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1、轻型门式刚架结构steel structure of light-weight gabled frames,第一节 门式刚架结构的组成和特点,1.单层门式刚架结构由哪些构件组成？2.门式刚架结构有哪些优点？3.门式刚架结构综合经济效益好体现在哪些方面？4.门式刚架结构有哪些特点？5.轻型门式刚架结构的适用范围？,第一节 门式刚架结构的组成和特点,一、门式刚架结构的组成 门式刚架结构是指以轻型焊接H型钢、轧制H型钢或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架作为主要承重骨架，以冷弯薄壁型钢(槽形、卷边槽形、z形等)檩条、墙梁和压型金属板作为维护结构，采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酪泡沫塑料、岩棉、矿棉、
2、玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。体系主要由以下部分组成：门式刚架，支撑体系，檩条、墙梁，屋面板和墙面板，吊车梁系统等。,一、门式刚架结构的组成,一、门式刚架结构的组成,哈尔滨龙丹乳业项目,一、门式刚架结构的组成,一、门式刚架结构的组成,一、门式刚架结构的组成,双跨厂房,一、门式刚架结构的组成,一、门式刚架结构的组成,一、门式刚架结构的组成,二、门式刚架结构的特点与钢筋混凝土结构、普通钢结构相比，轻型门式刚架结构具有许多优越性。（1）自重轻承重结构的用钢量一般为1030kg/m2，自重约仅为钢筋混凝土结构的1/201/30，普通钢结构的1/21/3。由此大大减小地震
3、作用，降低了基础工程的费用。（2）工业化程度高，施工周期短。主要构件和配件易于实现标准化、工业化，加工制作均在工厂进行，工地只需螺栓连接，工程质量易于保证，安装不需要大型机械设备，简便快速。,第一节 门式刚架结构的组成和特点,（3）柱网布置灵活围护体系采用金属压型钢板，所以柱网布置不受模数限制，柱距可根据使用要求和用钢量经济的原则来确定。（4）综合经济效益好所用材料都是节约能源、土地和资源的持久性建筑材料。大部分材料可回收利用、再生或降解，不会造成很多垃圾。施工现场湿作业少，尘埃少，对周围环境污染少。符合环保和可持续发展的要求；工程建设周期短，资金回报快，投资效益高；结构截面小，增加了房屋使用
4、面积。除上述优点外，门式刚架还具有如下一些结构特点。,二、门式刚架结构的特点,门式刚架体系的整体性依靠檩条、墙梁及隅撑来保证，从而减少了屋盖支撑的数量。支撑多用张紧的圆钢做成，很轻便。梁、柱多采用变截面，截面与弯矩成正比；腹板宽厚比较大(腹板厚度较薄)，在设计时利用其屈曲后强度，以节省材料。当然，由于变截面门式刚架达到极限承载力时，可能会在多个截面处形成塑性铰而使刚架瞬间形成机动体系，因此塑性设计不再适用。,二、门式刚架结构的特点,组成构件的板件较薄，对制作、涂装、运输、安装的要求高。在门式刚架结构中，焊接构件中板的最小厚度为3mm；冷弯簿壁型钢构件中板的最小厚度为l.5m，压型钢板的最小厚度
5、为0.4mm。构件在外力撞击下容易发生局部变形。同时，锈蚀对构件截面削弱带来的后果更为严重。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。因此，在运输和安装过程中要采取必要的措施，防止构件发生弯曲和扭转变形。结构构件可全部在工厂制作，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。,二、门式刚架结构的特点,三、门式刚架结构的应用,在工业发达国家，轻型门式刚架房屋钢结构历经数十年的发展，目前已非常广泛的应用于各种房屋结构中。随着钢材产量、钢结构制作安装技术的提高，近年来在我国得到迅速的发展。广泛地用于厂房、仓库、交易市场、大型超市、展览馆、体育馆、活动房屋及加层等建筑中。门式刚架
6、轻型房屋钢结构技术规程（CECS102:2002）轻型门式刚架结构适用于起重量不大于200kN的A1A5工作级别桥式吊车或30kN悬挂式起重机的单层房屋钢结构。,第一节 门式刚架结构的组成和特点,1.何谓摇摆柱？2.门式刚架柱何时可采用变截面？3.门式刚架柱脚有哪两种形式？适用何种情况？4.门式刚架的梁、柱轴线如何定义？5.门式刚架的跨度如何定义？通常尺寸为多少？6.门式刚架的高度如何定义？通常尺寸为多少？7.门式刚架的屋面坡度通常为多少？8.山墙处门式刚架结构有哪两种处理方法。9.门式刚架房屋的温度区段长度为多少？10.伸缩缝处结构如何处理？11.柱间支撑如何设置？12.屋面支撑如何设置？,
7、第二节 轻型门式刚架的结构形式和布置,一、结构形式,轻型门式刚架可分为单跨、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 轻型门式刚架的结构形式和布置,按屋面坡脊数可分为单坡单脊、双坡单脊和多坡多脊。,一、结构形式,门式刚架的跨数是由其跨度和房屋宽度决定，一般柱高较大时，采用大跨度，用钢量增加较快，宜采用双跨或多跨刚架。对多跨刚架，宜采用单坡单脊或双坡单脊屋面，可避免多坡多脊刚架内天沟易产生渗漏及堆雪的弊端。,根据跨度、高度及荷载不同，门式刚架的梁、柱可采用变截面或等截面的实腹焊接工字形截面或轧制H形截面。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面形式。变截面形式通常改变腹板的高度，做成楔形，
8、必要时也可改变腹板厚度。结构构件在运输单元内一般不改变翼缘截面，必要时可改变翼缘厚度，邻接的运输单元可采用不同的翼缘截面，两单元相邻截面高度宜相等。铰接柱脚的刚架柱宜采用渐变截面的楔形柱。刚接柱脚的刚架宜采用等截面柱或阶形柱。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面形式。,一、结构形式,多跨刚架中间柱与刚架斜梁的连接可采用铰接，连接构造简单，制作、安装方便，两端铰接的中间柱称为摇摆柱。摇摆柱不参与抵抗侧向力，截面也比较小，全部的抗侧力由边柱和梁形成的刚架承担。当房屋无桥式吊车，且房屋不是很高、风荷载也不是很大时，中间柱宜采用摇摆柱，由于边柱的高度相对比较小，材料能够比较充分地发挥作用。但在设有桥式吊车的
9、房屋中，中间柱两端宜采用刚接，以增加刚架的侧向刚度。,一、结构形式,柱脚可采用刚接或铰接形式，前者可节约钢材，但基础费用有所提高，加工、安装也较为复杂。门式刚架的柱脚通常按铰接设计。当设有5t以上桥式吊车时，为提高厂房的抗侧移刚度，柱脚宜采用刚接形式，多跨房屋的中柱与斜梁也宜采用刚接连接。维护结构宜采用压型钢板和冷弯薄壁型钢檩条组成，外墙也可采用砌体或底部砌体、上部轻质材料的形式。,一、结构形式,门式刚架可由多个梁、柱单元构件组成，柱一般为单独的单元构件，斜梁可根据运输条件划分为若干个单元。单元构件本身采用焊接，单元之间可通过端板以高强度螺栓连接。门式刚架轻型房屋屋面坡度宜取1/81/20，在
10、雨水较多的地区宜取其中的较大值。单层门式刚架轻型房屋可采用隔热卷材做屋盖隔热和保温层，也可以采用带隔热层的板材作屋面。,一、结构形式,二、建筑尺寸,门式刚架的跨度，应取横向刚架柱轴线间的距离。宜为936m。当边柱宽度不相等时，其外侧应对齐。对无吊车或吊车吨位较小时，经济跨度在18m 21m，而吊车吨位较大时，经济跨度在24m 30m。门式刚架的高度，应取地坪至柱轴线与斜梁轴线交点的高度，应根据使用要求的室内净高确定，有吊车的厂房应根据轨顶标高和吊车净空要求确定。宜为4.59.0m，必要时可适当加大，当有桥式吊车时不宜大于12m。,第二节 轻型门式刚架的结构形式和布置,柱的轴线可取通过柱下端（较
11、小端）中心的竖向轴线；工业建筑边柱的定位轴线宜取柱外皮；斜梁的轴线可取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。,二、建筑尺寸,房屋的檐口高度应取地坪至房屋外侧檩条上缘的高度，最大高度应取地坪至屋盖顶部檩条上缘的高度，宽度应取房屋侧墙墙梁外皮之间的距离，长度应取两端山墙墙梁外皮之间的距离。门式刚架的间距，即柱网轴线在纵向的距离宜为69m。挑檐长度可根据使用要求确定，宜为0.51.2m，其上翼缘坡度宜与横梁坡度相同。,二、建筑尺寸,三、结构平面布置,门式刚架轻型房屋钢结构的纵向温度区段长度不宜大于300m，横向温度区段长度不宜大于150m。当有计算依据时，温度区段长度可适当加大。当需要设置
12、伸缩缝时，可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，吊车梁与柱的连接宜采用长圆孔。或设置双柱。在多跨刚架局部抽掉中柱或边柱处，可布置托梁或托架。山墙处可设置由斜梁、抗风柱和墙架组成的山墙墙架，或直接采用门式刚架。,第二节 轻型门式刚架的结构形式和布置,四、檩条和墙梁布置,屋面檩条一般应等间距布置。但在屋脊处，应沿屋脊两侧各布置一道檩条，使得屋面板的外伸宽度不要太长（一般不大于200mm）；在天沟附近应布置一道檩条，以便与天沟固定。确定檩条间距时，应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。,第二节 轻型门式刚架的结构形式和布置,四、檩条和墙梁
13、布置,门式刚架轻型房屋钢结构的侧墙，在采用压型钢板作围护面时，墙梁宜布置在刚架柱的外侧，其间距由墙板板型及规格确定，且不应大于计算要求的值。外墙除可以采用轻型钢板墙外，在抗震设防烈度不高于6度时，还可采用砌体；当为7度、8度时，还可采用非嵌砌砌体；9度时还可采用与柱柔性连接的轻质墙板。,四、檩条和墙梁布置,五、支撑布置,在每个温度区段或者分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。在设置柱间支撑的开间应同时设置屋盖横向支撑以组成几何不变体系。柱间支撑应在每一柱列布置，间距应根据房屋纵向柱距、受力情况及安装条件确定。当无吊车时取3045m；当有吊车时宜设在温度区段的中部，或当温
14、度区段较长时宜设在三分点处，且间距不大于60m。当房屋高度相对于柱间距较大时，柱间支撑宜分层设置。当建筑物宽度大于60m时，在内柱列宜适当增加柱间支撑。,第二节 轻型门式刚架的结构形式和布置,当房屋中不允许设置交叉柱间支撑时，可设置其它形式的柱间支撑；当不允许设置任何柱间支撑时，应设计为纵向刚架。设置柱间支撑的开间应同时设置屋盖横向支撑以组成几何不变体系。屋盖支撑宜设在温度区段端部的第一个或第二个开间。当设在第二个开间时，在第一开间的相应位置宜设置刚性系杆。在刚架转折处（如柱顶和屋脊）应沿房屋全长设置刚性系杆。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。,五、支撑
15、布置,五、支撑布置,门式刚架轻型房屋钢结构的支撑，宜采用带张紧装置的十字交叉圆钢组成，圆钢与构件的夹角宜接近45o，在30o60o范围。当设有不小于5t的桥式吊车时，柱间支撑宜采用型钢形式。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，在温度区段端部吊车梁以下不宜设置柱间刚性支撑。刚性系杆可由檩条兼作，此时应满足对压弯构件的刚度和承载力的要求。当不满足时，可在刚架斜梁间加设钢管、H型钢或其它截面的杆件。,单层轻型房屋结构布置,五、支撑布置,例3-1 南京某公司拟建一长度72m、跨度18m的厂房，采用门式刚架结构，柱距6m，刚架高度5.7m，屋面坡度1:10，屋面及墙面采用夹心彩钢板，檩
16、条间距15m。试布置厂房结构的屋盖横向支撑和柱间支撑。,第二节 轻型门式刚架的结构形式和布置,第三节 作用效应计算,1.轻型门式刚架风荷载体型系数取值与一般结构有何不同？2.轻型门式刚架屋面的活荷载为多少？3.轻型门式刚架风载体型系数取值时端区如何确定？4.门式刚架采用何种分析方法确定结构内力？,第三节 作用效应计算,一、荷载计算 应按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS：102）的规定采用，包括以下荷载工况：1.永久荷载(1)结构的自重（包括屋面、檩条、支撑、刚架、墙架等），按现行国家标准建筑结构荷载规范（GB50009）采用；(2)悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载（包括吊顶、管线、天
17、窗、门窗等），按实际情况考虑。,2.可变荷载 屋面活荷载，当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取0.5kN/m2；对受荷水平投影面积超过60m2的刚架构件，屋面均布活荷载标准值可取不小于0.3 kN/m2。设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载（人和小工具的重力）按建筑结构荷载规范规定取用，标准值为1.0kN，并在最不利位置进行验算；,一、荷载计算,屋面雪荷载和积灰荷载，按建筑结构荷载规范规定采用；风荷载，垂直于建筑物表面的风荷载，可按下列公式计算：,一、荷载计算,式中：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值乘以1.0
18、5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，考虑内、外风压最大值的组合，且含阵风系数。,一、荷载计算,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、檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸时，风荷载体型系数s，应按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程计算，分别考虑刚架上的风荷载体型系数，檩条和墙梁的风荷载体型系数，屋面板和墙板的风荷载体型系数，山墙墙架构件的风荷载体型系数及屋面挑檐的风荷载体型系数等。未作规定的建筑类型和体型，风荷载体型系数阵风系数可按现行国家标准建筑结构荷载规范
19、GB50009的规定采用。,一、荷载计算,注：表中正号(压力)表示风力由外朝向表面，负号(吸力)表示风力自表面向外离开，下同；屋面以上的周边伸出部分，对1区和5区可取+1.3，对4区和6区可取1.3，这些系数包括了迎风面和背风面的影响；当端部柱距不小于端区宽度时，端区风荷载超过中间区的部分，宜直接由端刚架承受；单坡房屋的风荷载体型系数，可按双坡房屋的两个半边处理。,刚架上的风荷载体型系数,双坡刚架,一、荷载计算,单坡刚架,H屋顶至地面的平均高度，可近似取檐口高度；z计算维护结构构件时的房屋边缘带宽度，取建筑最小水平尺寸的10%或0.4H中之最小值，但不得小于建筑最小水平尺寸的4%或1m；计算刚
20、架时的房屋端区宽度取z（横向）和2z（纵向）。,屋面与水平面的夹角；B建筑宽度；,一、荷载计算,吊车荷载，应按建筑结构荷载规范（GB500092001）计算；地震作用，应按建筑结构抗震设计规范（GB500112001）计算。计算刚架地震作用时，一般可采用底部剪力法，对无吊车且高度不大的刚架可采用单质点简图（如图a），此时，可假定柱上半部及以上的各种竖向荷载质量均集中于质点m1；,一、荷载计算,(a)单质点简图(b)三质点简图 刚架质点的质量集中,当有吊车荷载时，可采用3质点简图（如图b），此时m1质点集中屋盖质量及上阶柱上半区段内的竖向荷载，m2质点集中吊车桥架、吊车梁及上阶柱下区段与下阶柱上
21、半段（包括墙体）的相应竖向荷载。,一、荷载计算,二、荷载效应组合荷载效应组合应符合以下原则：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它荷载同时考虑；多台吊车的组合应符合现行国家标准建筑结构荷载规范的规定；风荷载不与地震作用同时考虑。,第三节 作用效应计算,三、内力计算,变截面门式刚架应采用弹性分析方法确定各种工况下的内力，仅构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法按现行国家标准钢结构设计规范的规定进行设计。但后一种情况在实际工程中已很少采用。进行内力分析时，通常取单榀刚架按平面结
22、构分析内力，一般不考虑应力蒙皮效应，而把它当作安全储备。计算内力时可采用有限元法（直接刚度法）。,第三节 作用效应计算,计算时可将变截面刚架梁、柱构件划分为若干段，每段可视为等截面，一般可按单元两端惯性矩的比值不小于0.8来确定单元长度，单元的截面参数可取该单元的平均值；也可采用楔形单元。当需要手算校核时，可采用一般结构力学的方法（如力法、位移法、弯矩分配法等）或利用静力计算的公式、图表进行。刚架结构内力和位移的计算一般采用一阶弹性理论。二阶弹性理论。结构的平衡建立在结构变形后状态和节点新的坐标位置上。,三、内力计算,一阶弹性理论具有线性的可叠加特性，即：荷载效应的组合结果与荷载组合后的效应分
23、析结果是一致的。二阶弹性理论不具有线性的叠加性质 目前国内外已经开发了多套门式刚架结构设计商业软件，如STAAD、STS、3D3S等，这些软件可完成结构的计算设计工作，并可绘制部分施工图以供参考。,三、内力计算,刚架的最不利内力组合应按梁、柱控制截面分别进行，一般可选柱底、柱顶、柱牛腿处及梁端、梁跨中等截面进行组合并进行截面验算。计算刚架控制截面的内力组合主要有：Nmax、对应的M及V；Mmin（即负弯矩最大）、对应的N及V；Mmax（即正弯矩最大）、相应N及V；Vmax、对应的M及N，锚栓可能受拉。相应的M、N、V应尽可能大，但对柱脚锚栓、抗剪连接件的计算尚应考虑Mmax相应N尽可能小、Vm
24、ax相应N可能小的组合。,三、内力计算,四、侧移计算,门式刚架结构的侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。侧移可以用有限元法计算，在初选构件截面估算侧移刚度时，可用规程给出的柱顶侧移简化公式计算，以免因刚度不足而需要重新调整构件截面。在风荷载标准值作用下的刚架柱顶位移不应超过下列限值：(1)不设吊车：采用轻型钢板墙时为h/60，采用砌体墙时为h/100，h为柱高；(2)设有桥式吊车：吊车有驾驶室时为h/400，吊车由地面操作时为h/180，h为柱高。,第三节 作用效应计算,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程的侧移计算简化公式。1单跨刚架(1)当单跨变截面刚架横梁上绿坡
25、度不大于l:5时，在柱顶水平力作用下的侧移，可按下列公式估算：柱脚铰接刚架柱脚刚接刚架对于楔形构件对于双楔形横梁,四、侧移计算,当坡度大于1:10时，L应取横梁沿坡折线的总长度2s,四、侧移计算,H刚架柱顶等效水平力；当估算刚架在沿柱高度均布水平风荷载作用下的侧移时柱脚铰接刚架：H0.67W，柱脚刚接刚架；H0.45 W，W(w1十w4)h,四、侧移计算,当估算刚架在吊车水平荷载Pc作用下的侧移时，柱脚铰接刚架：H1.15Pc柱脚刚接刚架：HPc为吊车水平荷载Pc作用高度与柱高度之比。,四、侧移计算,2两跨刚架(1)中间柱为摇摆柱的两跨刚架，柱顶侧移可前式计算，但式中L应以2s，s为单坡面长度
26、。,四、侧移计算,(2)当中间柱与横梁刚性连接时，可将多跨刚架视为多个单跨刚架的组合体(每个中间柱分为两半，惯性矩各为1/2)，按下列公式计算整个刚架在柱水平荷载作用下的侧移：,Ki柱脚铰按时各单跨刚架侧向刚度之和hi所计算跨两柱的平均高度，Ii与所计算柱相连接的单跨刚架梁的长度；Iei两柱惯性矩不相同时的等效惯性矩；Il、Ir分别为左、右两柱的惯性矩。,四、侧移计算,例3-2 试进行中间门式刚架的荷载、内力计算和位移验算，地面粗糙度B类。其它条件同例3-1。解：本刚架采用铰接柱脚，柱为变截面焊接H型钢，假定小头截面为H220200610，大头截面为H500200610；梁为等截面焊接H型钢，
27、采用H500180610。（1）荷载取值：根据门刚规程CECS102:2002，由于门式刚架受荷投影面积618=108 m260 m2，屋面竖向均布活荷载标准值取0.3kN/m2，根据建筑结构荷载规范，南京市50年基本风压W0=0.40kN/m2，基本雪压S0=0.65kN/m2；夹心彩钢板0.15 kN/m2，檩条或墙梁及支撑取0.1 kN/m2。,第三节 作用效应计算,门式刚架的风荷载体型系数按表3-1封闭式中间区取值，如图3-16。（2）荷载计算1）横梁上作用荷载恒载标准值：g=（0.15+0.1）6=1.5 kN/m当刚架梁、柱自重不是由有限元程序自动计算时，恒载标准值中应计入梁、柱自
28、重。活载标准值：q=0.656=3.9 kN/m（基本雪压大于均布活荷载）,例3-2,2）风荷载（垂直于构件表面）风压高度变化系数z=1.0迎风面 柱上：qw=1.00.250.406=0.6 kN/m 横梁上：qw=1.01.00.406=2.4 kN/m背风面 柱上：qw=1.00.550.406=1.32 kN/m 横梁上：qw=1.00.650.406=1.56 kN/m（4）有限元程序计算恒载作用时的刚架M、N、Q图,例3-2,活载作用时的刚架M、N、Q图左风载作用时的刚架M、N、Q图,例3-2,门式刚架内力组合,例3-2,（4）柱顶位移验算水平风荷载作用下的柱顶等效水平力:,例3-2,有限元程序一阶分析得到的水平风荷载下柱顶位移为9.2 mm，钢梁在恒载与活载组合作用下的挠度为8.4 mm，小于L/180。,
