门式刚架结构设计.ppt

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1、郭小农2015年同济大学建筑工程系,第03章,门式刚架结构设计,密码：123456,公共邮箱,提纲,1.门式刚架的结构布置2.门式刚架的荷载3.主刚架设计4.支撑体系设计5.围护结构设计6.节点设计,第1节门式刚架的结构布置,1.1 适用范围,第条规定，门式刚架适用于：主承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架；具有轻型屋盖和轻型外墙；无桥式吊车；或起重量不大于20T的A1A5工作级别桥式吊车；或起重量不大于3T的悬挂式起重机；外墙亦可采用砌体。,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102:2012,门刚规程第条,【思考01】某单层工业厂房，设有10T的A8工作制桥式吊车，能否适用于门刚规程？,【思

2、考02】外墙采用砌体和轻型墙板，哪种情况下的结构受力更有利？,门刚规程第条,1.1 适用范围,1.2 结构组成,横向主刚架：刚架柱、刚架梁支撑系统：屋面支撑、屋面系杆、柱间支撑、隅撑围护系统：墙面围护系统：抗风柱、墙梁、拉条屋面围护系统：檩条、拉条,1.2 结构组成,竖向荷载屋面板 檩条 框架梁 刚架柱 基础横向水平风荷载侧墙墙面板 墙梁 刚架柱 基础；纵向水平风荷载山墙面板墙梁抗风柱屋面支撑柱间支撑基础；吊车横向水平荷载吊车轨道 吊车梁 牛腿 刚架柱 基础吊车纵向水平荷载吊车轨道吊车梁牛腿 刚架柱柱间支撑基础,1.3 传力路径,1.4 结构形式,(a)单跨刚架（b）双跨刚架（c）多跨刚架,(

3、d)带挑檐架（e）带毗屋刚架（f）单坡刚架,1.5 温度区段,门刚规范第条纵向温度区段不大于300m；横向温度区段不大于150m；有计算依据时可适当加大；,普钢规范第条,门钢规范取值更宽松,1.5 温度区段,A）设置双柱；B）吊车梁及檩条连接采用长圆孔；C）每个温度区段形成独立的支撑体系,温度缝构造,1.6 刚架布置,门钢规范第4.2节：(1)跨度：一般为936m，常以3m为模数(2)柱距：应综合考虑使用要求、刚架跨度、荷载条件等因素，宜取6m、7.5m、9m。超过10m时，用钢量显著增加，一般需要设置托架或托梁。(3)高度：由使用要求确定，常为4.59m；注意：当有桥式吊车时，高度不宜大于1

4、2m。(4)挑檐长度：根据使用要求确定，宜为0.51.2m,(5)屋面坡度：1/201/8(6)截面形式：多采用焊接H型钢，可等截面，也可变截面；(7)柱脚形式：可铰接，可刚接；,【思考03】右图所示刚架，柱脚是铰接还是刚接？,1.6 刚架布置,1.7 屋面支撑布置,参门钢规范第4.5节(1)屋盖横向支撑宜设置在温度区段的第一个或第二个开间；当端部支撑设置在第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。,【思考04】图示厂房，左侧山墙为开门方便，设置了2根抗风柱，其屋面支撑布置是否合理？,1.7 屋面支撑布置,【思考05】图示厂房，屋脊和柱顶布置了通长系杆，但是没有横向水平支撑的屋面梁中

5、间并没有布置通长系杆。请思考其原因。,1.7 屋面支撑布置,参门钢规范第4.5节(2)在刚架转折处（如屋脊和柱顶）应沿厂房全长设置刚性系杆；(3)在设置柱间支撑的开间，宜同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。,1.7 屋面支撑布置,参门钢规范第4.5节(4)屋面交叉支撑一般按柔性拉杆设计，考虑一根受拉另一根退出工作。刚性系杆则应按压杆设计。(5)屋面檩条可兼作刚性系杆。但此时檩条需按压弯构件进行验算。,1.7 屋面支撑布置,参门钢规范第4.5节(6)在设有带驾驶室且起重量大于15T的桥式吊车的跨间，应沿屋盖边缘设置纵向支撑。,1.7 屋面支撑布置,门钢规范第4.5节(1)柱间支撑间距应根据

6、房屋的柱距、受力情况和安装条件确定，当无吊车时，宜取3045m。(2)当建筑物宽度大于60m时，在内柱柱列宜适当增加柱间支撑。,1.8 柱间支撑布置,【思考06】图示2跨厂房。中柱布置柱间支撑和不布置柱间支撑的情况下，屋面支撑的计算简图有何差别？山墙纵向风荷载的传递路径有和差别？,1.8 柱间支撑布置,1.8 柱间支撑布置,门钢规范第4.5节当房屋高度较大时，宜分层设置柱间支撑。斜撑和柱的夹角应在3060度之间，宜接近45度。柱间支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑。,1.8 柱间支撑布置,当设有起重量不小于5T的桥式吊车时，柱间宜采用刚性支撑。在温度区段端部，吊车梁以下不宜设置刚性柱间支撑

7、。,【思考07】以下两种柱间支撑布置方式，哪个更好？,1.8 柱间支撑布置,第2节门式刚架的荷载,2.1 恒荷载,(1)结构自重、围护结构自重：按建筑结构荷载规范；(2)悬挂荷载、设备荷载等固定荷载：按实际情况,常用数据,(1)压型钢板、夹芯板自重：0.100.25 kN/m2(2)屋面檩条、隅撑、屋面支撑等自重：0.100.15 kN/m2(3)屋面恒载通常取值：0.200.30 kN/m2,2.2 活荷载,门刚规程第条当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载标准值（按水平投影面积计算）应般取0.5 kN/m2注：构件负荷面积超过60m2可取0.3 kN/m2,常用数据,(1)屋面活荷载

8、：验算刚架时取0.30 kN/m2(2)屋面活荷载：验算屋面檩条时取0.50 kN/m2,2.3 雪荷载,按荷载规范采用，考虑增大系数和不均匀系数。屋面雪荷载不与屋面活荷载同时考虑。,【思考08】某轻型门式刚架厂房位于南京，计算屋面檩条时活荷载取为0.50kN/m2，檩条是否安全？,2.3 雪荷载,2.4 吊车荷载,荷载规范第5.1节（1）竖向荷载；最大轮压Pmax（2）纵向水平刹车力；10%Pmax（3）横向水平刹车力；起重量10T：12%(G+Q)起重量 10T：10%(G+Q)总横向水平力平均分布到各轮上。其中G为小车重量；Q为额定起重量。注：手动吊车和电动葫芦可不考虑水平荷载。,2.5

9、 地震作用,门刚规程第条地震作用按建筑抗震设计规范 GB50011采用。门刚规程第条抗震验算时，结构的阻尼比可取0.05。,比较,抗震规范第条单层厂房钢结构：根据围护结构情况，取0.0450.05,2.6 风荷载,wk风荷载标准值（kN/m2）；w0基本风压，按建筑结构荷载规范的规定值乘1.05；z风荷载高度变化系数，按建筑结构荷载规范规定；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。,门钢规程第条、附录A,2.6 风荷载,门刚规程,荷载规范,比较1：门刚规程与荷载规范的体型系数比较,【思考09】当房屋檐口较低、跨度较大时，采用门钢规范与荷载规范的体型系数，哪个更偏于安全

10、？,2.6 风荷载,门刚规程,荷载规范,【算例01】柱距6m，檐高6m，跨度20m，上海。,2.6 风荷载,【算例02】柱距6m，檐高10m，跨度15m，上海。,2.6 风荷载,封闭房屋,半封闭房屋,比较2：封闭房屋与半封闭房屋的体型系数比较,注意：部分封闭式房屋的屋面风吸力要比封闭式大50%！,2.6 风荷载,中间区,端区,比较3：中间区与端区的体型系数比较,注意：端区风荷载较大，但是受风面积较小，因此通常端榀刚架截面不需要加大。,2.6 风荷载,2.7 荷载组合,1.2D+1.4 L1.2D+1.4 W1.0D+1.4 W（恒载有利时）1.2D+1.4 C1.2D+1.4 L+1.4 0.

11、6 W1.2D+1.40.7 L+1.4 W,地震组合：抗震规范第条,非地震组合：荷载规范第条,1.2Gek+1.3 Eh,第3节主刚架设计,3.1 计算简图,按平面刚架计算；约束条件根据柱脚构造决定；梁柱节点刚接还是铰接根据构造决定；,3.2 截面选取,无桥式吊车：梁、柱可采用变截面或等截面有桥式吊车：柱宜采用等截面形式跨度15m，柱高 6m时，刚架梁宜采用等截面。跨度 15m，柱高 6m时，宜采用变截面。,多采用焊接H型截面：变截面或等截面,3.3 截面校核,腹板的屈曲后强度计算强度验算平面内整体稳定验算平面外整体稳定验算局部稳定验算,特点：考虑腹板的屈曲后强度,验算内容：按压弯构件验算以

12、下内容：,3.4 腹板的屈曲后强度,(A)构造要求,(1)腹板应为直线变化，变化率（楔率）60mm/m；(2)板件宽厚比限值：,(B)受压和受弯腹板的有效宽度：,利用屈曲后强度时，应按有效宽度计算其截面几何特性。,当腹板全部受压时：,当腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区有效宽度为：,3.4 腹板的屈曲后强度,(B)受压和受弯腹板的有效宽度：,3.4 腹板的屈曲后强度,(1)腹板两边缘的压应力分布不均匀系数,腹板板件边缘中压应力较大的值，取为正；腹板板件另侧边缘的应力，以压为正，拉为负,(2)受压板件稳定系数,(3)计算参数,有效宽度的计算步骤：,3.4 腹板的屈曲后强度,有效宽度的计算步骤

13、：,(4)有效宽度系数,(5)腹板受压区的有效宽度,(6)腹板有效宽度的分布,当截面全部受压,当截面部分受拉,3.4 腹板的屈曲后强度,(C)受剪腹板的有效宽度：,(1)计算板件受剪时的局部稳定系数,(2)参数,(3)腹板屈曲后的抗剪强度,(4)腹板的抗剪承载力,3.4 腹板的屈曲后强度,3.5 强度验算,(A)受弯构件,当截面为双轴对称时,当 时：,当 时：,理解公式V=Vd时，,【思考10】此处的受弯构件强度验算公式，和钢结构设计规范相比有何不同？,(B)压弯构件,当 时：,当 时：,当截面为双轴对称时,3.5 强度验算,平面内整体稳定验算,(A)验算公式,3.6 平面内稳定验算,下标“0

14、”表示小头端，下标“1”表示大头端当柱的最大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。,门钢规程第条,钢结构设计规范第条,均采用了相关公式楔形截面柱，采用小头计算压力效应，采用大头计算弯矩效应。,3.6 平面内稳定验算,(B)平面内计算长度,h0为刚架平面内的计算长度；h为柱高；为计算长度系数。,三种计算方法：（1）查表法（适合于手算）（2）一阶分析法（普遍适用于各种情况)（3）二阶分析法（要求有二阶分析的计算程序）,门钢规程第条,3.6 平面内稳定验算,（B.1）查表法,柱脚铰接的单跨刚架楔形柱的计算长度系数可查下表：,3.6 平面内稳定验算,柱的线刚度,

15、横梁的线刚度,柱大头的截面惯性矩,柱小头的截面惯性矩,梁最小截面的截面惯性矩,半跨斜梁长度,斜梁换算长度系数。查附录D。对于等截面梁，,表中符号的意义：,3.6 平面内稳定验算,柱脚铰接的多跨刚架中柱为摇摆柱时，边柱的计算长度系数应按下式计算：,3.6 平面内稳定验算,【思考02】图示哪种刚架的稳定承载力高？比较刚架的边柱和中柱的计算长度系数。,3.6 平面内稳定验算,（B.2）一阶分析法,当刚架利用一阶分析计算程序得出柱顶水平荷载作用下的侧移刚度K=H/u时，柱的计算长度系数可按下列公式计算：,1）单跨对称刚架柱脚铰接时柱脚刚接时,【思考03】柱脚刚接，计算长度系数反而变大了？,3.6 平面

16、内稳定验算,2）单跨对称刚架，中间有摇摆柱时，乘以放大系数,3）多跨刚架，中间非摇摆柱时,3.6 平面内稳定验算,（B.3）二阶分析法,当采用计入竖向荷载一侧移效应（即 P-u效应）的二阶分析程序计算内力时，计算长度系数可按下列公式计算：,计算长度系数仅仅是楔率的函数。对于等截面构件，楔率为0，计算长度系数=1.0；,3.6 平面内稳定验算,【算例1】,用查表法和一阶分析法计算边柱的计算长度：柱高6m，截面为H250500*200*6*8；跨度24m，屋面梁等分为4段；边梁截面为H350500*200*6*8中梁截面为H350*180*6*8,3.6 平面内稳定验算,【解】查表法,柱小头截面为

17、H250*200*6*8；,柱大头截面为H500*200*6*8；,梁最小截面为H350*180*6*8；,根据已知条件查门钢规程附录D可得：,柱线刚度：,梁线刚度：,梁柱线刚度比：,梁大小头刚度比：,取为0.20,查表得：,3.6 平面内稳定验算,【解】一阶分析法,用3d3s软件求抗侧刚度K:,柱顶施加100kN水平力，得到侧移为428.632mm,刚架抗侧刚度为：,比 查表法 所得大8.5%,3.6 平面内稳定验算,平面外整体稳定验算,门钢规程第条,对一端弯矩为零的区段,对两端弯曲应力基本相等的区段,均匀弯曲楔形构件的整体稳定系数,3.7 平面外稳定验算,钢结构设计规范第条,稳定验算公式对

18、比较,门钢规程第条,钢结构设计规范 附录B,整体稳定系数,门钢规程 第条,3.7 平面外稳定验算,第4节支撑体系设计,4.1 屋面支撑,计算简图,水平放置的桁架；承受抗风柱传来的纵向荷载；柱间支撑位置为支点；受压斜杆退出工作；,【思考11】图中屋面支撑布置有什么问题？对结构受力有什么不利影响？改进措施？,屋面支撑,4.1 屋面支撑,屋面支撑计算简图,张紧斜拉杆防止屋面梁平面外受弯顺利传递抗风柱顶风荷载,4.1 屋面支撑,4.2 柱间支撑,计算简图,竖向放置的桁架；承受屋面支撑传来的纵向风荷载；承受吊车纵向刹车力；基础作为支点；受压斜杆退出工作；,【思考12】图中柱间支撑布置有什么问题？对结构受

19、力有什么不利影响？有什么改进措施？,柱间支撑,钢柱,系杆,4.2 柱间支撑,正确布置,错误布置,合理布置支撑防止柱平面外受弯顺利传递纵向荷载,4.2 柱间支撑,4.3 隅撑,计算简图,减小刚架梁平面外计算长度；荷载：防止钢梁失稳所需的承载力按轴压构件设计；,第5节围护结构设计,5.1 抗风柱,计算简图,柱脚多为铰接；高度较大时，柱脚也可以刚接；承受山墙墙梁传来的纵向风荷载；承受山墙墙板重量；按压弯构件设计；,【思考13】抗风柱柱脚铰接和刚接各有什么优缺点？,5.1 抗风柱,抗风柱顶和屋面梁的连接构造,【思考13】不传递竖向力，有什么优点和缺点？,【思考14】抗风柱顶节点有什么问题？对抗风柱受力

20、有什么影响？对屋面梁受力有什么影响？,抗风柱,屋面梁,Z型板,5.1 抗风柱,正确构造,错误构造,Z形板正确放置保证纵向水平力顺利传递,5.1 抗风柱,5.2 屋面檩条,1）常用截面,冷弯薄壁型钢,直边C型、卷边C型、Z型、卷边Z型、H型,【思考15】对于跨度相同的简支檩条，当屋面坡度较大时，宜采用C型檩条还是Z型檩条？,5.2 屋面檩条,2）放置方式,【思考16】图示檩条哪种放置方式更好？,5.2 屋面檩条,3）檩条形式：简支式、连续式,(1)简支檩条：多采用C型钢，跨度较小时采用；(2)连续檩条：多采用卷边Z型钢，跨度较大时采用；搭接长度需计算确定。,5.2 屋面檩条,(1)宜等间距布置。

21、确定檩条间距时，应综合考虑屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。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200mm)，在天沟附近应布置一道檩条，以便于天沟的固定。常用间距：1.5m,4）檩条布置,5.2 屋面檩条,屋脊檩条,檐口檩条,5.2 檩条设计,5）拉条和撑管,当檩条跨度4m时，宜在檩条跨中位置设置1道拉条或撑杆；当檩条跨度6m时，宜在檩条三分点处各设置1道拉条或撑杆；斜拉条需和檩条连接；,当采用圆钢作拉条时，拉条的直径不宜小于10mm；圆钢拉条可设置在距离檩条上翼缘1/3腹板高度范围内；风吸力作用下檩条下翼缘受压时，宜设置在下翼缘附近；,门钢规程第条,门钢

22、规程第条,【思考17】拉条和撑管起什么作用？,5.2 屋面檩条,6）计算简图,根据构造，按简支梁或者连续梁计算；承受屋面恒载、活载和屋面风吸力；按双向受弯构件计算；,具体计算详见钢结构课程设计,平面内整体稳定验算,平面外整体稳定验算,详见钢结构课程设计,5.2 屋面檩条,强度验算,局部稳定验算,5.3 墙梁,计算简图,根据构造，按简支梁或者连续梁计算；承受屋面恒载和墙面风载；按双向受弯构件计算；,平面内整体稳定验算,平面外整体稳定验算,详见钢结构课程设计,强度验算,局部稳定验算,5.3 墙梁,5.3 墙梁,【思考18】指出图示墙梁布置的错误。,第6节节点设计,6.0 主要节点,主要节点：1）柱

23、脚节点2）梁柱节点3）梁梁节点4）支撑连接节点5）檩条连接节点,6.1 柱脚节点,1）铰接柱脚,平板铰接柱脚；锚栓位于翼缘以内；底板下设置抗剪键；底板开孔为锚栓直径1.21.5倍；垫板开孔比锚栓直径大12mm；多采用细石混凝土找平；,6.1 柱脚节点,2）刚接柱脚,锚栓位于翼缘以外；带靴梁的刚度大；无靴梁的刚度小；,6.2 梁柱节点,1）节点形式,端板厚度验算；螺栓群承载力验算；端板应伸出翼缘，并应设置加劲肋；端板斜放时，下排螺栓可不伸出翼缘；,【思考19】某门式刚架，风吸力很大，采用端板斜放梁柱连接是否合适？,A.边柱和梁刚接,6.2 梁柱节点,1）节点形式,多采用端板高强螺栓连接；注意加劲

24、肋设置,端板竖放,端板平放,B.中柱和梁刚接,6.2 梁柱节点,1）节点形式,多采用端板高强螺栓连接；多采用端板平放；螺栓位于柱翼缘内；,C.中柱和梁铰接,【思考20】计算简图？,【思考21】判断柱顶是铰接还是刚接？柱顶连接有什么问题？对钢柱有何影响？有什么改进措施？,屋面梁,中柱,6.2 梁柱节点,正确构造,错误构造,端板刚度保证压力顺利传递,6.2 梁柱节点,6.2 梁柱节点,2）构造要求,A)端板与钢梁的连接焊缝：等强设计,翼缘与端板：对接焊缝、角焊缝腹板与端板：角焊缝,B)连接件：高强螺栓 门钢规程第条 主刚架构件的连接应采用高强度螺栓，可采用承压型或者摩擦型连接。当端板连接只受轴力和

25、弯矩，或剪力小于抗滑移承载力时，端板表面可不作专门处理。,6.2 梁柱节点,C)螺栓布置,端板连接的螺栓应成对对称布置。在斜梁拼接处，应将端板伸出截面高度范围以外。在斜梁与刚架柱连接的受拉区，宜采用端板外伸式连接；当采用外伸式连接时，翼缘内外的螺栓群中心与翼缘中心应尽量接近或者重合。,门钢规程第条,螺栓中心至翼缘板表面的距离，应满足拧紧螺栓的施工要求，不宜小于35mm；螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径。,门钢规程第条,门钢规程第条,端板上两对螺栓之间的最大间距不应大于400mm。,【思考22】为什么要限制螺栓的最大间距？和钢结构设计规范对比,门钢规程第条,门式刚架中，受压翼缘的螺栓不宜少于两排；当

26、受拉翼缘两侧各设一排螺栓不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓；,6.2 梁柱节点,(a)宽度：应大于梁的翼缘宽度1520mm，以便焊接,(b)高度：设置外伸螺栓时，端板外伸长度为(34)d0；不设置外伸螺栓时，端板突出翼缘外侧20mm(c)厚度：应根据支承条件由抗弯验算确定，且不小于16mm,D）端板尺寸,6.2 梁柱节点,A)计算要点门钢规程第条,螺栓群承载力设计值应大于梁端弯矩和剪力设计值。当连接处钢梁内力很小时，连接应至少能承受相当于构件截面承载力一半的内力作用。,B)计算内容,螺栓群承载力验算；端板厚度验算；节点域抗剪验算；端板螺栓附近腹板抗拉强度验算；,3）计算内容,6.2 梁

27、柱节点,4）螺栓群验算,6.2 梁柱节点,参照钢结构设计规范的公式计算：,5）端板厚度验算,6.2 梁柱节点,5）端板厚度验算,6.2 梁柱节点,伸臂区格（端板外伸且无加劲肋的外伸部分）：,两相邻边支承区格（端板外伸时）：,两相邻边支承区格（端板平齐时）：,注意：Nt 是一个高强度螺栓的受拉承载力设计值，而不是高强度螺栓所受的荷载！,三边支承区格：,无加劲类的区格,6.2 梁柱节点,6）节点域抗剪验算,6.2 梁柱节点,门钢规程第7.2.10 条,在门式钢架斜梁与柱相交的节点域，应按下列公式验算剪应力：,节点域的高度节点域的宽度节点域的厚度节点域的不平衡弯矩设计值节点域的钢材抗剪强度设计值；,

28、抗剪验算不满足时：设置斜加劲肋；或加厚腹板；,7）腹板抗拉验算,6.2 梁柱节点,门钢规程第7.2.11 条,当梁腹板高度内，端板无加劲肋时，尚应验算梁腹板在中部高强度螺栓的拉力作用下的抗拉强度：,当 Nt 2 0.4P 时,当 Nt 2 0.4P 时,如不满足时，设置腹板加劲肋或局部加厚腹板。,6.3 梁梁节点,1）节点形式,端板厚度验算；螺栓群承载力验算；端板应伸出翼缘，并应设置加劲肋；,A)计算要点门钢规程第条,螺栓群承载力设计值应大于梁端弯矩和剪力设计值。当连接处钢梁内力很小时，连接应至少能承受相当于构件截面承载力一半的内力作用。,B)计算内容,螺栓群承载力验算；端板厚度验算；（不需要

29、）节点域抗剪验算；端板螺栓附近腹板抗拉强度验算；,2）计算内容,6.3 梁梁节点,6.4 支撑连接节点,1）圆钢支撑,腹板开长圆孔；圆钢穿过腹板；,6.4 支撑连接节点,2）角钢支撑,端部焊接节点板，采用高强螺栓和屋面支撑连接；支撑交点处采用节点板；,6.4 支撑连接节点,3）钢管支撑,端部焊接水平节点板，采用高强螺栓和屋面支撑连接；支撑交点处采用节点板；节点板贯穿；,【思考09】从图中判断哪根是压杆，哪根是拉杆？节点破坏的原因？正确的构造应该如何？,柱间支撑,拉裂,6.4 支撑连接节点,正确构造,错误构造,节点板贯通保证拉力顺利传递,6.4 支撑连接节点,6.5 檩条连接节点,1）C型简支檩条,6.5 檩条连接节点,2）Z型连续檩条,作业详见课程设计,