曲后有效截面, 从构件实际宽度中去除失效宽度，只利用剩下的有效宽度计算截面模量，称为有效截面模量,有效截面模量可由有效截面宽度求出： 一般情况下：be1=0.4be; be2=0.6be,竖向荷载的传力过程示意图,水平荷载的传力过程示意图,恒载（柱距6m）,活载（柱距6m）,左风（柱距6m，基本风压0.55）,右风（柱距6m，基本风压0.55）,2考虑地震作用时荷载组合 计算刚架地震作用及自振特性时，永久荷载+竖向可变 荷载×0.5+悬挂吊车或桥式吊车自重。 计算刚架考虑地震作用组合的内力时，（永久荷载+竖 向可变荷载×0.5+悬挂吊车或桥式吊车竖向轮压） ×1.2+地震作用×1.3。 实际经验表明，当地震设防烈度为7度而相应风荷载大于0.35kN/m2（标准值）或为8度（、类场地上）而风荷载大于0.45kN/m2时，地震作用组合一般不起控制作用，可只进行基本的内力计算。,变截面门式刚架应采用弹性分析方法，按平面结构确定各种内力，仅当构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。计算控制性截面的内力组合时一般应计算以下四种简化组合(以M,N为主)： Mmax及相应N,V； Mmin(即负弯矩最大)及相应N,V ； Nmax及相应M,V(M有正负最大)； Nmin及相应M, V (M有正负最大) 。 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、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。,（一）刚架的内力计算,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； y为轴心受压构件弯矩作用平面外的稳定系数，以小头 为准； by为均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数； mx、 t为等效弯矩系数； NE0 欧拉临界力(计算时回转半径i0以小头为准)。,对双轴对称、均匀弯曲的工字形楔形截面杆件,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。 注：楔形构件平面内计算长度则要复杂得多，见下述内容,楔形刚架平面内计算长度系数,(2)柱脚刚接时，,4变截面刚架斜梁 （1）实腹式刚架横梁的平面外计算长度，应取侧向支承点间的距离； （2）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。 （3）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。 5 变截面刚架梁计算中与等截面梁的不同处 （1）实腹式斜梁在平面内按压弯构件计算强度稳定，在平面外按压弯构件计算稳定； (2)还应注意Ib的不同及局部稳定中屈曲后强度。,6 局部稳定及屈曲后强度,板件最大宽厚比和利用屈曲后强度： 工字形截面（采用三块板焊成）受弯构件中腹板以受剪为主，翼缘以抗弯为主；增大腹板的高度，可使翼缘的抗弯能力发挥更为充分；增大腹板厚度，可利用板件屈曲后的强度。,h,1.087,h,hc空白,（三）,f,式中 W 均布风荷载的总值； 吊车水平荷载Pc作用高度与柱高度之比； Pc 吊车横向水平荷载； w1、w4 风荷载的均值。,式中 Ki 柱脚铰接时各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 两柱惯性矩不同时的等效惯性矩； Il 、 Ir 左、右两柱的惯性矩。,当刚架侧移不满足要求，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。,1 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(图(d)。与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度(图(a)。,（五）节点设计,（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,端板支承条件,2 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,当端板平齐时,（4）三边支承类端板,Nt一个高强螺栓的受拉承载力设计值； ew、ef分别为螺栓中心至腹板和翼缘板表面的距离；b、bs分别为端板和加劲肋板的宽度 a螺栓的间距； f端板钢材的抗拉强度设计值。,3节点域剪应力验算 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。,4端板螺栓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。,5 柱脚 （1）多用平板式铰接柱脚或刚接柱脚； （2）水平剪力由底板与混凝土基础间的 摩擦力（摩擦系数取0.4或设置抗 剪键承受； （3）计算带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。,地脚螺栓,加劲板,铰接柱脚,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。,第四节 围护结构,屋面构造作法,（a）压型钢板 （b）夹芯板 屋面板作法,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斜拉条将拉力传至承重柱或墙架柱。,二、墙面布置和连接,纵墙结构布置,（二）山墙结构布置,山墙结构布置,在垂直荷载作用下，坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。屋面板将与支撑檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势。这时，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而边缘檩条承受轴力起深梁翼缘的作用。显然，屋面板的抗剪切能力要远远大于其抗弯曲能力。所以，蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应。对于斜坡门式刚架，抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度，坡度越大蒙皮效应越显著；而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加，构成整个结构蒙皮效应的是蒙皮单元。蒙皮单元由两榀刚架之间的蒙皮板、边缘构件和连接件及中间构件组成。边缘构件是指两相邻的刚架梁和边檩条（屋脊和屋檐檩条），中间构件是指中间部位檩条。 一般而言，中间构件对蒙皮单元的剪切刚度影响不大，但对强度影响较大。在屋面板型选中后，连接件和边缘构件直接影响了蒙皮单元的抗剪刚度和强度。,（三） 蒙皮效应,1荷载 墙梁主要承受墙面板传来的风压力、风吸力和竖向自重荷载。 计算墙梁的荷载组合有两种：竖向荷载+水平荷载（风压）；竖向荷载+水平荷载（风吸）。 2计算 单侧挂墙板的墙梁，应按下列公式计算其强度和稳定： （1）在承受朝向面板的风压时，墙梁的强度可按下式计,（四）墙梁计算,Mx、My分别为水平荷载和竖向荷载产生的弯矩； Vx、Vy分别为水平荷载和竖向荷载产生的剪力； Wenx、Weny分别为绕主轴x和主轴y的有效净截面模量； b0、h0分别为墙梁在竖向和水平向的计算高度，取型 钢板件连接处两圆弧起点之间的距离； t 墙梁壁厚。 （2）外侧设有压型钢板的墙梁在风吸力作用下的稳定性 可按轻钢规程附录E的规定计算。 （3）当外侧设有压型钢板的实腹式刚架柱的内侧翼缘受压时，可沿内侧翼缘设置成对的隅撑，作为柱的侧向支承。隅撑的另一端连接在墙梁上。,第五节 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+0.9 × 1.4 ×(活载+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）,（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（要满足宽高厚比限制） 檩条截面形式（C型和Z型） 屋面水平撑：本例题（刚性：角钢；柔性：圆钢 刚性系杆一律钢管）,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,6.7m,8.44m,s,谢谢！,