門鋼設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)講訴

1、第 1 章輕型門式剛架結(jié)構(gòu)11概述1 1 1單層門式剛架結(jié)構(gòu)的組成如圖 11 所示，單層門式剛架結(jié)構(gòu)是指以輕型焊接H 形鋼 ( 等截面或變截面) 、熱軋H形鋼 ( 等截面 ) 或冷彎薄壁型鋼等構(gòu)成的實腹式門式剛架或格構(gòu)式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼 ( 槽形、卷邊槽形、 Z 形等 ) 做檁條、墻梁；以壓型金屬板 ( 壓型鋼板、壓型鋁板 ) 做屋面、墻面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料并適當(dāng)設(shè)置支撐的一種輕型房屋結(jié)構(gòu)體系。在目前的工程實踐中，門式剛架的梁、柱構(gòu)件多采用焊接變截面的H 形截面，單跨剛架的梁 - 柱節(jié)點采用剛接，多跨者大多剛

2、接和鉸接并用。柱腳可與基礎(chǔ)剛接或鉸接。圍護結(jié)構(gòu)采用壓型鋼板的居多，玻璃棉則由于其具有自重輕、保溫隔熱性能好及安裝方便等特點，用作保溫隔熱材料最為普遍。1 1 2單層門式剛架結(jié)構(gòu)的特點單層門式剛架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具：有以下特點：(1) 質(zhì)量輕圍護結(jié)構(gòu)由于采用壓型金屬板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等材料組成，屋面、墻面的質(zhì)量都很輕，因而支承它們的門式剛架也很輕。根據(jù)國內(nèi)的工程實例統(tǒng)計，單層門式剛架房屋承2重結(jié)構(gòu)的用鋼量一般為 10 30kg m；在相同的跨度和荷載條件情況下自重約僅為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的 1 20 130。由于單層門式剛架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕，地基的處理費用相對較低，基礎(chǔ)也可以做得比較小。同

3、時在相同地震烈度下門式剛架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)小，一般情況下，地震作用參與的內(nèi)力組合對剛架梁、柱桿件的設(shè)計不起控制作用。但是風(fēng)荷載對門式剛架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力影響較大，風(fēng)荷載產(chǎn)生的吸力可能會使屋面金屬壓型板、 檁條的受力反向， 當(dāng)風(fēng)荷載較大或房屋較高時，風(fēng)荷載可能是剛架設(shè)計的控制荷載。(2) 工業(yè)化程度高，施工周期短門式剛架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件和配件均為工廠制作，質(zhì)量易于保證，工地安裝方便。除基礎(chǔ)施工外，基本沒有濕作業(yè)，現(xiàn)場施工人員的需要量也很少。構(gòu)件之間的連接多采用高強度螺栓連接，是安裝迅速的一個重要方面，但必須注意設(shè)計為剛性連接的節(jié)點，應(yīng)具有足夠的轉(zhuǎn)動剛度。(3) 綜合經(jīng)濟效益高門式剛架結(jié)構(gòu)由于材料價格的

4、原因其造價雖然比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等其他結(jié)構(gòu)形式略高，但由于采用了計算機輔助設(shè)計，設(shè)計周期短；構(gòu)件采用先進自動化設(shè)備制造；原材料的種類較少，易于籌措，便于運輸；所以門式剛架結(jié)構(gòu)的工程周期短，資金回報快，投資效益高。(4)柱網(wǎng)布置比較靈活傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式由于受屋面板、墻板尺寸的限制，柱距多為6m，當(dāng)采用12m 柱距時，需設(shè)置托架及墻架柱。而門式剛架結(jié)構(gòu)的圍護體系采用金屬壓型板，所以柱網(wǎng)布置不受模數(shù)限制，柱距大小主要根據(jù)使用要求和用鋼量最省的原則來確定。門式剛架結(jié)構(gòu)除上述特點外，還有一些特點需要了解：門式剛架體系的整體性可以依靠檁條、墻梁及隅撐來保證， 從而減少了屋蓋支撐的數(shù)量，同時支撐多用張緊的圓鋼做

5、成，很輕便。門式剛架的梁、柱多采用變截面桿，可以節(jié)省材料。圖1 2 所示剛架，柱為楔形構(gòu)件，梁則由多段楔形桿組成。梁、柱腹板在設(shè)計時利用屈曲后強度，可使腹板寬厚比放大( 腹板厚度較薄 ) 。當(dāng)然，由于變截面門式剛架達到極限承載力時，可能會在多個截面處形成塑性鉸而使剛架瞬間形成機動體系，因此塑性設(shè)計不再適用。使門式剛架結(jié)構(gòu)輕型化的措施還有：在多跨框架中把中柱做成只承重力荷載的兩端鉸接柱，對平板式鉸接柱腳考慮其實際存在的轉(zhuǎn)動約束，利用屋面板的蒙皮效應(yīng)和適當(dāng)放寬柱頂側(cè)移的限值等。設(shè)計中對輕型化帶來的后果必須注意和正確處理。 風(fēng)力可使輕型屋面的荷載反向，就是一例。組成構(gòu)件的桿件較薄，對制作、涂裝、運輸

6、、安裝的要求高。在門式剛架結(jié)構(gòu)中，焊接構(gòu)件中板的最小厚度為30mm；冷彎薄壁型鋼構(gòu)件中板的最小厚度為1 5,nm；壓型鋼板的最小厚度為04mm。板件的寬厚比大，使得構(gòu)件在外力撞擊下容易發(fā)生局部變形。同時，銹蝕對構(gòu)件截面削弱帶來的后果更為嚴重。構(gòu)件的抗彎剛度、抗扭剛度比較小，結(jié)構(gòu)的整體剛度也比較柔。因此，在運輸和安裝過程中要采取必要的措施，防止構(gòu)件發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。同時，要重視支撐體系和隅撐的布置，重視屋面板、墻面板與構(gòu)件的連接構(gòu)造，使其能參與結(jié)構(gòu)的整體工作( 蒙皮效應(yīng) ) 。1 1 3門式剛架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況門式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用大約始于 20 世紀 80 年代初期。 近十多年來特別

7、是中國工程建設(shè)標(biāo)準化協(xié)會編制的門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 (CECSl02：98) ( 以下簡稱規(guī)程 ) 頒布實行后，其應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，主要用于輕型的廠房、倉庫、建材等交易市場、大型超市、體育館、展覽廳及活動房屋、加層建筑等。目前，國內(nèi)大約每年有上：千萬平方米的輕鋼建筑竣工。國外也有大量鋼結(jié)構(gòu)制造商進入中國，加上國內(nèi)幾百家的輕鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)公司和制造廠，市場競爭也日趨激烈。1 2結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布置1 2 1門式剛架的結(jié)構(gòu)形式門式剛架又稱山形門式剛架。其結(jié)構(gòu)形式按跨度可分為單跨f 、g、i ) 和多跨 ( 圖 1 3c、d) ，按屋面坡脊數(shù)可分為單脊單坡(c、d、g、h) 、多脊多坡 (

8、圖 1-3 e、 f 、i ）。( 圖 1-30 a、b) 、雙跨 ( 圖 1-3 e、圖 1 2a) 、單脊雙坡 ( 圖 l-3 b、對于多跨剛架，在相同跨度條件下，多脊多坡與單脊雙坡的剛架用鋼量大致相當(dāng)，常作成一個屋脊的大雙坡屋面。這是因為金屬壓型板屋面為長坡面排水創(chuàng)造了條件。而多脊多坡剛架的內(nèi)天溝容易產(chǎn)生滲漏及堆雪現(xiàn)象。不等高剛架( 圖 1 3f ) 這一問題更為嚴重，在實際工程中應(yīng)盡量避免這種剛架形式。單脊雙坡多跨剛架，用于無橋式吊車房屋時，當(dāng)剛架柱不是特別高且風(fēng)荷載也不很大時，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱( 圖 13c、g) ，中間搖擺柱和梁的連接構(gòu)造簡單，而且制作和安裝都省工。這些柱

9、不參與抵抗側(cè)力，截面也比較小。但是在設(shè)有橋式吊車的房屋時，中柱宜為兩端剛接 ( 圖 13d) ，以增加剛架的側(cè)向剛度。中柱用搖擺柱的方案體現(xiàn)“材料集中使用”的原則。邊柱和梁形成剛架，承擔(dān)全部抗側(cè)力的任務(wù) ( 包括傳遞水平荷載和防止門架側(cè)移失穩(wěn) ) 。由于邊柱的高度相對比較小 ( 亦即長細比比較小 ) ，材料能夠比較充分地發(fā)揮作用。根據(jù)跨度、高度及荷載不同，門式剛架的梁、柱可采用變截面或等截面實腹焊接工字形截面或軋制 H 形截面。設(shè)有橋式吊車時，柱宜采用等截面構(gòu)件。變截面構(gòu)件通常改變腹板的高度，作成楔形；必要時也可改變腹板厚度。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在運輸單元內(nèi)一般不改變翼緣截面，當(dāng)必要時可改變翼緣厚度。門式

10、剛架的柱腳多按鉸接支承設(shè)計，通常為平板支座，設(shè)一對或兩對地腳螺栓。當(dāng)用于工業(yè)廠房且有橋式吊車時，宜將柱腳設(shè)計成剛接。門式剛架輕型房屋屋面坡度宜取1 20-1 8，在雨水較多的地區(qū)取其中的較大值。門式剛架可由多個梁、柱單元構(gòu)件組成，柱一般為單獨單元構(gòu)件，斜梁可根據(jù)運輸條件劃分為若干個單元。單元構(gòu)件本身采用焊接，單元之間可通過端板用高強度螺栓連接。門式剛架上可設(shè)置起重量不大于3t 的懸掛起重機和起重量不大于20t 的輕、中級工作1 22結(jié)構(gòu)布置12 2 1剛架的建筑尺寸和布置門式剛架的跨度取橫向剛架柱間的距離，跨度宜為9 36m，宜以 3m為模數(shù)，但也可不受模數(shù)限制。當(dāng)邊柱寬度不等時，其外側(cè)應(yīng)對齊

11、。門式剛架的高度應(yīng)取地坪柱軸線與斜梁軸線交點的高度，宜取 45 9m，必要時可適當(dāng)放大。門式剛架的高度應(yīng)根據(jù)使用要求的室內(nèi)凈高確定，有吊車的廠房應(yīng)根據(jù)軌頂標(biāo)高和吊車凈空的要求確定。柱的軸線可取柱下端( 較小端 ) 中心的豎向軸線，工業(yè)建筑邊柱的定位軸線宜取柱外皮。斜梁的軸線可取通過變截面梁段最小端中心與斜梁上表面平行的軸線。門式剛架的合理間距應(yīng)綜合考慮剛架跨度、荷載條件及使用要求等因素，一般宜取6m、7 5m、或 9m。挑檐長度可根據(jù)使用要求確定，宜為 0.5 1.2m，其上翼緣坡度取與剛架斜梁坡度相同。門式剛架輕型房屋的構(gòu)件和圍護結(jié)構(gòu)，通常剛度不大，溫度應(yīng)力相對較小。因此其溫度分區(qū)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

12、形式相比可以適當(dāng)放寬，但應(yīng)符合下列規(guī)定：縱向溫度區(qū)段300m；橫向溫度區(qū)段150m；當(dāng)有計算依據(jù)時，溫度區(qū)段可適當(dāng)放大。當(dāng)房屋的平面尺寸超過上述規(guī)定時，需設(shè)置伸縮縫，伸縮縫可采用兩種做法：(a) 設(shè)置雙柱； (b) 在搭接檁條的螺栓處采用長圓孔，并使該處屋面板在構(gòu)造上允許漲縮。對有吊車的廠房，當(dāng)設(shè)置雙柱形式的縱向伸縮縫時，伸縮縫兩側(cè)剛架的橫向定位軸線可加插入距( 圖 1-4) 。在多跨剛架局部抽掉中柱或邊柱處，可布置托架或托梁。12 2 2檁條和墻梁的布置屋面檁條一般應(yīng)等間距布置。但在屋脊處，應(yīng)沿屋脊兩側(cè)各布置一道檁條，使得屋面板的外伸寬度不要太長 ( 一般小于 200mm)，在天溝附近應(yīng)布置

13、一道檁條，以便于天溝的固定。確定檁條間距時，應(yīng)綜合考慮天窗、通風(fēng)屋脊、采光帶、屋面材料、檁條規(guī)格等因素按計算確定。側(cè)墻墻梁的布置，應(yīng)考慮設(shè)置門窗、挑檐、遮雨篷等構(gòu)件和圍護材料的要求。當(dāng)采用壓型鋼板作圍護面時，墻梁宜布置在剛架柱的外側(cè)，其間距由墻板板型和規(guī)格確定，且不大于由計算確定的數(shù)值。12 2 3支撐和剛性系桿的布置支撐和剛性系桿的布置應(yīng)符合下列規(guī)定：(1)在每個溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中，應(yīng)分別設(shè)置能獨立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系。(2) 在設(shè)置柱間支撐的開間，應(yīng)同時設(shè)置屋蓋橫向支撐，以構(gòu)成幾何不變體系。(3) 端部支撐宜設(shè)在溫度區(qū)段端部的第_或第二個開間。 柱間支撐的間距應(yīng)根據(jù)房屋縱向受

14、力情況及安裝條件確定，一般取30 45m；有吊車時不宜大于 60m。(4)當(dāng)房屋高度較大時，柱間支撐應(yīng)分層設(shè)置；當(dāng)房屋寬度大于60m 時，內(nèi)柱列宜適當(dāng)設(shè)置支撐。(5) 當(dāng)端部支撐設(shè)在端部第二個開間時，在第一個開間的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置剛性系桿。(6) 在剛架轉(zhuǎn)折處 ( 邊柱柱頂、 屋脊及多跨剛架的中柱柱頂 ) 應(yīng)沿房屋全長設(shè)置剛性系桿。(7) 由支撐斜桿等組成的水平桁架，其直腹桿宜按剛性系桿考慮。(8) 剛性系桿可由檁條兼任，此時檁條應(yīng)滿足壓彎構(gòu)件的承載力和剛度要求，當(dāng)不滿足時可在剛架斜梁間設(shè)置鋼管、H 形鋼或其他截面形式的桿件。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的支撐宜用十字交叉圓鋼支撐，圓鋼與相連構(gòu)件的夾角

15、宜接近45，不超出 30 60。圓鋼應(yīng)采用特制的連接件與梁、柱腹板連接，校正定位后張緊固定。張緊手段最好用花籃螺絲。在設(shè)有起重量大于15t 橋式吊車的跨間，柱間支撐應(yīng)參照第2 章 21 1 3 節(jié)的要求設(shè)置。當(dāng)房屋內(nèi)設(shè)有不小于 5t 的吊車時，柱間支撐宜用型鋼支撐。當(dāng)房屋中不允許設(shè)置柱間支撐時，應(yīng)設(shè)置縱向剛架。支撐雖然不是主要承重構(gòu)件，在房屋結(jié)構(gòu)中卻是不可或缺的，柱間支撐和屋蓋支撐的作用和形式在第 2 章的 2 1 3 節(jié)還有詳盡的論述。1 3剛架設(shè)計1 31荷載及荷載組合設(shè)計門式剛架結(jié)構(gòu)所涉及的荷載，包括永久荷載和可變荷載，2002) 有專門規(guī)定者外，一律按現(xiàn)行國家標(biāo)準建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范稱荷載

16、規(guī)范) 采用。13 1.1永久荷載除現(xiàn)行規(guī)程 (CECSl02：GB 50009 2002( 以下簡永久荷載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重和懸掛在結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構(gòu)件和剛架自身等。1 3 1 2可變荷載(1)屋面活荷載當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準值( 按水平投22影面積計算 ) 應(yīng)取 0 5kNm；對受荷水平投影面積超過60m 的剛架結(jié)構(gòu)，計算時采用的豎2和小工具的重力) ，其標(biāo)準值為1kN。(2)屋面雪荷載和積灰荷載屋面雪荷載和積灰荷載的標(biāo)準值應(yīng)按荷載規(guī)范的規(guī)定采用，設(shè)計屋面板、檁條時并應(yīng)考慮在屋面天溝、陰角、天窗擋風(fēng)板內(nèi)和高低跨連接處等

17、的荷載增大系數(shù)或不均勻分布系數(shù)。(3)吊車荷載包括豎向荷載和縱向及橫向水平荷載，按照荷載規(guī)范的規(guī)定采用。(4)地震作用按現(xiàn)行國家標(biāo)準建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB 50011 2001 的規(guī)定計算。(5) 風(fēng)荷載：按規(guī)程附錄 A 的規(guī)定，垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載可按下列公式計算：(11)式中wk 風(fēng)荷載標(biāo)準值(kN m2)；w0基本風(fēng)壓，按照荷載規(guī)范的規(guī)定采用； z 風(fēng)荷載高度變化系數(shù)，按照荷載規(guī)范的規(guī)定采用，當(dāng)高度小于10m時，應(yīng)按 10m高度處的數(shù)值采用； s 風(fēng)荷載體型系數(shù)。剛架的風(fēng)荷載體型系數(shù) s 按照表 1-1 及圖 1-5 的規(guī)定采用。此表適用于雙坡及單坡剛架，其屋面坡度不大于 10，屋面平

18、均高度不大于 18m，檐口高度不大于屋面的最小水平尺寸者。注： (1) 表中正號 ( 壓力 ) 表示風(fēng)力由外朝向表面；負號( 吸力 ) 表示風(fēng)力自表面向外離開，下同；(2) 屋面以卜的周邊伸出部位，對 1 區(qū)和 5 區(qū)可取 +1 3，對 4 區(qū)和 6 區(qū)可取 -1 3，這些系數(shù)包括了迎風(fēng)面和背風(fēng)面的影響；(3) 當(dāng)端部柱距不小于端區(qū)寬度時，端區(qū)風(fēng)荷載超過中間區(qū)的部分，宜直接由端剛架承受；(4)單坡屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)，可按雙坡屋面的兩個半邊處理( 圖1-5)。上述風(fēng)荷載體型系數(shù) s 的取值方法主要是參考美國金屬房屋制造商協(xié)會 (MBMA)編制的低層房屋系統(tǒng)手冊 (1996) 中的相關(guān)內(nèi)容給出的

19、。它包含了陣風(fēng)的影響，同時考慮內(nèi)外風(fēng)壓最大值的組合， 較荷載規(guī)范 的規(guī)定詳細、 合理。 對多脊多坡屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)，MBMA手冊中沒有給出， 規(guī)程規(guī)定仍按現(xiàn)行國家標(biāo)準荷載規(guī)范的有關(guān)條文采用。13 1 3 荷載組合效應(yīng)荷載效應(yīng)的組合一般應(yīng)頃從荷載規(guī)范的規(guī)定。針對門式剛架的特點，出下列組合原則：規(guī)程給(1) 屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應(yīng)取兩者中的較大值；(2) 積灰荷載應(yīng)與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮；(3) 施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮；(4) 多臺吊車的組合應(yīng)符合荷載規(guī)范的規(guī)定；(5) 當(dāng)需要考慮地震作用時，風(fēng)荷載不與地震作用同時考慮。

20、在進行剛架內(nèi)力分析時，所需考慮的荷載效應(yīng)組合主要有：(1)12x 永久荷載 +09x1 4x 積灰荷載 +max屋面均布活荷載、 雪荷載 +0 9x1 4x( 風(fēng)荷載 +吊車豎向及水平荷載 ) ；(2)1 0x 永久荷載 +1 4x 風(fēng)荷載組合 (1) 用于截面強度和構(gòu)件穩(wěn)定性計算。在進行效應(yīng)疊加時，起有利作用者不加，但必須注意所加各項有可能同時發(fā)生。為此，不能在計人吊車水平荷載效應(yīng)的同時略去豎向荷載效應(yīng)。 組合 (2)用于錨栓抗拉汁算， 其永久荷載的抗力分項系數(shù)取1.0 。當(dāng)為多跨有吊車框架時，在組合 (2)中還應(yīng)考慮鄰跨吊車水平力的作用。由于門式剛架結(jié)構(gòu)的自重較輕，地震作用產(chǎn)生的荷載效應(yīng)一

21、般較小。設(shè)計經(jīng)驗表明：當(dāng)抗震設(shè)防烈度為7 度而風(fēng)荷載標(biāo)準值大于20.35kN m，或抗震設(shè)防烈度為 8 度而風(fēng)荷載標(biāo)準值大于 0.45kN m2 時，地震作用的組合般不起控制作用。1 3 2剛架的內(nèi)力和側(cè)移計算13 2 1內(nèi)力計算對于變截面門式剛架，應(yīng)采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力，只有當(dāng)剛架的梁柱全部為等截面時才允許采用塑性分析方法， 但后一種情況在實際工程中已很少采用。 進行內(nèi)力分析時，通常把剛架當(dāng)作平面結(jié)構(gòu)對待，一般不考慮蒙皮效應(yīng)，只是把它當(dāng)作安全儲備。當(dāng)有必要且有條件時，可考慮屋面板的應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。蒙皮效應(yīng)是將屋面板視為沿屋面全長伸展的深梁，可用來承受平面內(nèi)的荷載。 面板可視為承受平面內(nèi)

22、橫向剪力的腹板， 其邊緣構(gòu)件可視為翼緣，承受軸向拉力和壓力。與此類似，矩形墻板也可按平面內(nèi)受剪的支撐系統(tǒng)處理?？紤]應(yīng)力蒙皮效應(yīng)可以提高剛架結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載力，但對壓型鋼板的連接有較高的要求。變截面門式剛架的內(nèi)力通常采用桿系單元的有限元法( 直接剛度法 ) 編制程序上機計算。計算時將變截面的梁、柱構(gòu)件分為若干段，每段的幾何特性當(dāng)作常量，也可采用楔形單元。地震作用的效應(yīng)可采用底部剪力法分析確定。當(dāng)需要手算校核時，可采用一般結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 ( 如力法、位移法、彎矩分配法等 ) 或利用靜力計算的公式、圖表進行。根據(jù)不同荷載組合下的內(nèi)力分析結(jié)果，找出控制截面的內(nèi)力組合，控制截面的位置一般在柱底、柱頂、

23、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面，控制截面的內(nèi)力組合主要有：(1) 最大軸壓力 N max、和同時出現(xiàn)的 M及 V 的較大值。(2) 最大彎矩 M max和同時出現(xiàn)的 V 及 N 的較大值。這兩種情況有可能是重合的。以上是針對截面雙軸對稱的構(gòu)件而言的。如果是單軸對稱截面，則需要區(qū)分正、負彎矩，參看第2 章 2.2.3節(jié)。鑒于輕型門式剛架自重很輕，錨栓在強風(fēng)作用下有可能受到拔起的力，還需要第3 種組合，即：(3) 最小軸壓力 N min 和相應(yīng)的 M 及 V，出現(xiàn)在永久荷載和風(fēng)荷載共同作用下，當(dāng)柱腳鉸接時 M =0。1.3.2.2側(cè)移計算變截面門式剛架的柱頂側(cè)移應(yīng)采用彈性分析方法確定。計算時荷載

24、取標(biāo)準值，不考慮荷載分項系數(shù)。側(cè)移計算可以和內(nèi)力分析樣在計算機上進行。規(guī)程給出柱頂側(cè)移的簡化公式，可以在初選構(gòu)件截面時估算側(cè)移剛度，以免因剛度不足而需要重新調(diào)整構(gòu)件截面。單層門式剛架在風(fēng)荷載標(biāo)準值作用下的柱頂側(cè)移限值參見本教材上冊鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第6 章的有關(guān)內(nèi)容。它雖然不涉及安全承載，卻是不可忽視的設(shè)計指標(biāo)。規(guī)程在2002 年修訂后，柱頂位移的計算限值放寬為不超過h 60，已經(jīng)相當(dāng)寬松。如果最后驗算時剛架的側(cè)移不滿足要求，即需要采用下列措施之一進行調(diào)整：放大柱或( 和 ) 梁的截面尺寸， 改鉸接柱腳為剛接柱腳；把多跨框架中的個別搖擺柱改為上端和梁剛接。1.3.3剛架柱和梁的設(shè)計1.3.3.1梁、柱

25、板件的寬厚比限值和腹板屈曲后強度利用(1) 梁、柱板件的寬厚比限值 ( 截面尺寸見圖 16) ：工字形截面構(gòu)件受壓翼緣板的寬厚比限值：工字形截面梁、柱構(gòu)件腹板的寬厚比限值：式中b1、 t 受壓翼緣的外伸寬度與厚度；hw、 t w腹板的高度與厚度。(2) 腹板屈曲后強度利用在進行剛架梁、柱構(gòu)件的截面設(shè)計時，為了節(jié)省鋼材，允許腹板發(fā)生局部屈曲，并利用其屈曲后強度。在上冊第4 章 4.6.4節(jié)曾經(jīng)分析過受壓板屈曲后繼續(xù)承載的原理并給出 GB 50017 規(guī)范關(guān)于梁腹板利用屈曲后強度的計算公式。這些公式適用于簡支梁。門式剛架的構(gòu)件剪應(yīng)力最大處往往彎曲正應(yīng)力也最大，翼緣對腹板沒有約束作用，因而計算公式不

26、同于GB 50017。工字形截面構(gòu)件腹板的受剪板幅，當(dāng)腹板的高度變化不超過設(shè)計值可按下列公式計算：60mm m時，其抗剪承載力式中 f v 鋼材的抗剪強度設(shè)計值；f v腹板屈曲后抗剪強度設(shè)計值；hw 腹板板幅的平均高度；w參數(shù)，按公式(1-6) 進行計算。式中a 腹板橫向加勁肋的間距；k 腹板在純剪切荷載作用下的屈曲系數(shù)。當(dāng)不設(shè)中間加勁肋時k=5.34 。公式 (1-5) 是參照歐洲規(guī)范的內(nèi)容并略加修改后給出的，是一種較為簡便的計算方法，計算結(jié)果屬于下限。當(dāng)腹板高度變化超過60mm m時，公式 (1-5) 不再適用。(3) 腹板的有效寬度當(dāng)工字形截面梁、柱構(gòu)件的腹板受彎及受壓板幅利用屈曲后強度

27、時，應(yīng)按有效寬度計算其截面幾何特性。有效寬度取為：當(dāng)腹板全部受壓時he =hw(1-8a)當(dāng)腹板部分受拉時，受拉區(qū)全部有效，受壓區(qū)有效寬度為he = hc(1-8b)式中 h 腹板受壓區(qū)有效寬度；e有效寬度系數(shù)，按下列公式進行計算：當(dāng) 08 時 =1(1-9a)當(dāng) 0 812 時 =0 64-0 24( -1 2)(1-9c)式中與板件受彎、受壓有關(guān)的參數(shù)，按公式(1 10) 計算。式中板件在正應(yīng)力作用下的屈曲系數(shù)。= 2 l 為腹板邊緣正應(yīng)力比值，以壓為正，拉為負，1 -1 ；當(dāng)腹板邊緣最大應(yīng)力 10 時2h /(5- ) h =h - hel(1-12)ee2e當(dāng)腹板部分截面受拉，即 0

28、時e1=0.4he(1-13)hh =0.6 he(1-14)e21.3.3.2剛架梁、柱構(gòu)件的強度計算(1)工字形截面受彎構(gòu)件在剪力V 和彎矩 M共同作用下的強度應(yīng)符合下列要求：當(dāng) V 0.5 Vd 時M Me(1 15a)當(dāng) 0.5 Vd V Vd 時當(dāng)截面為雙軸對稱時Mf = Af ( hw+t ) f(1-16)式中Mf 兩翼緣所承擔(dān)的彎矩；We構(gòu)件有效截面最大受壓纖維的截面模量；Me構(gòu)件有效截面所承擔(dān)的彎矩，Af 構(gòu)件翼緣的截面面積；Vd腹板抗剪承載力設(shè)計值，按公式Me=Wef ；(1-4) 計算。(2) 工字形截面受彎構(gòu)件在剪力V、彎矩 M和軸力 N 共同作用下的強度應(yīng)符合下列要求

29、：式中 A 有效截面面積；eN兼承壓力時兩翼緣所能承受的彎矩。Mf1.3.3.3梁腹板加勁肋的配置梁腹板應(yīng)在中柱連接處、 較大固定集中荷載作用處和翼緣轉(zhuǎn)折處設(shè)置橫向加勁肋。其他部位是否設(shè)置中間加勁肋，根據(jù)計算需要確定。但規(guī)程規(guī)定，當(dāng)利用腹板屈曲后抗剪強度時，橫向加勁肋間距 宜取hw 2 h w。當(dāng)梁腹板在剪應(yīng)力作用下發(fā)生屈曲后， 將以拉力帶的方式承受繼續(xù)增加的剪力， 亦即起類似桁架斜腹桿的作用，而橫向加勁肋則相當(dāng)于受壓的桁架豎桿 ( 圖 1-8) 。因此，中間橫向加勁肋除承受集中荷載和翼緣轉(zhuǎn)折產(chǎn)生的壓力外，還要承受拉力場產(chǎn)生的壓力，該壓力按下列公式計算：式中Ns 拉力場產(chǎn)生的壓力； cr 利用

30、拉力場時腹板的屈曲剪應(yīng)力； w 參數(shù)，按公式 (1-6) 計算。加勁肋穩(wěn)定性驗算按CB 50017 規(guī)范的規(guī)定進行，計算長度取腹板高度hw，截面取加勁肋全部和其兩側(cè)各寬度范圍內(nèi)的腹板面積，按兩端鉸接軸心受壓構(gòu)件進行計算。13 3 4變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定計算變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定按下列公式計算：式中N0 小頭的軸線壓力設(shè)計值；M1 大頭的彎矩設(shè)計值；Ae 0 小頭的有效截面面積；We 1大頭有效截面最大受壓纖維的截面模量；x 桿件軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)，按楔形柱確定其計算長度，取小頭截面的回轉(zhuǎn)半徑，由 GB 50017 規(guī)范查得； mx等效彎矩系數(shù)。由于輕型門式剛架都屬于有側(cè)移失穩(wěn)，

31、故 mx=1 0；NEx 0 參數(shù)，計算時回轉(zhuǎn)半徑i 0 以小頭截面為準。當(dāng)柱的最大彎矩不出現(xiàn)在大頭時，M1 和 we1，分別取最大彎矩和該彎矩所在截面的有效截面模量。公式 (1 23) 是在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB 50018 中雙軸對稱截面壓彎構(gòu)件平面內(nèi)整體穩(wěn)定計算公式的基礎(chǔ)上，考慮變截面壓彎構(gòu)件的受力特點，經(jīng)過適當(dāng)修正后得到的。它不同于GB 50017 規(guī)范的特點是沒有塑性發(fā)展系數(shù) x，彎矩項的放大系數(shù)也略有不同。此外由于剛架柱腹板允許發(fā)生局部屈曲并利用其屈曲后強度，故柱的截面幾何特性應(yīng)采用有效截面的幾何特性。對于變截面柱，變化截面高度的目的是為了適應(yīng)彎矩的變化，合理的截面變化方式應(yīng)

32、使兩端截面的最大應(yīng)力纖維同時達到限值。但是實際上往往是大頭截面用足，其應(yīng)力大于小頭截面，柱腳鉸接的剛架柱就是個典型的情況。因此，公式(1-23)左端第二項的彎矩Ml 和有效截面模量We1 應(yīng)以大頭為準。公式 (1-23) 的第一項源自等截面的穩(wěn)定計算。根據(jù)分析，小頭的( A) 0 小于大頭的 ( A) 1，且剛架柱的最大軸力就作用在小頭截面上，故第一項按小頭運算比按大頭運算安全。在同一個計算公式中，軸力和彎矩設(shè)計值分別取自不同的截面，似乎有些不好理解，但實際上穩(wěn)定計算是考察構(gòu)件的整體性能而非個別截面的承載能力，因此并無不妥之處，而且能可靠地反映楔形構(gòu)件的性能。13 3 5變截面柱在剛架平面內(nèi)的

33、計算長度截面高度呈線形變化的柱，在剛架平面內(nèi)的計算長度應(yīng)取為h0 = h，式中 h 為柱的幾何高度， 為計算長度系數(shù)。 可由下列三種方法之一確定，第一種方法適合于手算，主要用于柱腳鉸接的對稱剛架；第二種方法普遍適用于各種情況，并且適合上機計算；第三種方法則要求有二階分析的計算程序。(1) 查表法(a) 柱腳鉸接單跨剛架楔形柱的附 表A3.2的 系 數(shù) 乘有一定轉(zhuǎn)動約束， 可由表以1-2查得。表中系數(shù)相當(dāng)于把GB 50018 規(guī)范,0.85是考慮柱腳實際上則是將數(shù)值換算成以小頭為準。柱的線剛度K1 和梁的線剛度K2 分別按下列公式計算：表中和式中I c0、 I c1分別為柱小頭和柱大頭的截面慣性

34、矩；I b0梁最小截面的慣性矩；在圖1-9s半跨斜梁長度；斜梁換算長度系數(shù)，見圖1-9 。當(dāng)梁為等截面時 =1。中， 1 和 2 分別為第一、二楔形段的斜率，按公式(1 33) 計算。 為相連楔形段的長度比。由于剛架有側(cè)移失穩(wěn)時屋脊節(jié)點為反彎點，可把該點作為鉸接節(jié)點對待。(b) 多跨剛架的中間柱為搖擺柱時，邊柱的計算長度應(yīng)取為式中 計算長度系數(shù)，由表1-2 查得，但公式梁的坡面長度lb ，如圖 110 所示；(1-26)中的s 取與邊柱相連的一跨橫放大系數(shù)；Pli 搖擺柱承受的荷載；Pfi 邊柱承受的荷載；hli 搖擺柱高度；hfi 剛架邊柱高度。引進放大系數(shù)的原因是：當(dāng)框架趨于側(cè)移或有初始側(cè)

35、傾時，不僅框架柱上的荷載Pfi對框架起傾覆作用，搖擺柱上的荷載Pli 也同樣起傾覆作用。這就是說，圖1-10受自身荷載的不穩(wěn)定效應(yīng)外，還要加上中間搖擺柱荷載效應(yīng)。因此需要根據(jù)比值 ( Pfi hfi ) 對邊柱計算長度做出調(diào)整?？蚣苓呏?( Pli hli )搖擺柱的計算長度系數(shù)取1.0 。對于屋面坡度大于1： 5 的情況，在確定剛架柱的計算長度時應(yīng)考慮橫梁軸向力對柱剛度的不利影響。此時應(yīng)按剛架的整體彈性穩(wěn)定分析通過電算來確定變截面剛架柱的計算長度。(2)一階分析法框架有側(cè)移失穩(wěn)的臨界狀態(tài)和它的側(cè)移剛度有直接關(guān)系?？蚣苌系暮奢d使此剛度逐漸退化，荷載加到一定程度時剛度完全消失，框架隨即不能保

36、持穩(wěn)定。因此框架柱的臨界荷載或計算長度可以由側(cè)移剛度得出。K = H u算長度系數(shù)可由下列公式計算：( ) 對柱腳為鉸接和剛接的單跨對稱剛架( 圖 1 11a)式中h 剛架柱的高度公式 (1-29a)和 (1-29b) 也可用于圖1-10(b)所示屋面坡度不大于1：5 的、有搖擺柱的多跨對稱剛架的邊柱，但算得的系數(shù)還應(yīng)乘以放大系數(shù) =。搖擺柱的計算長度系數(shù)仍取 1 0。(b)中間為非搖擺柱的多跨剛架( 圖1-11b)，式中hi 、Pi 、 PE0i 分別為第i 根柱的高度、豎向荷載和以小頭為準的歐拉臨界荷載。1-30(a) 式的 0.85 已在上一節(jié)中解釋， 1-30(b) 式中的 1.2 則

37、是考慮剛接柱腳實際上達不到絲毫不轉(zhuǎn)動的要求。公式 (1-30) 也可用于單跨非對稱剛架。(3) 二階分析法當(dāng)采用計入豎向荷載- 側(cè)移效應(yīng) ( 即 P- u“效應(yīng) ) 的二階分析程序計算內(nèi)力時，如果是等截面柱，取 =1，即計算長度等于幾何長度。對于楔形柱，其計算長度系數(shù) 可由下列公式計算：式中 構(gòu)件的楔率，不大于 0 268h do 及 6 0；d0、 d1分別為柱小頭和大頭的截面高度 ( 圖 1-12) 。13 3 6變截面柱在剛架平面外的整體穩(wěn)定計算變截面柱的平面外整體穩(wěn)定應(yīng)分段按公式(1-34) 計算：式中 y軸心受壓構(gòu)件彎矩作用平面外的穩(wěn)定系數(shù)，以小頭為準，按GB 50017 規(guī)范的規(guī)定

38、采用，計算長度取側(cè)向支承點的距離。若各段線剛度差別較大，確定計算長度時可考慮各段間的相互約束；N0所計算構(gòu)件段小頭截面的軸向壓力；M1所計算構(gòu)件段大頭截面的彎矩； t 等效彎矩系數(shù)，按下列公式確定：對端彎矩為零的區(qū)段對兩端彎曲應(yīng)力基本相等的區(qū)段 t =1.0(1-36)N Ex0在剛架平面內(nèi)以小頭為準的柱參數(shù)； b均勻彎曲楔形受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)，對雙軸對稱的工字形截面桿件：A0、 h0、Wx0、t 0分別為構(gòu)件小頭的截面面積、截面高度、截面模量和受壓翼緣截面厚度； Af 受壓翼緣截面面積；i y0受壓翼緣與受壓區(qū)腹板1 3 高度組成的截面繞y 軸的回轉(zhuǎn)半徑；l 楔形構(gòu)件計算區(qū)段的平面外計算

39、長度，取支撐點間的距離。公式 (1-34) 不同于GB 50017 規(guī)范中壓彎構(gòu)件在彎矩作用平面外的穩(wěn)定計算公式之處有兩點： (1) 截面幾何特性按有效截面計算；(2) 考慮楔形柱的受力特點，軸力取小頭截面，彎矩取大頭截面。當(dāng)兩翼緣截面不相等時，應(yīng)參照CB 50017 規(guī)范中的相應(yīng)內(nèi)容在公式(1-37)中加上截面不對稱影響系數(shù)b 項。當(dāng)算得的 b 值大于0.6 時，應(yīng)按GB 50017 規(guī)范的規(guī)定查出相應(yīng)的 b 代替 b值。13 3 7斜梁和隅撐的設(shè)計(1) 斜梁的設(shè)計當(dāng)斜梁坡度不超過 1：5 時，因軸力很小可按壓彎構(gòu)件計算其強度和剛架平面外的穩(wěn)定，不計算平面內(nèi)的穩(wěn)定。實腹式剛架斜梁的平面外計

40、算長度，取側(cè)向支承點的間距。當(dāng)斜梁兩翼緣側(cè)向支承點間的距離不等時，應(yīng)取最大受壓翼緣側(cè)向支承點間的距離。斜梁不需要計算整體穩(wěn)定性的側(cè)向支承點間最大長度， 可取斜梁下翼緣寬度的倍。當(dāng)斜梁上翼緣承受集中荷載處不設(shè)橫向加勁肋時，除應(yīng)按GB 50017 規(guī)范的規(guī)定驗算腹板上邊緣正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力共同作用時的折算應(yīng)力外，尚應(yīng)滿足公式 (1-41) 的要求：式中F 上翼緣所受的集中荷載；t f 、 t w 分別為斜梁翼緣和腹板的厚度；am 參數(shù)， am 1.0 ，在斜梁負彎矩區(qū)取零；M 集中荷載作用處的彎矩；(2)We 有效截面最大受壓纖維的截面模量。隅撐設(shè)計當(dāng)實腹式剛架斜梁的下翼緣受壓時，必須在受

41、壓翼緣兩側(cè)布置隅撐在一側(cè) ) 作為斜梁的側(cè)向支承，隅撐的另一端連接在檁條上，見圖( 山墻處剛架僅布置1-13 。隅撐間距不應(yīng)大于所撐梁受壓翼緣寬度隅撐應(yīng)根據(jù)GB 50017 規(guī)范的規(guī)定按軸心面常選用單根等邊角鋼，軸向壓力按公式(1 43) 計算。的倍。受壓構(gòu)件的支撐來設(shè)計。隅撐截式中M 梁負彎矩；h 梁截面高度； 隅撐與檁條軸線的夾角。當(dāng)隅撐成對布置時，每根隅撐的計算軸壓力可取公式(1 43) 計算值的一半。需要注意的是，單面連接的單角鋼壓桿在計算其穩(wěn)定性時，不用換算長細比，而是對值乘以相應(yīng)的折減系數(shù)。13 3 8節(jié)點設(shè)計f門式剛架結(jié)構(gòu)中的節(jié)點有： 梁與柱連接節(jié)點、 梁和梁拼接節(jié)點及柱腳。 當(dāng)

42、有橋式吊車時，剛架柱上還有牛腿。(1)斜梁與柱的連接及斜梁拼接門式剛架斜梁與柱的剛接連接，一般采用高強度螺栓- 端板連接。具體構(gòu)造有端板豎放( 圖 1-14a) 、端板斜放 ( 圖 1-14b) 和端板子放 ( 圖 1-14c) 三種形式。 斜梁拼接時也可用高強度螺栓 - 端板連接，宜使端板與構(gòu)件外邊緣垂直( 圖 1-14d)。斜梁拼接應(yīng)按所受最大內(nèi)力設(shè)計。當(dāng)內(nèi)力較小時，應(yīng)按能承受不小于較小被連接截面承載力一半設(shè)計。圖 1-14 所示節(jié)點也稱為端板連接節(jié)點，都必須按照剛接節(jié)點進行設(shè)計，即在保證必要的強度的同時，提供足夠的轉(zhuǎn)動剛度。為了滿足強度需要，宜采用高強度螺栓，并應(yīng)對螺栓施加預(yù)拉力。預(yù)拉力

43、可以增強節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度。螺栓連接可以是摩擦型或承壓型的。摩擦型連接按剪力大小決定端板與柱翼緣接觸面的處理方法。當(dāng)剪力較小時，摩擦面可不做專門處理。端板螺栓應(yīng)成對地對稱布置。在受拉翼緣和受壓翼緣的內(nèi)外兩側(cè)各設(shè)一排，并宜使每個翼緣的四個螺栓的中心與翼緣的中心重合。為此，將端板伸出截面高度范圍以外形成外伸式連接 ( 圖 1-14a) ，以免螺栓群的力臂不夠大。但若把端板斜放，因斜截面高度大，受壓一側(cè)端板可不外伸 ( 圖 1_14b) 。分析研究表明，圖 1 14(a) 的外伸式連接轉(zhuǎn)動剛度可以滿足剛性節(jié)點的要求。外伸式連接在節(jié)點負彎矩作用下，可假定轉(zhuǎn)動中心位于下翼緣中心線上。如（ b）無加勁肋類端板（ c）兩邊支承類端板當(dāng)端板外伸時圖 114(a) 所示上翼緣兩側(cè)對稱設(shè)置4 個螺栓時， 每個螺栓承受下面公式表達的拉力，并依此確定螺栓直徑：式中h1梁上下翼緣中至中距離力偶M h1，的壓力由端板與柱翼緣間承壓面?zhèn)鬟f，端板從下翼緣中心伸出的寬度應(yīng)不小于式中， b 為端板寬度。為了減小力偶作用下的局部變形，有必要在梁上下翼緣中線處設(shè)柱加勁肋。有加勁肋的節(jié)點，轉(zhuǎn)動剛度比不設(shè)加勁肋者大。當(dāng)受拉翼緣兩側(cè)各設(shè)一排螺栓不能滿足承載力要求時，可以在翼緣內(nèi)側(cè)增設(shè)螺栓，如圖1-15(a) 所示。按照繞下翼緣中心A( 圖 1-14a) 的轉(zhuǎn)動保持在彈性范圍內(nèi)的原則，此第三排螺栓的拉力