门式刚架结构设计

轻型门式刚架设计本章内容结构形式及布置檩条设计刚架设计围护结构计算实例刚架梁刚架柱柱间支撑屋面水平支撑檩条墙梁墙梁系杆抗风柱墙面板屋面板吊车梁山墙角柱山墙抗风柱山墙檩条门洞立柱通长刚性系杆刚性系杆墙面直拉条墙面斜拉条窗边立柱屋脊斜拉条通长刚性系杆柱间支撑屋面水平支撑刚架梁刚架柱屋面檩条屋檐斜拉条屋面直拉条门式刚架结构示意3.1.1门式刚架特点及适用范围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）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）刚架构件的刚度较好，为制造、运输、安装提供了便利；（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。3.1结构形式及布置3.1结构形式及布置3.1结构形式及布置2、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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3.1结构形式及布置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》（CECS102：2002）3.1结构形式及布置3.1结构形式及布置3、适用范围跨度9～36m、柱距6m～9m、柱高4.5～12m、设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑（超市、车站候车室、展览厅、码头建筑等）。目前国内单跨刚架的跨度已达到72m。3.1.1结构形式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。（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）单坡刚架3.1结构形式及布置3.1.2．门式刚架的尺寸跨度：横向刚架柱轴线间的距离，一般为9~36m；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4.5～9m；有吊车时应根据轨顶标高和吊车净空要求确定，一般为9～12m。柱距：宜为6m，通常介于4.5～9m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1/8～1/20，在雨水较多地区可取较大值。3.1结构形式及布置（1）温度区段布置3.1.3．结构布置1、平面布置（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。纵向温度区段300m横向温度区段150m3.1结构形式及布置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2112托梁边跨托梁托梁托梁（3）托梁3.1结构形式及布置1、支撑构件的设计（1）屋盖水平支撑屋盖水平支撑交叉斜杆刚性系杆圆钢、角钢钢管、双角钢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30～45m；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30°～60°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5ｔ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。3.1结构形式及布置（2）柱间支撑①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。②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。③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。支撑的设计与构造（2）柱间支撑①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。②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。③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。支撑的设计与构造（2）屋面水平支撑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，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，在设有带驾驶室且起重量大于15t的桥式吊车的跨间，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。3.1结构形式及布置3.1结构形式及布置3.1结构形式及布置•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支撑的设计与构造（3）支撑构件的计算①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），非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。②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。③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。支撑的设计与构造支撑的节点荷载：kaa1.4WwHlkaawHl——风荷载标准值；——山墙平均高度的一半；——屋面支撑系统中刚性撑杆间的距离。支撑的设计与构造受拉斜杆受压斜杆退出工作刚性系杆压杆拉杆拉杆压杆FFFFabc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。隅撑应按轴心受压构件设计，轴压力按下式计算（3）隅撑布置隅撑构造3.1结构形式及布置235cos60yfAfN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。3.1结构形式及布置3.2檩条的构造与设计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。3.2.1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i＞1/3的情况。卷边C形檩条适用于屋面坡度i≤1/3的情况，其截面在使用中互换性大，用钢量省。3.2檩条的构造与设计适用于屋面坡度≤1/3适用于屋面坡度1/33.2檩条的构造与设计桁架式空腹式(a)(b)3.2檩条的构造与设计（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。3.2.2布置和连接3.2檩条的构造与设计檩条刚架梁角钢檩托刚架梁刚架梁檩条刚架梁檩条钢板檩托檩条角钢檩托（a）钢板檩托（b）角钢檩托檩条连接构造3.2檩条的构造与设计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8～16mm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。3.2.3拉条与撑杆3.2檩条的构造与设计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。檩条间距圆钢檩条间距圆钢檩条间距檩条1/3h1/3hh圆管圆钢拉条（a）直拉条（b）斜拉条（d）撑杆3.2檩条的构造与设计拉条和撑杆的布置原则：（1）当檩条跨度l≤4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条；（2）当屋面坡度i≥1/10或檩条跨度l＞4m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；3.2檩条的构造与设计（4）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。（5）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。3.2檩条的构造与设计檩条间距檩条1/3h1/3hh圆管圆钢拉条3.2.4荷载永久荷载压型钢板、檩条、拉条和悬挂物的自重，采用保温板尚需考虑保温层龙骨等的自重；可变荷载雪荷载、屋面均布活荷载、屋面检修集中荷载、积灰荷载、风荷载等，风载体型系数按CECS102-2002附录表A-2采用。3.2檩条的构造与设计荷载组合原则：（1）檩距小于1m的檩条，还应验算1kN（标准值）施工或检修集中荷载作用于跨中时构件的强度；（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荷载同时考虑；（4）当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。3.2檩条的构造与设计对轻型屋面檩条一般选用可变荷载控制的组合：①1.2×永久荷载+1.4×[max{屋面均布活荷载，雪荷载}+积灰荷载×ψc1]+1.4×风压×ψc2；或1.2×永久荷载+1.4×[积灰荷载+max{屋面均布活荷载，雪荷载}×ψc1]+1.4×风压×ψc2。②1.2×永久荷载+1.4×施工检修集中荷载；③当需考虑风吸力对檩条的受力影响时，还应进行下式的荷载组合：1.0×永久荷载+1.4×风吸力荷载。3.2檩条的构造与设计3.2.5计算（a）C型截面（b）Z型截面檩条计算示意图1、内力分析3.2檩条的构造与设计0cosypp0sinxpp垂直于主轴x和y的分荷载按下式计算：0式中p——檩条竖向荷载设计值；0——q与主轴y的夹角：对C形、槽形和工字型截面0=，为屋面坡角；对Z形截面，为主轴x与平行于屋面轴x1的夹角。简支檩条（墙梁）的内力见下表：拉条设置情况由产生的内力由产生的内力无拉条跨中有一道拉条拉条处负弯矩拉条与支座间正弯矩三分点处各有一道拉条拉条处负弯矩拉条与支座间正弯矩maxyMmaxxMmaxyVmaxxVxpyp218ypl218ypl218ypl218xpl2132xpl2164xpl2190xpl23601lqx0.5xpl0.625xpl0.367xpl0.5ypl0.5ypl0.5ypl多跨连续构件，不考虑活荷载的不均匀分布，跨中和支座弯矩均近似取：210xyMpl（1）初选截面截面高度h：跨度的1/50~1/35；截面宽度b：根据选定的高度由《冷弯薄壁型钢结构技术规范》确定。（三）檩条的截面选择（2）确定有效截面的特性设计冷弯薄壁型钢构件允许考虑构件的屈曲后强度，不同边缘支承的板件屈曲应力和屈曲后性能不同，应按板件的支承条件各板件有效宽度后计算有效截面