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1、门式钢架,一、超过本章1.9中所述适用范围的单层房屋可以采用门式刚架结构吗？此时设计中应注意哪些问题？超过上述适用范围的单层房屋当然可以采用门式刚架结构，上述适用范围只是针对CECS 102:2002的具体规定而言，并不是说门式刚架结构这种形式超过了这些范围就不适用了。事实上由于门式刚架的内力分布比较均匀、外形较为美观、制作安装亦较方便，北京西郊机库和大连南关岭粮库等都达到单跨72m，采用门式刚架单层房屋钢结构；也有吊车吨位达到240t、350t的工业厂房采用门式刚架结构形式的单层房屋钢结构；檐口高度达到27m甚至32m的门式刚架单层房屋钢结构也见诸实际工程，只是这些工程的刚架柱不再是H型钢柱
2、，而多采用格构柱或两型钢组合的实腹柱。超过上述适用范围的单层房屋采用门式刚架钢结构时，除了维护结构和檩条、墙梁等次结构可以基本上参照门式刚架轻型房屋钢结构CECS102:2002的相关规定之外，主结构设计宜按照下述建议考虑：,主结构设计不宜依据CECS102:2002的规定，而应执行钢结构设计规范GB 500172003的相关规定，抗震设防地区的房屋还应执行建筑抗震设计规范GB 500112001的相关规定。有大吨位吊车的厂房以及厂房较高时宜采用格构柱；吊车吨位大于20t时，不宜采用柱子上牛腿支撑吊车梁，有大吨位吊车的厂房柱宜由肩梁支撑吊车梁。刚架跨度不小于60m以及柱子比较高时，在计算水平地
3、震作用的同时，应计算竖向地震作用；柱脚与基础的连接应按刚接设计，采用靴梁式柱脚、插入式柱脚或埋入式柱脚。跨度等于或大于36m的实腹式门式刚架，由于梁的高度较大，轻钢房屋梁翼缘的宽度一般不大，而隅撑-冷弯薄壁型钢檩条体系提供的侧向刚度较小，为防止梁的受压下翼缘平面外失稳，有两种做法可供考虑：一是将屋盖横向支撑的直腹杆通过隅撑约束下翼缘，在下翼缘的相应位置设置纵向通长系杆（刚性或柔性），屋盖横向支撑的直腹杆除了承受作为支撑桁架腹杆的轴力外，还承受下翼缘,（包括相邻横向支撑之间一半开间的斜梁下翼缘）通过与此直腹杆相连的隅撑传来的力，因此，此直腹杆属于压弯构件，应按压弯构件设计；另一种做法是在对应于屋
4、盖横向支撑直腹杆的位置、在斜梁腹板靠近上翼缘处设置纵向通长刚性系杆，杆端连接应采用两个螺栓，并通过隅撑约束下翼缘，此刚性杆也应按压弯构件设计，这种做法用钢量稍多一些。刚架跨度不小于60m或更大时，斜梁宜采用折线形或截面采用桁架形式；屋盖支撑除了设置横向水平支撑外，还必须设置纵向水平支撑，形成封闭式支撑体系，支撑构件及系杆应采用型钢。材料宜采用Q345B及以上等级的钢材。对于在强侵蚀介质环境中的房屋采用门式刚架钢结构，应采取有效措施保护结构构件，例如根据侵蚀介质的具体情况，在柱子外围用抗腐蚀性能强的材料包裹等。,二、CECS 102:2002的条第7款规定：“在设有带驾 驶室且起重量大于15t桥
5、式吊车的跨间，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。”这是出于何种考虑？有桥式吊车的门式刚架轻型房屋（单层厂房），常有在吊车运行中（特别是空车运行时）出现晃动的情况，从结构设计的角度而言，可能是由于吊车梁的侧向刚度偏小，也可能是房屋整体刚度不足；桥式吊车的吊车吨位较大时，大部分情况是房屋整体刚度不足产生的问题，因此CECS 102：2002的条第7款规定：“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。”纵向水平支撑桁架可将各个平面刚架连在一起共同承担吊车在局部作用的摇晃力，同时屋盖纵向水平支撑和横向水平支撑形成封闭体系，加强了屋盖整体刚度，这是避免吊车在运行中出现晃动
6、行之有效的设计方案。实际上，对于吊车吨位较小的情况下，如果校核设计后确认吊车梁的侧向刚度符合要求，也可以在屋盖边缘设置纵向水平支撑桁架，使得行车更为平稳。此外，CECS 102：2002的第条规定“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。”同理，当设有起重量不小于15t的桥式吊车时，屋盖支撑亦宜采用型钢支撑。,三、CECS 102:2002的条第2款规定：柱间支撑间距，无吊车时取3045m，而有吊车时为不大于60m，为何有吊车时支撑的设置间距要大一些？CECS 102:2002的条第2款条文说明指出，“设置柱间支撑时不必考虑温度应力。无吊车时，柱间支撑间距是参考国外有关规定并结
7、合我国实际情况采用的。有吊车时，型钢支撑的布置已考虑到减少温度应力，且构件间用螺栓连接，温度变形可由螺栓连接间隙和构件变形吸收。”从这一段说明，我们可以理解，实际上不是有无吊车的问题，而是采用柔性支撑还是刚性支撑的问题。柔性支撑刚度较小，支撑构件本身变形较大，吸收温度变形的能力较小，甚至谈不上利用螺栓连接间隙吸收温度变形的问题；而刚性支件变形吸收温度变形的能力比较大，因此支撑间距亦可以大一些。,四、对于牌号为Q235A的碳素结构钢，如果加工成结构构件前检验其含碳量小于0.2%，是否可用于焊接构件？国家标准碳素结构钢GB 700中，Q235 钢分为A、B、C、D四个等级，其中A级钢不要求任何冲击
8、试验值，并只在用户要求时才进行冷弯试验，且不保证焊接要求的含碳量，故焊接结构构件不建议采用；即使对于某一批Q235A 钢材检验其含碳量不大于0.2%，但因其不是出厂保证条件，因此仍然不宜用于焊接结构。,五、CECS 102第条第6款规定“斜梁不需要计算整体稳定性的侧向支撑点间最大长度，可取斜梁受压翼缘宽度的 倍。”是不是必须遵守的构造要求？斜梁不需要计算刚架平面外的的整体稳定性的侧向支撑点的最大长度，可取斜梁受压翼缘宽度的 倍，这是参照钢结构设计规范GB 50017中对于等截面简支梁不需验算整体稳定的规定，但不是必须遵守的构造要求，只是为设计过程中初选截面时作参考，超过这一数值时需要作整体稳定
9、验算。实际上计算软件总是会进行刚架平面外整体稳定性验算的，一般说来，由于刚架斜梁不属于简支架且其一般不是等截面梁，当侧向支撑点间的最大长度，达到斜梁受压翼缘宽度的 倍时，通常仍能满足刚架斜梁整体稳定性要求。,六、有吊车时，边柱柱脚为刚接的多跨门式刚架的中柱可以采用上下铰接的摇摆柱吗？CECS 102 第条规定：“门式刚架的柱脚多按铰接支撑设计，。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。”在建设工程施工图审查中，发现有些设计工程师认为，“宜将柱脚设计成刚接”既然是“宜”而不是“应”，那么设计成铰接当然也可以，从而认为当桥式吊车起重量为5t时可以采用上下铰接的摇摆柱，这是一种不应
10、有的推论。需要注意的是CECS 102第条说的是柱脚连接，没有说柱顶与斜梁的连接，凡带有吊车的柱顶与斜梁应采用刚接，如吊车吨位小，柱脚可以铰接，但不是摇摆柱，所谓“摇摆柱”，是指只承受轴向力的构件，即所谓二力杆，而当有吊车时，搁置吊车梁处有弯矩和吊车的横向刹车力，即不再是只承受轴力方向的构件了，因此，有吊车的多跨门式刚架的中柱不应该采用摇摆柱，采用摇摆柱使得房屋刚度很差，行车晃动。,七、CECS 102 规定门式刚架轻型房屋钢结构房屋的纵向伸缩缝间距取300m，超过时如何设伸缩缝？当采用连续檩条和金属墙面时，若伸缩缝未能妥善处理，屋面可能有漏雨。根据某外资公司的经验，对于无吊车房屋，长度小于1
11、80m时不需要考虑温度变化的影响，大于180m但小于450m时，不需设置伸缩缝。纵向构件一般采用螺栓连接，总长度大于180m但小于450m时的伸缩可由纵向构件端部连接处的螺孔消除，连续构件内力的变化不会对结构的整体性或使用性能产生不利影响。CECS 102 规定房屋的纵向伸缩缝间距取300m，但对于有桥式吊车的门式刚架型钢结构房屋，考虑到吊车梁截面较大，温度变化也较大，而且由于吊车梁（尤其是突缘式支撑吊车梁）连接螺栓的构造可以传递拉力和压力，使吊车梁的温度应力释放有限，有工程实例表明，温度区间过长时导致柱间交叉支撑中的压杆严重弯曲，因此对于有桥式吊车的房屋纵向伸缩缝间距的规定应该更为严格。,C
12、ECS 102 第条除了规定伸缩缝的最大间距外，还规定“当需要设置伸缩缝时，可采用两种方法：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或设置双柱。”据之有些设计工程师，如图3.1-1所示在伸缩缝处设置支撑。对于图3.1-1所示在伸缩缝处设置支撑，从长圆孔的构造做法来看，如果能有效解决伸缩问题，则不能传力；如果能传力，说明其不能自由滑动，则不能有效解决伸缩问题，因此图3.1-1的做法是不合适的。按照CECS 102 第条的规定，在伸缩缝处设置支撑应该如图3.1-2所示，支撑应该设在设置伸缩缝开间的两侧，这样在设置伸缩缝开间的两侧都各自独立形成稳定的几何不变体系，两侧的水平力
13、不互相传递，在这种情况下伸缩缝开间的系杆可开成长圆孔，或者可以不设系杆。,八、门式刚架轻型房屋钢结构的经济跨度和刚架间距取多少较为合适？仅从结构设计的角度而言，刚架的用钢量一般说来随其间距的增大而减小，但吊车梁以及次结构（檩条、墙梁和支撑等）的用钢量则随刚架间距的增大而增大。对于无吊车的情况，次结构的用钢量约占总用钢量的30%45%；有桥式吊车时，吊车梁的用钢量与吊车梁的跨度、吊车台数、起重量以及吊车桥架的跨度有关，刚架用钢量与吊车台数、起重量、吊车桥架的跨度以及轨道标高和刚架柱高等多种因素有关，次结构的用钢量占总用钢量的比重难于有一个确定的范围。这里所谓的经济用钢跨度和刚架适用间距，是仅从总
14、用钢量最少的角度来讨论的 刚架的跨度通常由使用要求确定，仅从经济角度（包括次结构在内的用钢量的角度）而言，无桥式吊车和悬挂吊车时，刚架的经济用钢跨度约为2124m之间，大于36m就不经济了；当有桥式吊车时，其经济用钢跨度大概在2430m之间。有桥式吊车时的经济用钢跨度反而大于无桥式吊车时的经济用钢跨度，主要是因为吊车梁的用钢量在总用钢量中所占比重随刚架跨度增加而减少。,门式刚架轻型房屋钢结构的刚架间距通常采用6m、7.5m、9m、12m等，在工程实践中，刚架间距通常由使用要求确定；对于无桥式吊车的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以7.59m为宜（因为薄钢檩条的截面最大高度不宜超过250mm）；当
15、没有悬挂荷载或悬挂荷载不挂在檩条上，或采用高频焊接薄壁H型钢、或采用高频焊接轻型H型钢檩条，或采用格构式檩条时，刚架间距可做到12m，甚至15m，此时侧墙宜设墙架柱；通常，大跨度宜采用大间距，跨度与间距的比一般为3.55为宜。对于有桥式吊车或较大的悬挂荷载的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以67.5m为宜。有桥式吊车时，刚架的经济用钢间距比无桥式吊车时小，是因为次结构和吊车梁等纵向构件的用钢量随刚架间距减少而减少，而刚架用钢量则随刚架间距的增加而减少，总用钢量呈随刚架间距减小而减少的趋势。此外，在讨论刚架的经济跨度和适宜间距时还需要考虑其他一些影响门式刚架轻型钢结构房屋的经济性的因素：一是基础数
16、量的影响，门式刚架柱基础的特点是其控制设计的工况多为大偏心，基础底盘需较大尺寸，因而基础的数量和造价对整个工程造价有较大的影响，一般说来9m的刚架间距比6m的刚架间距将可大大减少基础工程量；其次是工期的影响，刚架间距大，构件数量减少，有利于降低运输费用、减少吊装工程量和缩短施工工期，基础数量的减少也将有利于缩短工期，有利于业主提前还贷或尽快获得运营收益。,九、为什么CECS 102 推荐采用单脊双坡门式刚架，而不推荐采用多脊多坡门式刚架？图4.1-1中作了多脊多坡与单脊单坡房屋的比较，显然，在其他条件都相同的情况下，屋脊两侧各需一根檩条，而内天沟两侧亦各需一根檩条，因此，多一个屋脊就需要多一根
17、檩条；多一个内天沟也需要多一根檩条，同时也增加了内天沟和落水管、室内排水沟的用料，设置内天沟还容易因积水、堆雪效应而加大荷载，甚至导致渗漏。如果因为室内排水沟淤塞需要疏通，还将影响正常使用。多坡多脊不等高房屋（图4.1-2）上述问题更严重，在北方，除了堆雪效应问题之外，还有一个如本书1.11节所述的滑雪效应问题，应尽可能不采用。,就刚架用钢量的角度而言，一般情况下，单脊双坡与多脊多坡刚架的用钢量基本上差不多。图4.1-1所示单脊双坡刚架斜梁某一跨为单坡时，常常由斜梁挠度控制设计，此外，还有内柱抬高，此时其用钢量可能会比图4.1-1所示多坡多脊刚架斜梁用钢量略多一些。当然，单坡多坡多跨尚需考虑屋
18、面单坡长度不宜太长，详见本书4.5节的讨论。,十、可以采用摆柱支撑托架或托梁吗？为什么？如4.2节所述，摆柱本身不能“自立”，相当于一根很长的竖直摆放的连杆，不能承受水平力，其自身的稳定性依赖于柱顶的托架或托梁，当托架的下弦杆或托梁的下翼缘有垂直于托架/托梁轴线的侧向位移或沿托架/托梁轴线方向位移时，摆柱不具有约束能力，采用摆柱支撑托架/托梁稳定性不好，侧向刚度不高，因此采用摆柱支撑托架或托梁是不合适的。,十一、对于初学设计的技术人员，设计门式刚架在保证安全可靠的前提下，如何使材料用量尽可能少？做工程设计与读图一样，应该从宏观到微观，由整体到局部，对于轻型房屋钢结构设计而言，在做好前期准备工作
19、的基础上，具体设计过程一般分为方案设计和施工图设计两个阶段。1.前期准备工作对于前期准备工作，主要是搞清楚设计条件、工程特点和使用要求、建设工程所在地的场地条件以及风荷载和抗震设防烈度等各种情况，在此基础上，充分认识设计的重点和难点，以及准备采用的设计手法和措施。2.结构方案设计根据建筑设计的要求（通常屋面坡度以及门窗布置由建筑设计确定），在结构方案设计阶段的主要工作是做好结果布置、选定屋面板和墙面板，次结构和主结构的选型和初步计算。（1）关于柱网布置，本书3.3节曾讨论了刚架的合理间距，刚架跨度通常根据使用要求有建筑设计确定。至于刚架选型，可参考本书第4章的简要讨论。（2）屋面檩条宜优先选用
20、冷弯薄壁C型钢或冷弯薄壁Z型钢，截面较为开展，相同面积可获得较大的惯性矩和截面模量，并做成连续檩条或多跨静定檩条。檩条设计和其他结构设计一样，如果能使构件的内力分布比较均匀，就能获得较为满意的效果。在多数情况下，檩条设计通常由挠度控制，跨度不大于4m的檩条设计成三跨连续构件时，由于挠度大为减小，既方便施工又能节省材料用量。对于跨度大于6m以及有较大悬挂荷载时，采用多跨嵌套搭接连续檩条，或采用多跨静定檩条，将有相当好的经济效益，这是已经为许多工程实践所证实了的。对于多跨搭接连续檩条和多跨静定檩条，考虑运输条件的限制和经济的要求，其长度不宜大于12m。,关于侧墙的墙架布置问题，本书3.5节作过简要
21、讨论。墙梁的布置应考虑门窗、挑檐、雨篷等构件和墙面板的板材、规格等各种因素，墙梁的选型基本上同上述关于檩条选型的讨论。对于采取冷弯薄壁型钢的檩条和墙梁，当其截面高度不大于250mm时，宜使其高厚比尽可能大一些，这样在材料用量相同的条件下可加大其刚度和承载力，或者在减少材料用量的条件下可得到基本相同的刚度和承载力。（3）方案阶段的刚架计算，首先是选定刚架形式，例如在柱脚采用刚接还是铰接，中柱是否采用摆柱（通常，多跨刚架的中柱采用摆柱有利于节省材料）等；其次确定构件形式，刚架柱用等截面柱或楔形柱；刚架斜梁一般采用图5.1-1所示的四种构造形式，等截面梁和单楔形梁用于小跨度的刚架，双楔形梁和两端加腋
22、梁通常用于跨度较大的刚架，其加腋长度和截面尺寸，通过计算逐步调整，使之较为合理，能充分发挥材料效能：应力分布比较均匀、柱顶位移和斜梁挠度以及斜梁坡度改变率符合所执行 标准的要求。刚架梁可沿梁长分段变化截面高度和腹板厚度、翼缘宽度和厚度，同一运输单元段翼缘不变化宽度，不同单元段连接处粱高度应相等。（4）加腋长度：对于两端加腋梁，初选截面时梁端加腋长度的选取可,参考表5.1-1。对于单跨刚架，山尖处的加腋主要是连接高度的需要，如果山尖一侧斜梁加腋的水平长度与刚架跨度的比值不大于0.05，在内力及变形计算时，可不考虑此段截面变化。考虑梁端加腋长度时，宜综合考虑如下几个因素：两端截面的承载力要求以及梁
23、端与柱连接处对于连接高度的要求；为利用腹板屈后强度，腹板高度变化率不超过60mm/m；梁与中柱采用柱顶平接时，考虑运输长度的限值（火车运输要求构件长度不大于12m）。,5）变截面刚架初选截面时截面尺寸粗估：1）工字形截面尺寸模数（图5.1-2）截面高度h以10mm为模数；截面宽度b以5mm为模数（多数设计工程师亦取10mm为模数）；腹板厚度 可取4mm、5mm、6mm、8mm等，6mm以后以2mm为模数；对于技术条件较好，质量控制严格的制作单位，的最小值允许取用3mm；考虑到厚度小于8mm时一般以卷板形式供货，当腹板厚度不大于8mm时翼腹连接焊缝宜采用单面角焊缝，以减小腹板因焊接产生的变形。翼
24、缘厚度t6mm时，以2mm为模数。2）工字形截面的高宽比（h/b）通常取h/b25，承受桥式吊车荷载的柱子宜取小值，梁端与柱的连接为侧接（端板竖放）时，该处梁端可取h/b6.5。3）变截面刚架构件工字形截面尺寸粗估（图5.1-3，表5.1-2）,4）工字形截面腹板高厚比的建议值对于腹板高厚比，建议按如下取值：刚架柱：无桥式吊车时，取160；有桥式吊车时，取140；刚架斜梁：取180（6）刚架斜梁梁端加腋长度和梁截面尺寸调整总的来说，截面和构件各部分尺寸的变化应该尽量符合弯矩图形的变化，才能使用钢量在满足安全可靠的前提下尽可能少。同时在满足此条件的前提下，如果能使加腋长度尽量短、构件各部分的截面
25、高宽比和宽厚比尽量大一些，对减少用钢量将会非常有效。图2.5-1（a）所示单跨门式刚架，通常是承载力控制设计，梁端加腋长度和截面尺寸的调整主要考虑应力比的控制值，满足截面承载力要求并使各截面应力比尽可能接近即可；图2.5-2所示多跨刚架常常是挠度或坡度改变率控制设计，梁端加腋长度和截面尺寸的调整主要考虑构件刚度，同时与刚架柱的刚度有关。,门式刚架斜梁和柱一般以受弯为主，受剪、压为次，腹板抗弯的作用远不如翼缘有效，增大腹板的高度，可使翼缘抗弯能力发挥得更充分。因此，当需要增大截面尺寸时，宜尽可能加大截面高宽比和腹板高厚比。但如果腹板高度已经足够大、加大腹板高度需要同时加大腹板厚度，则宜考虑不改变
26、腹板高度而增加翼缘宽度，即使此时需要加大翼缘厚度，亦有可能比加大腹板高度和厚度所需材料要省。表5.1-1的梁端加腋长度只是供初学设计者参考的近似值，一般说来在满足梁端截面高度要求以及满足腹板高度改变率不大于60mm/m的条件下，减少梁端加腋长度能有效减少用钢量。为减少斜梁挠度或坡度改变率，宜结合刚架柱截面的调整，加大与该梁段刚接的柱截面的刚架平面内刚度，能有效减少斜梁挠度或坡度改变率；需要调整斜梁的截面尺寸时，宜同时调整组成斜梁的各段长度，增加加腋段的长度通常有利于增加整体刚度。（7）刚架柱截面尺寸调整按照截面尺寸的变化尽可能符合弯矩图形变化的原则，对于楔形柱，应尽量使大头截面大一些，使高宽比
27、和宽厚比的变化符合大头截面弯矩大的要求。,一般情况下时尽可能采用较大的截面高宽比和腹板高厚比能在满足设计要求的条件下减少材料用量，但当檐口高度较大而按照使用要求限制系杆设置时，刚架的中柱常由平面外稳定控制设计，此时加大翼缘宽度/厚度比增加截面高度的效果好。CECS 102 第条第2款规定：楔形柱的楔率（图5.1-4）不大于0.268h/及6.0，文5.3认为，从抗侧移刚度和承载力的角度考虑，楔形柱的楔率取为23较为合适；从截面变化符合弯矩图形变化的原则出发，当大头截面的弯矩较大时，大头截面（高宽比和高厚比）略取大一些，从而使楔率大一些有利。,（8）对于有桥式吊车的工业厂房，有条件时，宜尽可能采
28、用轻量系列的吊车，与采用普通吊车比较，采用轻量吊车的吊车梁和刚架能节省20%25%的用钢量；当然，队友吊车的门式刚架，在工艺确定吊车台数时，应充分考虑生产发展应用两台吊车的可能性。3.施工图设计施工图设计阶段主要是根据方案设计、工种间的协调要求以及业主对使用要求的修改补充意见，进一步进行结构计算和连接细部设计。连接细部设计，是一项非常细致的工作，既要求符合计算假定而且要求经济合理，又要便于制作安装，还有考虑构件的包装和运输要求，应认真学习CECS 102 的相关规定，并注意收集和学习一些相关的手册和图册。施工图阶段的设计特别要注意，屋角部分和房屋边缘带的风吸力大，一定要加强该处的屋面板与檩条以
29、及檩条与刚架斜梁的连接，在风荷载较大的地区，轻型房屋钢结构工程出问题通常源自这里，必须引以为鉴。,十二、屋盖横向水平支撑和柱间支撑的布置原则及其值得注意的问题门式刚架是一种平面受力结构形式，它只能抵抗刚架平面内的各种荷载作用，刚架平面外的荷载则需要靠各种支撑体系去解决，屋盖横向水平支撑和柱间支撑就是用来解决刚架平面外方向（即房屋纵向）的各种荷载作用以及刚架构件的平面外刚度和稳定问题，将平面受力的门式刚架连在一起组成空间稳定的建筑体系，在设计布置屋盖横向水平支撑和柱间支撑应注意以下几点：（1）横向水平支撑宜布置在每一个温度区段两端的第一个开间内，但有时为了气楼、天窗的端部支撑布置在同一开间内，可
30、将横向水平支撑移至第二个开间。也有人考虑为统一支撑长度，在无气楼、天窗时也将端部支撑移至第二开间，这就无此必要，因为轻钢屋盖的水平支撑一般采用圆钢支撑，为配合张紧需要，采用花篮螺栓张紧措施，圆钢的长度调整极为简单。如将支撑由第一个开间移至第二个开间，则必须将所有支撑点对应的第一开间的纵向系杆设计成能传递压力的刚性系杆，从经济角度考虑并不合算。（2）屋盖横向水平支撑与柱间支撑宜设在同一开间，如果因开门洞等原因，柱间支撑不能与屋盖横向水平支撑同处一开间，可移至相邻开间，在其偏移的开间处增设一较强的刚性系杆使屋盖水平力得以顺利通过柱间支撑传至基础。（3）如果各区间的屋面不在同一高度，为保证每个高度的
31、屋面区域形成独立的平面刚体，则应针对每个高度的屋面区域分别设置横向水平支撑，见图6.1-1,（4）纵向水平力由各个柱间支撑共同承受，按各柱支撑的刚度分配受力，因此不同刚度的支撑不应设在同一纵向柱列中，图6.1-2列有几种常用的支撑形式。首先，交叉式支撑最为合理，交叉式支撑是一几何不变体系，见图6.1-2（a），其中一杆受拉一杆受压，压杆退出工作，支撑的刚度由拉杆的受力变形所决定，由于构件的轴向受力变形极小，因此这种交叉式支撑刚度最大。其次，为人字撑，见图6.1-2（b），人字撑的两斜杆相交于一点，则水平系杆仅受轴向力，这种支撑的刚度类似于交叉支撑，但由于两斜杆必须按压杆设计，压杆需考虑稳定问题
32、，因此用钢量增加。如果斜杆不相交于一点，逐步退向柱子，则演变成类似门式支撑，其水平杆受横向力作用变成压弯构件，构件受弯变形大，刚度低，用钢量大。如果设置支撑的开间大，可将压弯构件设计成桁架式，,见图6.1-2（c），这样的形式，刚度会大一些，用钢量会小一些。如果无斜杆，则是完全的门式支撑，见图6.1-2（d），其几何形状可变，此时，要依靠梁柱刚性连接构成受力体系，即依靠节点抗剪构成支撑的刚度，此种支撑体系构件变形最大，刚度最低，用钢量最大。完全的门式支撑的刚度大约是交叉式支撑刚度的10%左右，如果因为开设门洞的需要将某列柱的某一个交叉式支撑改为门式支撑，因同一列柱中所有柱顶位移时协调相同的，则
33、该替换的门式支撑大约承担原交叉式支撑10%的作用力。似乎不合算，不如取消该处的支撑，重新考虑柱间支撑的布置与受力计算。,十三、采用CECS 102 设计的门式刚架钢结构在哪些情况下应该设置屋盖纵向水平支撑？如何设置？对于轻型的门式刚架钢结构，屋面和墙面围护板具有一定的蒙皮效应，使得以平面刚架为受力特征的钢结构体系具有一定的空间作用效果，但现在的屋面板常采用具有温度自由伸缩的咬合板，其蒙皮效应大大减弱，文6.1介绍，它的蒙皮刚度只及全部自攻钉直接固定在檩条上的屋面板之蒙皮刚度的3%左右，在墙面一般都设有大量的门窗，其蒙皮效应也会大大减弱，故对于门式刚架结构主要还是靠各种支撑来解决其空间稳定和空间
34、刚度。蒙皮只是作为一种结构的安全储备考虑。由屋盖横向水平支撑和柱间支撑可以顺利地解决建筑物承受的纵向水平力和建筑物的纵向刚度，使平面受力刚架组成完整的空间结构，这对于一般的轻型门式刚架钢结构建筑就足够了，可以不用再设置纵向水平支撑，但对于以下情况的门式刚架钢结构需考虑设置纵向水平支撑：,（1）当横向水平力不均匀分布且对横向刚度要求严时，例如，有吊车横向制动力作用时，此横向制动力直接作用在某两榀刚架上，该两榀刚架的横向侧移将通过结构的空间作用带动其他的刚架也产生一定的横向侧移，当吊车吨位较大，且对刚架横向侧移的要求较严时，例如，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS 102:2002（以下简称
35、CECS 102）规定，对于设有驾驶室操作且起重量大于15t桥式吊车的建筑，仅靠普通 的蒙皮效应作用不足以保证各刚架的变位协调，为减小行车振动，使行车运行更平稳，应在屋盖边缘设置通常的纵向水平支撑桁架，使得局部的吊车横向水平制动作用力通过纵向水平支撑桁架分摊到其他刚架，见图6.2-1。,（2）当建筑需抽住设置托梁时，托架梁没有什么侧向刚度，此时，应在托架梁处设置局部纵向水平支撑，并向两端各延伸一柱距，见图6.2-1，使各相邻的刚架形成整体协调变形，抽住处的刚架（第5轴刚架）的横向刚度因此得到增强，托架梁的中部因此得到一个侧向支撑点提高了其整体稳定性，建筑物的整体性得以提高。（3）当建筑物的刚架
36、平面内刚度有突变时，例如，带有夹层的刚架，刚度可能远大于相邻不带夹层的简单刚架，宜设置局部纵向水平支撑，见图6.2-2，以协调、缓和各刚架饿侧移偏差。（4）当刚架柱之设有墙架柱时，宜设置纵向水平支撑作为墙架柱顶部的支撑点，见图6.2-3.,（5）除以上情况外，尚应针对以下情况，考虑是否设置纵向水平支撑：1）近海边地区和内地的台风地区；2）超过36m的大跨度刚架；3）檐高超过15m；4）建筑平面为凹凸形，非矩形的不规则形状；5）刚架间距大于10m；以上1）5）五种情况应综合考虑，如果建筑物仅具有以上之一种情况者，不一定考虑设置纵向水平支撑，但如果建筑物同时具有以上两种情况者，应考虑设置通长的纵向
37、水平支撑。纵向水平支撑应设置在屋盖梁的靠近上翼缘处，与横向水平支撑处于同一平面内共同形成封闭式的支撑系统以增强建筑物空间抗水平扭曲刚度，有效地抵抗不均匀风荷载（如龙卷风等）和其他水平力作用。对于多脊多跨的刚度，也按以上原则考虑，并宜将其通长的纵向水平支撑分别布置在有高低跨柱的两侧，见图6.2-4。,十四、吊车梁能否作为厂房柱的纵向刚性系杆？构造上如何考虑？一般钢结构建筑，在柱间支撑可简单地采用一个交叉式圆钢即可，但对于带有吊车的厂房，因有吊车行走时的纵向制动力作用，柱间支撑必须按吊车梁标高处分成上、下两层，分层处必须要有一根纵向刚性系杆。自然，吊车梁构件截面大，刚性好，利用吊车梁兼作纵向刚性系
38、杆是极为经济的。在钢结构中，吊车吨位较小，吊车梁通常搁置在柱子外伸牛腿上，如果吊车吨位不大，柱子截面不大，上柱支撑仍可采用圆钢支撑，下柱支撑则需采用角钢支撑（除非吊车吨位在5t以下，也可考虑采用圆钢支撑），角钢支撑宜设在柱子截面的中部，当柱子截面较大时，则应设置双肢式支撑分别支撑在柱子的两个翼缘处。显然，利用吊车梁兼作刚性系杆，对于边柱来说，因吊车梁与柱子中心有相当距离，故吊车梁仅对柱子的内翼缘构成侧向支撑作用，不能对柱子的外翼缘构成侧向支撑，因柱子的外翼缘也受压应力，故必须对外翼缘也要用侧向支撑，以构成柱子面外计算长度的支撑点。为此，在吊车梁的上翼缘设置一道隅撑与柱子外翼缘相连。此隅撑除了用
39、作柱子外翼缘侧向支撑，还可使吊车梁在行车横向水平力作用下有更好的受力性能，要达此目的应对每根吊车梁的两端都设置隅撑，如图6.5-1所示，,对柱子而言，就是设置双侧隅撑，这样的隅撑方案除了支撑柱子外，还可构成吊车梁的侧向支撑作用，使吊车梁的侧向跨度减小，从而可减小吊车梁的侧向弯矩和跨中侧向挠度，是极为经济合理的方案；但如果对柱子仅设单侧隅撑，则该隅撑仅有约束柱子外翼缘侧向位移的作用，对吊车梁起不到侧向支撑作用，同时，在吊车的横向水平力还会使柱子产生一个附加的扭矩作用，故应对柱子设置双侧隅撑，双侧隅撑则可大 大减小这个附加的扭矩。对于中列柱，在柱子两侧对称布置有吊车梁，也宜考虑设置隅撑于两侧边吊车
40、梁，以提高吊车梁的侧向刚度，此时的隅撑将会交叉，可使两交叉隅撑分别连与吊车梁上翼缘的上、下表面，柱子此处设加劲肋兼作隅撑的连接板，板厚可与吊车梁翼缘厚度相同以方便隅撑连接。隅撑按刚性压杆设计，对双侧隅撑计算内力时，则考虑作为吊车梁的侧向支撑点传递行车的横向水平制动力，可取三跨计算，见图6.5-2（a），不宜取图6.5-2（b）的模式，此模式计算有较大偏差，所计算出的隅撑内力过大、吊车梁跨中侧向挠度过小。隅撑有摩擦型高强的螺栓连接，隅撑与吊车梁夹角最好不超过。对于吊车梁跨度较大且吨位较大时，需要考虑设置制动梁或制动桁架，自然不再需要隅撑。,另外，值得注意的是，一般轻钢结构搁置吊车梁的牛腿在柱子上
41、是悬臂梁构造，因此，行车纵向制动会对悬臂牛腿产生一个侧向弯矩，对柱子有一个附加的扭矩，这个侧向弯矩和柱子上的附加扭矩不能依靠上述设置双侧隅撑饿方案来消除，因为行车纵向制动力主要是通过柱间支撑传递的，柱间支撑吸收了几乎所有的纵向制动力，故柱子就不再有扭矩，而侧向弯矩全部集中在柱间支撑处的这个悬臂牛腿上（无柱间支撑的柱子牛腿不用考虑侧向弯矩），这个侧向弯矩对该牛腿有一定影响，还应该计算，但一般钢结构设计手册没有给出这种计算，设计人员也就不去算它，有点欠妥。可以按吊车纵向制动力乘以吊车梁腹板到悬臂牛腿根部的水平距离作为柱间支撑处牛腿承受的侧向弯矩，同时也是该根柱的附加扭矩。显然，侧向弯矩使该柱有附加
42、正应力，附加扭矩使该柱有附加剪应力。,十五、用檩条兼作纵向压杆的设计特点及相关措施从6.7节的讨论中可以得知支撑体系中的纵向系杆的轴压力是较小的，但屋盖横向水平支撑桁架中的直接腹杆受力会大于相对应位置的纵向系杆，从受力计算原理可知，越是靠近列柱处（即屋盖横向水平桁架支座处）的直腹杆，其内力越是远大于所对应的纵向系杆，支撑道数越少，这种差别越大。在设计中，对兼作纵向系杆的檩条，需在计算中将轴向力叠上去，按压弯构件设计，由于轴向应力小，几乎不大影响檩条的设计，构造上也无需作特别考虑。但对于横向水平支撑桁架中的直腹杆，由于其轴压力较大，尤其在支撑道数较少时，普通檩条兼作直腹杆可能不行，此时考虑采用双
43、檩条构造，见图6.8-1。在双檩条中，为了统一屋面板的安装，其附加檩条不宜与屋面板发生连接关系，应采用缀件与檩条相连，在屋盖梁处连载檩托板上，计算时，可假定主檩条承担全部屋面荷载，轴向力全部由附加檩条承担，稳定系数按双檩条考虑。此外，应注意在靠近拉条处布置双檩条的连接缀件，可采用标准型的C型檩条切断后做成缀件，其 两边的翼缘分别用自攻钉相连主檩条和附加檩条，是一种经济适用的构造方式，见图6.8-1。,十六、连续檩条的活荷载分布应如何考虑？同样截面大小的连续檩条比简直檩条的刚度大，内力小，承载能力更强，因而广泛应用于轻钢结构工程中。简支檩条上的各跨荷载各自独立作用互不相关，对于连续檩条，则各跨荷
44、载作业互相影响，需考虑荷载分布问题，一般恒载总是均匀满布的，但活荷载在连续檩条上各跨应如何分布需要设计人员考虑，国家相关规范没有明确的规定，按一般原则，活荷载应按最不利分布考虑，按最不利分布和按满布所产生的内力相差很大。现以10m跨连续梁模式，取1.0kN/m荷载作用，按荷载均匀满布和按最不利分布两种情况计算，对中央一跨支座处和跨中的弯矩进行比较，结果列于表7.3-1。,从表7.3-1中可以看出：（1）超过5跨后，按最不利荷载分布计算比按满布计算支座弯矩增大趋于35%，跨中弯矩增大趋于100%；（2）荷载满布时，支座处的弯矩约是跨中弯矩的两倍。为使现场安装方便，连续檩条适宜做成在支座处嵌套搭接
45、由螺栓固定而构成，其嵌套处存在一定的松动滑移，由此在支座处将有一定的弯矩释放转移至跨中，在支座处为双截面，具有双倍于跨中单檩条的承载能力，因此跨中截面控制设计计算就成为必然。上述的两种不同荷载情况下跨中弯矩可以相差一倍，可知荷载的分布方式对计算结果影响很大。显然，按均匀满布，计算结果偏于不安全，按最不利位置分布与工程实际不相符合，计算结果偏于保守，适宜的办法可以参考加拿大规范，该规范规定对连续檩条的活荷载取一半按均匀满布，另一半按最不利位置分布，可得到较符合工程实际的适中结果。,十七、连续檩条如何构造？其内力和挠度应如何计算？其控制截面如何选取？对于钢结构企业来讲，轻钢结构的设计应充分考虑其制
46、作工艺，安装技术方面的问题，要使工程质量好成本又低，主要在于技术标准化。连续檩条最适宜的构造方式是按每跨单独制作，通过标准化的嵌套搭接方式构成连续檩条可使得现场安装极为简单方便。显然，在最常用的C形和Z形檩条中，选择Z形檩条更容易达到目的，在连续檩条中，为了方便嵌套搭接，使Z形檩条的上、下翼缘宽度不等，其不等宽度之差以5mm左右为宜，安装时每间隔一跨将其檩条转动 使较窄翼缘转到上面，即可方便地得到嵌套搭接而成的连续檩条。采用这样的构造，设计人员有两个问题需要考虑：一是嵌套搭接的长度以多少为好；二是嵌套搭接的刚度情况如何，在计算内力和挠度时需要以此为依据，不同紧松的嵌套有不同的刚度结果，这只能靠
47、实验来确定。已有的实验表明：嵌套搭接的长度大约是10%的跨度较为适宜，搭接太短，形成连续檩条的刚度的条件太弱，搭接太长，则增加的效果不明显，造成浪费。,对于嵌套搭接的连续檩条内力应如何计算？既然檩条是不等宽翼缘嵌套搭接，螺栓连接孔又是椭圆孔，孔径大于螺栓很多，因此在外荷载作用下，嵌套搭接必会有松动滑移，达不到理想的连续梁模式，在支座区的嵌套搭接刚度折减，只能靠试验确定，也就是在理想的连续檩条计算模式下，需要考虑支座处有一定的弯矩释放，根据试验，这个弯矩释放量大约在10%15%的范围。在计算挠度时，也不能按理想连续梁模式考虑，其挠度的增大量应靠试验来确定。连续檩条的弯矩分布如图7.12-1所示，
48、其控制截面弯矩如图中M1 M9，其中 M2、M4、M6、M8 是搭接末端处的弯矩值，随搭接长度而定。在支座处嵌套搭接双层檩条具有双倍的强度，跨中是单檩条强度。优化设计应当是使M2 M1，M4 M5 M6，M8 M9 端跨的弯矩大于内部跨的弯矩，因此图7.12-1中的搭接长度应当是BAC，弯矩值得控制截面将是 M1、M3、M7、M9 等。如果考虑到支座弯矩释放转移至跨中，而支座处为双倍强度条件，则计算控制的截面仅为M1 和 M9（或内跨某跨中弯矩）两个截面，内力计算就变得简单明了，在设计中仅加强端跨檩条，其余内跨檩条取完全相同的规格。,在考虑了支座弯矩释放之后，令B0.125（为跨长），A=C=
49、0.05 可满足前面的计算规则。在计算连续檩条的挠度时，应考虑嵌套搭接的松动带来的挠度增加，这个增加量由试验测定，檩条的细部尺寸不同，挠度的增加量不同，根据杭萧钢构公司委托浙江大学做的试验的情况，可以将均匀连续梁模式计算出的挠度乘以1.31.5的放大系数，或对搭接区段的刚度，按单根檩条刚度的0.51来拟合计算。（注：此对应檩条卷边为，如檩条卷边为，则按单根檩条刚度的0.41来拟合计算。）,十八、连续檩条的嵌套搭接及局部承压计算由7.11节已知嵌套搭接连续檩条可以由跨中截面按单檩条计算其承载能力，端跨因其跨中内力特别大，需加强该跨檩条，又因在第2个支座的弯矩特别大，为满足第2跨的搭接断头弯矩不大
50、于第2跨的跨中弯矩，需端跨檩条在第2跨的搭接长度延伸加长，即图7.12-1中的搭接段B宜大于内跨标准搭接段C的2.5倍，搭接段A与C可相等，这样构造之后可得到标准化的檩条，内跨的檩条设计主要是针对跨中截面计算承载能力，,栓固定，对于这种情况，需验算檩条的腹板局部承压屈曲（crippling），我国的设计规范没有给出这种情况的验算公式，可以参考美国的 AISI 规 范 进行相关计算，AISI所针对的材料屈服强度是55ksi（379N/）与我国的Q345材料相近，下面给出参考的相关计算公式（当腹板高厚比大于200时，不适用）：,十九、檐口檩条有什么特殊性？应如何设计？檐口处的檩条处于一种特殊的位置
