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1、门式刚架钢结构设计,内容,内容纲要,一、钢结构基本知识回顾 二、门式刚架结构设计分析 三、设计实例分析 四、总结,一、钢结构基本知识回顾,1.材料性质2.钢结构的主要荷载3.构件设计4.钢结构的连接,1.材料性质,钢结构的特点：优点：轻质高强，材质均匀，工业化生产，施工 工期短；钢结构抗震性能好。 缺点：耐腐蚀性较差，耐火性差，造价较高。,钢材种类及规格,（1）碳素结构钢 常用Q-235，质量等级A、B、C、D （2）低合金高强度钢 常用Q345、Q390、Q420，质量等级A、B、C、D、E,设计指标,钢材的规格,1.钢板热轧钢板有厚钢板（厚度4.560mm），薄钢板（厚度0.354mm），
2、还有扁钢（厚度460mm，宽度30200mm），符号“ -长度宽度厚度）2.热轧型钢H型钢、角钢、工字钢、槽钢具体规格可查阅型热轧钢规格表3.冷弯薄壁型钢由薄钢板经模压或弯曲而制成，其壁厚一般为1.55mm，包括C型，Z型，压型钢板等。,建筑钢结构主要荷载：恒、活荷载风荷载雪荷载（下雪地区）地震作用吊车荷载,恒荷载 轻型钢板屋面恒荷载一般为0.20.3 kN/M2,活荷载（与屋面雪荷载不同时考虑）,风荷载（一般为控制性荷载）,风对屋面、墙体的压力、吸力 山墙采用抗风柱抵抗风载,雪荷载（积雪不均匀系数）,地震荷载作用一般来讲，对于门式轻钢结构，低烈度区，地震不起控制作用。钢结构的阻尼比取0.03
3、0.05，比混凝土结构要小。,钢结构抗震方面的优势主要是从材料较轻，承载力高，地震过程中弹塑性变形较大，基本不会发生断裂，即钢结构允许的变形能力大。,吊车荷载（厂房中经常见）,吊车梁一般设计成简支梁。,钢结构构件设计计算（强度、刚度、稳定性）,1.轴心受力构件 承载能力极限状态：强度、整体稳定、局部稳定（型钢不必验算） 正常使用极限状态：刚度（对于轴心受力构件，主要由长细比控制）,轴心受力构件的强度及整体稳定:,轴心受力构件的刚度:,钢规：,门规：,受压构件的局部稳定:,计算内容:强度、整体稳定、局部稳定、刚度,2.受弯构件,强度：,整体稳定：,局部稳定：,腹板：通过加劲肋保证局部稳定翼缘：通
4、过限制翼缘宽厚比防止局部失稳,拉弯或压弯构件,强度：,稳定性：,刚度：主要由梁的挠度和柱的侧移控制,钢结构的连接方法,钢结构的连接方法有焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。,（一）焊缝连接 焊缝连接是通过电弧产生的热量使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成焊缝，从而将焊件连接成为一体。 优点：不削弱构件截面，节约钢材，构造简单，制造方便，连接刚度大，密封性能好，在一定条件下易于采用自动化作业，生产效率高。 缺点：焊缝附近钢材因焊接高温作用形成的热影响区可能使某些部位材质变脆，对结构的承载力、刚度和使用性能有一定影响；焊缝连接的塑性和韧性较差，施焊时可能产生缺陷，使疲劳强度降低。,焊缝符号集及标注方法
5、 焊缝符号表示法规定：焊缝符号一般由基本符号与指引线组成，必要时还可加上补充符号和焊缝尺寸。 基本符号：表示焊缝的横截面形状，如用“ ”表示角焊缝,用“V”表示V形坡口的对接焊缝； 补充符号：补充说明焊缝的某些特征，用“ ”表示现场安装焊缝，用“ ”表示焊件三面带有焊缝； 指引线 ：一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头指向图形相应焊缝处，横线上方和下方用来标注基本符号和焊缝尺寸等。,焊缝符号,（二）螺栓连接 螺栓连接是通过螺栓这种紧固件把连接件连接成为一体。 螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。 优点：施工工艺简单、安装方便，特别适用于工地安装连接，也便于拆卸，适用于需要装拆结构和临时性
6、连接。 缺点：需要在板件上开孔和拼装时对孔，增加制造工作量，且对制造的精度要求较高；螺栓孔还使构件截面削弱，且被连接件常需相互搭接或增设辅助连接板（或角钢），因而构造较繁且多费钢材。,普通螺栓连接的构造普通螺栓的形式和规格 钢结构采用的普通形式为大六角头型，其代号用字母M与公称和直径（mm）表示。工程中常用M18，M20，M22，M24。按国际标准，螺栓统一用螺栓的性能等级来表示，如“4.6级”、“8.8级”等。小数点前数字表示螺栓材料的最低抗拉强度，如“4”表示400N/mm2，“8”表示800N/mm2。小数点后的数字（0.6、0.8）表示螺栓材料的屈强比，即屈服点与最低抗拉强度的比值。,
7、高强度螺栓的受力特点（钢结构连接节点通常采用高强螺栓） 高强度螺栓连接按设计和受力要求可分为摩擦型和承压型两种。 摩擦型连接在承受剪切时，以外剪力达到板件间可能发生的最大摩阻力为极限状态；当超过时板件间发生相对滑移，即认为连接已失效而破坏。 承压型连接在受剪时，则允许摩擦力被克服并发生板件间相对滑移，然后外力可以继续增加，并以此后发生的螺杆剪切或孔壁承压的最终破坏为极限状态。 两种形式螺栓在受拉时没有区别。 高强度螺栓和普通螺栓连接受力的主要区别是：普通螺栓连接的螺母拧紧的预拉力很小，受力后全靠螺杆承压和抗剪来传递剪力。而高强度螺栓时靠拧紧螺母，对螺杆施加强大而受控制的预拉力，此预拉力将被连接
8、的构件夹紧。靠构件夹紧而由接触面间的摩阻力来承受连接内力是高强度螺栓连接受力的特点。,钢柱柱脚的构造 柱脚的作用是将柱身的压力均匀的传给基础，并和基础牢固的连接起来。在整个柱中，柱脚是比较费钢费工的部分。设计时应力求简明，并尽可能符合结构的计算简图，便于安装固定。 柱脚按其与基础的连接方式的不同可分为铰接和刚接两类，轴心受压柱、框架柱或压弯构件，这两种形式均有采用铰接柱脚不能抵抗弯矩，刚接柱脚可以抵抗弯矩。柱脚通过锚栓固定于基础，锚栓的直径一般为2432mm。,铰接柱脚,刚接柱脚,次梁与主梁连接示意，a，b，c为铰接连接，d为固结连接,正在建设的门式刚架工程实例,山墙抗风柱,吊车梁,天窗架,二
9、、门式刚架结构设计分析,结构形式及布置,门式刚架特点及应用情况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）刚架构件的刚度较好，为制造、运输、安装提供了便利；（4）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；（5）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。,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
10、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。,2、 门式刚架结构的应用情况,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,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（GB 51022-2015）,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）
11、单坡刚架,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。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：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；屋面坡度：宜取1/81/20，在雨水较多地区可取较大值。,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60m；当建筑物宽度
12、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。,（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。,（3）屋面水平支撑,屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第
13、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，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，,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,（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
14、压杆件及刚性系杆按压杆设计。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。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。,（4） 隅撑布置,隅撑构造,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。,隅撑应按
15、轴心受压构件设计，轴压力按下式计算,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。,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。,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,（1）优先选用冷弯卷边槽钢C形和冷弯卷边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
16、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。,檩条的布置和连接,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816mm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。,拉条与撑杆,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
17、 （b）斜拉条,（d）撑杆,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）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；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。,（4）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。,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
18、符合下列要求：,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：,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所在截面的有效截面模量。,平面外稳定计算,对双轴对称、均匀弯曲的工字
19、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。,（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。,节点设计,（a） 端板竖
20、放 b） 端板横放 （c）端板斜放 （d）斜梁拼接梁柱连接节点,端板竖放,端板平放,（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。,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,三、设计实例分析,案例：单层门式刚架厂房，檐口高度6m，单脊双坡（5%），长度60m，宽度21m。基本风压0.35kN/m，基本雪压0.6kN/m，抗震设防烈度6度(0.05g)，场地类别类。,厂房柱距方案比
21、较,钢梁高度一般可按照(1/451/30)跨度来估算，变截面柱大头与梁高相适应。檩条、墙梁高度一般可按照(1/501/35)跨度来估算。,最终结果，7.5m柱距方案比6.0m柱距方案用钢量少1294kg，且7.5m柱距共9榀刚架，6.0m方案11榀刚架，不仅用钢量少且基础数量也减少，从经济角度考虑，优先选用7.5m柱距方案。,STS-门式刚架设计三维和二维模型方法,三维模型方法：建立结构整体模型，布置、计算屋面、墙面构件。统计结构整体用钢量，报价，绘制施工图。立面建模，直接完成主刚架建模，优化，计算；根据立面模型形成整体模型，数据立即更新，快速形成数据。二维模型方法：计算檩条，墙梁，吊车梁等构
22、件。建立单榀门式刚架模型，优化，计算，节点设计，绘制施工图（功能集成在一个菜单完成）。精确统计单榀刚架钢材，高强度螺栓用量。,刚架建模,柱高：基础顶至檐口标高,分段方式：跨度较大时可进行分段设计，本案例跨度21m，不适合继续分段，否则每段长度太短并且增加拼接数量，既不经济也浪费时间。,风压调整系数：1.1,屋面梁平面外计算长度：按隅撑支撑梁考虑,梁柱截面定义：,查看梁柱实际长度,修改梁柱平面外计算长度,检查荷载,恒载,活载,风荷载,钢结构应力比图,长细比要求,钢梁挠度图,计算得挠度值1/2511/180,符合要求,柱顶位移,钢架柱顶位移限值,计算得刚架柱顶位移h/735h/60,符合要求,超限
23、调整思路,1.强度超限：一般情况下梁抗弯强度易超限，此时调整梁高是比较有效措施。若抗剪强度超限，则增加腹板厚度最为有效。2.平面内稳定超限：增加梁平面内惯性矩或减少平面内计算长度，增加梁高或翼缘厚度最有效。增大柱子截面，加强柱子对梁约束可以减少梁平面内计算长度，但通常不建议这样做，代价太大切效果不明显。3.平面外稳定超限增加梁宽或加大翼缘厚度，可增大平面外惯性矩。设置屋面梁支撑，可有效减少梁平面外计算长度。4.长细比超限减少计算长度或增大截面5.挠度超限增大梁高，最为有效6.侧移超限增加刚架侧向刚度，增大梁、柱截面高度最有效,围护系统设计,1.屋面檩条,2.墙梁设计,3.隅撑设计,支撑系统设计,1.屋面水平支撑,2.柱间支撑,四、总结,确定合理柱距方案单榀刚架建模，截面优化，结构计算计算檩条，墙梁，吊车梁等构件计算柱间支撑，屋面支撑,门式刚架设计,谢,谢,大,家,
