鋼結構工程剛架設計

1.3.1荷載及荷載載組合1.3.2剛架的內力力和側移計計算1.3.3剛架柱和梁梁的設計1.3剛架設計永久荷載：：包括結構構構件的自重重和懸掛在在結構上的的非結構構構件的重力力荷載，如如屋面、檁檁條、支撐撐、吊頂、、墻面構件件和剛架自自重等?？勺兒奢d：：屋面活荷載載、屋面面雪荷載和和積灰荷載載吊車荷載、、地震作作用、風風荷載。1.3.1荷載及荷載載組合荷載組合原原則：屋面均布活活荷載不與與雪荷載同同時考慮，，應取兩者者中的較大大值；積灰荷載應應與雪荷載載或屋面均均布活荷載載中的較大大值同時考考慮；施工或檢修修集中荷載載不與屋面面材料或檁檁條自重以以外的其他他荷載同時時考慮；多臺吊車的的組合應符符合《荷載規(guī)范》的規(guī)定；當需要考慮慮地震作用用時，風荷荷載不與地地震作用同同時考慮。。在進行剛架架內力分析析時，荷載載效應組合合主要有：：組合（1）(用于截面強強度和構件件穩(wěn)定性計計算):，永久荷載+活載：積灰灰、max{屋面均布活活荷載，雪雪荷載}、風荷載、、吊車豎向向及水平荷荷載由可變荷載載控制的效效應設計值值：由永久荷載載控制的效效應設計值值：組合（2）（用于錨錨栓抗拉計計算）：在組合（1）中，由于于永久荷載載對錨栓抗抗拔有利，，其荷載分分項系數取取1.0，屋面活荷荷載、樓面面活荷載、、屋面積灰灰荷載等，，因其對錨錨栓抗拔有有利，亦不不考慮，風風力對錨栓栓抗拔不利利，應予考考慮，其分分項系數取取1.4。內力計算原原則：根據不同荷荷載組合下下內力分析析結果，找找出控制截截面的內力力組合，控控制截面位位置一般在在柱底、柱柱頂、柱牛牛腿連接處處及梁端、、梁跨中等等截面?？刂平孛娴牡膬攘M合合主要有：：最大軸壓力力Nmax和同時出現現的M及V的較大值。。最大彎矩Mmax和同時出現現的V及N的較大值。。最小彎矩Mmin和同時出現現的V及N的較大值。。最小軸壓力力Nmin和相應的M及V，出現在永永久荷載和和風荷載共共同作用下下，當柱腳腳鉸接時M=0。（考慮錨錨栓的抗拔拔）1.3.2剛架內力和和側移計算算側移計算原原則：變截面門式式剛架柱頂頂側移應采采用彈性分析方方法確定。計算時荷荷載取標準值，不考慮荷荷載分項系系數。側移限制值值：h/60.如果驗算剛剛架側移不滿足足要求，需采用下列列措施之一一進行調整整：放大柱或梁梁的截面尺尺寸；改鉸接柱腳腳為剛接柱柱腳；把多跨框架架中的搖擺擺柱改為上上端和梁剛剛接的節(jié)點點連接形式式。1.3.3.1梁、柱板件件的寬厚比比限值與腹板屈曲曲后強度利利用工字形截面面構件受壓壓翼緣板的的寬厚比：：工字形截面面梁、柱構構件腹板的的寬厚比：：1.3.3剛架柱和梁梁的設計腹板屈曲后后強度利用用：在進行剛架架梁、柱截截面設計時時，為了節(jié)節(jié)省鋼材，，允許腹板板發(fā)生局部部構件的屈屈曲，并利利用其屈曲曲后強度,《規(guī)程》給出了腹板板屈曲后抗抗剪強度的的計算公式式。與簡支梁的的情況不同同，門式剛剛架構件的的剪力最大大處，其彎彎曲正應力力往往也最最大，這時時翼緣板對對腹板沒有有約束作用用。當腹板板的高度變變化不超過過60mm/m時，工字形形截面的受受剪板幅的的承載力設設計值：腹板的有效效寬度：當工字形截截面梁、柱柱構件的腹腹板受彎及及受壓板幅幅利用屈曲曲后強度時時，應按有有效寬度計計算其截面面幾何特性性。當腹板全部部受壓時：：當腹板部分分受拉時，，受拉區(qū)全全部有效，，受壓區(qū)有有效寬度為為：he：腹板受壓壓區(qū)有效寬寬度；ρ：有效寬度度系數；hc:腹板受壓區(qū)區(qū)高度。1.3.3.2剛架梁、柱柱構件的強強度計算剛架內力分分析在橫向均布布荷載作用用下，剛架架彎矩圖如如下剛架彎矩圖圖剛架荷載計計算簡圖在水平風荷荷載作用下下，剛架彎彎矩圖如下下：荷載計算簡簡圖剛架彎矩圖圖輕型鋼結構構是以構件件邊緣最大大壓應力達達到鋼材屈屈服點作為為臨界狀態(tài)，，沒有考慮塑塑性發(fā)展的的影響，所所以門式剛剛架一般按按彈性理論論設計。考慮各種荷荷載組合內內力分析結結果，取出出最大荷載值值控制設計.正應力驗算算：剪應力驗算算：式中：—構件有效凈凈截面面積積；、—對主軸x和y的有效凈截截面抵抗矩矩；、—對主軸x和y的彎矩。初選截面--梁柱按壓彎彎構件進行行驗算彎矩作用平平面內：彎矩作用平平面外：當時時當時時當截面為雙雙軸對稱時時工形截面受受彎構件在在剪力V和彎矩M作用下的強強度當時時當時時當截面為雙雙軸對稱時時工形截面受受彎構件在在剪力V、彎矩M和軸力N作用下的強強度1.3.3.3梁腹板加勁勁肋的配置置梁腹板應在在中柱連接接處、較大大固定集中中荷載作用用處和翼緣緣轉折處設設置橫向加加勁肋。其其他部位是是否設置中中間加勁肋肋，根據計計算需要確確定。但《規(guī)程》規(guī)定,當利用腹板板屈曲后抗抗剪強度時時，橫向加加勁肋間距距a宜取hw～2hw。當梁腹板在在剪應力作作用下發(fā)生生屈曲后，，將以拉力力帶的方式式承受繼續(xù)續(xù)增加的剪剪力，亦即即起類似桁桁架斜腹桿桿的作用，，而橫向加加勁肋則相相當于受壓壓的桁架豎豎桿。因此此，中間橫橫向加勁肋肋除承受集集中荷載和和翼緣轉折折產生的壓壓力外，還還要承受拉拉力場產生生的壓力。。拉力場加勁肋穩(wěn)定定性驗算按按規(guī)范規(guī)定定進行，計計算長度取腹板高度度hw，截面取加加勁肋全部部和其兩側側各寬度范圍內內的腹板面面積，按兩兩端鉸接軸心受壓壓構件進行行計算。1.3.3.4變截面柱在在剛架平面面內的整體體穩(wěn)定計算算:變截面柱在在剛架平面面內的整體體穩(wěn)定按下下列公式計計算：對于變截面面柱，變化化截面高度度的目的是為了適應彎彎矩的變化化，合理的的截面變化化方式應使使兩端截面面的最大應應力纖維同同時達到限限值。但是實際上上往往是大頭頭截面用足，，其應力大于于小頭截面，，故公式左端端第二項的彎彎矩M1，和有效截面面模量We1應以大頭為準準。公式第一項源源自等截面的的穩(wěn)定計算。。根據分析，，小頭穩(wěn)定承承載力的小于于大頭，且剛剛架柱的最大大軸力就作用用在小頭截面面上，故第一一項按小頭運運算比按大頭頭運算安全。。1.3.3.5變截面柱在剛剛架平面內的的計算長度截面高度呈線線形變化的柱柱，在剛架平平面內的計算算長度應取為為，，式式中為柱柱的幾何高度度，為計計算長度系數數?？捎上铝腥N種方法確定：：查表法（適合合于手算，用用于柱腳鉸接接的對稱剛架架）一階分析法（（普遍適用于于各種情況，，并適合上機機計算)二階分析法（（要求有二階階分析的計算算程序）查表法柱腳鉸接單跨跨剛架楔形柱柱的可由由表1-2（教材p15）查得。柱的線剛度K1和梁的線剛度度K2分別按下列公公式計算：表中和式中—分別為柱小頭頭和大頭的截截面慣性矩；；—梁最小截面的的慣性矩；—半跨斜梁長度度；—斜梁換算長度度系數，見圖圖1-9。當梁為等截截面時在圖1-9中，λ1和λ分別為第一、、二楔形段的的斜率。圖1-9楔形梁在剛架架平面內的換換算長度系數數柱腳鉸接楔形形柱的計算長長度系數，，表1—2K2／Kl0.10.2O.3O.50.751.02.0≥10.00.0l0.428O.368O.3490.3310.3200.3180.3150.3100.020.6000.5020.4700.4400.4280.420O.411O.4040.03O.7290.599O.5580.5200.50l0.4920.4830.473O.050.931O.756O.6940.6440.6180.6060.5890.5800.071.075O.8730.8010.7420.7110.697O.672O.6500.101.2521.0270.9350.857O.8170.801O.7900.7390.151.5181.2351.1091.021O.965O.938O.8950.8720.201.7451.3951.2541.1401.0801.0451.0000.969多跨剛架的中中間柱為搖擺擺柱時，邊柱柱的計算長度度應取為式中——放大系數；——計算長度系數數，由表1．2查得，但公式式(1．26)中的取與與邊柱相連的的一跨橫梁的的坡面長度，，如圖1-10所示；——搖擺柱承受的的荷載；——邊柱承受的荷荷載；——搖擺柱高度；；——剛架邊柱高度度。引進放大系數數的原因是：：當框架趨于側側移或有初始始側傾時，不不僅框架柱上上的荷載Pfi對框架起傾覆覆作用，搖擺擺柱上的荷載載Pli也同樣起傾覆覆作用。這就就是說，圖1-10框架邊柱除承承受自身荷載載的不穩(wěn)定效效應外，還要要加上中間搖搖擺柱荷載效效應。因此需需要根據比值值Σ(Pli／hli)／Σ(Pfi／hfi)對邊柱計算長長度做出調整整。圖1-10計算邊柱時的的斜梁長度搖擺柱的計算算長度系數取取1.0。對于屋面坡度度大于1：5的情況，在確確定剛架柱的的計算長度時時應考慮橫梁梁軸向力對柱柱剛度的不利利影響。此時時應按剛架的的整體彈性穩(wěn)穩(wěn)定分析通過過電算來確定定變截面剛架架柱的計算長長度。框架有側移失失穩(wěn)的臨界狀狀態(tài)和它的側側移剛度有直直接關系?？蚩蚣苌系暮奢d載使此剛度逐逐漸退化，荷荷載加到一定定程度時剛度度完全消失，，框架隨即不不能保持穩(wěn)定定。因此框架架柱的臨界荷荷載或計算長長度可以由側側移剛度得出出。當剛架架利用用一階階分析析計算算程序序得出出柱頂頂水平平荷載載作用用下的的側移移剛度度K=H／u時，柱柱計算算長度度系數數可由由下列列公式式計算算：變截面面剛架架柱在在平面面內計計算長長度的的一階階分析析法對柱腳腳為鉸鉸接和和剛接接的單單跨對對稱剛剛架(圖1-11a)當柱腳腳鉸接接時當柱腳腳剛接接時中間為為非搖搖擺柱柱的多多跨剛剛架(圖1--11b)當柱腳腳鉸接接時當柱腳腳剛接接時h為剛架架柱的的高度度Ic0為柱底底截面面慣性性矩；；hi、Pi、PE0i分別為為第i根剛架架柱的的高度度、豎豎向荷荷載和和以小小頭為為準的的歐拉拉臨界界荷載載。（1-30a）（1-30b）（1-31）（1-29a）（1-29b）圖1-11一階分分析時時的柱柱頂位位移（a）單跨跨對稱稱剛架架（（b）中間間柱為為非搖搖擺柱柱的多多跨剛剛架當采用用計入入豎向向荷載載一側側移效效應(即P-u效應)的二階階分析析程序序計算算內力力時，，如果果是等等截面面柱，，取μ=1，即計計算長長度等等于幾幾何長長度。。對于于楔形形柱，，其計計算長長度系系數可可由下下列公公式計計算：：變截面面柱在在平面面內計計算長長度的的二階階分析析法式中:—構件的的楔率率；、—分別為為柱小小頭和和大頭頭的截截面高高度(圖1.12)。1.3.3.6變截面面柱在在剛架架平面面外的的整體體穩(wěn)定定計算算應分段段按公公式計計算：：公式不不同于于規(guī)范范中壓壓彎構構件在在彎矩矩作用用平面面外的的穩(wěn)定定計算算公式式之處處有兩兩點：：截面幾幾何特特性按按有效效截面面計算算；考慮楔楔形柱柱的受受力特特點，，軸力取取小頭頭截面面，彎彎矩取取大頭頭截面面。1.3.3.7斜梁和和隅撐撐的設設計斜梁的的設計計當斜梁梁坡度度不超超過1：5時，因因軸力力很小小,可按壓壓彎構構件計計算其其強度度和剛剛架平平面外外的穩(wěn)穩(wěn)定，，不計計算平平面內內的穩(wěn)穩(wěn)定。實腹式式剛架架斜梁梁的平平面外外計算算長度度，取取側向向支承承點的的間距距。當斜梁梁兩翼翼緣側側向支支承點點間的的距離離不等等時，，應取取最大大受壓壓翼緣緣側向向支承承點間間的距距離。。斜梁梁不需需要計計算整整體穩(wěn)穩(wěn)定性性的側側向支支承點點間最最大長長度，，可取取斜梁梁下翼翼緣寬寬度的的倍倍。當斜梁梁上翼翼緣承承受集集中荷荷載處處不設設橫向向加勁勁肋時時，除除應按按規(guī)范范規(guī)定定驗算算腹板板上邊邊緣正正應力力、剪剪應力力和局局部壓壓應力力共同同作用用時的的折算算應力力外，，尚應應滿足足下列列公式式的要要求：：隅撐設設計當實腹腹式剛剛架斜斜梁的的下翼翼緣受受壓時時，必必須在在受壓壓翼緣緣兩側側布置置隅撐撐(山墻處處剛架架僅布布置在在一側側)作、為為斜梁梁的側側向支支承，，隅撐撐的另另一端端連接接在檁檁條上上。隅撐間間距不不應大大于所所撐梁梁受壓壓翼緣緣寬度度的倍倍。隅撐應應根據據規(guī)范范規(guī)定定按軸軸心受受壓構構件的的支撐撐來設設計。。隅撐撐截面面選用用單根根等邊邊角鋼鋼，軸軸向壓壓力按按下式式計算算：當隅撐撐成對對布置置時，，每根根隅撐撐的計計算軸軸壓力力可取取上式式計算算值的的一半半。需要注注意的的是，，單面面連接接的單單角鋼鋼壓桿桿在計計算其其穩(wěn)定定性時時，不不用換換算長長細比比，而而是對對f值乘以以相應應的折折減系系數。。剛架橫橫梁剛剛度和和柱頂頂水平平位移移驗算算橫梁容容許撓撓度：：柱頂水水平容容許位位移：：式中、、分分別別為剛剛架橫橫梁的的跨度度和柱柱的高高度。。1.3.3.8剛架節(jié)節(jié)點設設計剛架橫橫梁與與柱拼拼裝節(jié)節(jié)點剛架橫橫梁屋屋脊拼拼裝節(jié)節(jié)點柱腳設設計牛腿設設計斜梁與與柱的的連接接及斜斜梁拼拼接斜梁與與柱的的剛接接連接接一般般采用用高強強螺栓栓－端端板連連接，，按剛剛接節(jié)節(jié)點設設計，，其形形式：：端板豎豎放端板斜斜放端板平平放斜梁拼拼接時時也可可采用用高強強度螺螺栓-端板連連接，，宜使使得端端板與與構件件的外外邊緣緣相互互垂直直。斜斜梁拼拼接應應按所所受的的最大大內力力設計計，當當內力力較小小時，，應按按能承承受不不小于于被連連接截截面承承載力力的一一半進進行設設計。。h1Me（a）端板板豎放放（b）端板板斜放放（c）端板板平放放（d）斜梁梁拼接接剛架斜斜梁與與柱的的連接接及斜斜梁間間的拼拼接高強螺螺栓計計算驗算最最不利利螺栓栓的拉拉力：：—橫梁與與柱在在連接接處傳傳遞的的彎矩矩；—最遠一一排螺螺栓至至承壓壓點的的距離離；—螺栓列列數；；—任意一一排螺螺栓至至承壓壓點的的距離離；—一個螺螺栓所所能承承受的的抗拉拉容許許承載載力。。分析研研究表表明，，外伸伸式連連接轉轉動剛剛度可可以滿滿足剛剛性節(jié)節(jié)點的的要求求。外伸式式連接接在節(jié)節(jié)點負負彎矩矩作用用下，，可假假定轉轉動中中心位位于下下翼緣緣中心心線上上。上翼緣緣兩側側對稱稱設置置4個螺栓栓時，，每個個螺栓栓承受受下面面公式式表達達的拉拉力，，并依依此確確定螺螺栓直直徑：：當受拉拉翼緣緣兩側側各設設一排排螺栓栓不能能滿足足承載載力要要求時時，可可以在在翼緣緣內側側增設設螺栓栓。螺栓排排列應應符合合構造造要求求，下下圖的的，，應應滿足足扣緊緊螺栓栓所用用工具具的凈凈空要要求，，通常常不小小于35mm，螺栓栓端距距不應應小于于2倍螺栓栓孔徑徑，兩兩排螺螺栓之之間的的最小小距離離為3倍螺栓栓直徑徑，最最大距距離不不應超超過400mm。端板的的厚度度t可根據據支承承條件件按下下列公公式計計算，，但不不應小小于16mm，和梁梁端板板相連連的柱柱翼緣緣部分分應與與端板板等厚厚度。。(a)伸臂類類端板板(b)無加勁勁肋類類端板板(c)兩邊支支承類類端板板當端板板外伸伸時當端板板平齊齊時(d)三邊支支承類類端板板在門式式剛架架斜梁梁與柱柱相交交的節(jié)節(jié)點域域，應應按下下列公公式驗驗算剪剪應力力：剛架構構件的的翼緣與與端板板的連連接應應采用用全熔熔透對對接焊焊縫，腹板與與端板板的連連接應應采用用角焊焊縫。在端端板設設置螺螺栓處處，應應按下下列公公式驗驗算構構件腹腹板的的強度度：當時時，，當時時，，節(jié)點構構造設設計節(jié)點有有加腋腋與不不加腋腋兩種種基本本形式式。在在加腋腋形式式中又又有梯梯形加加腋與與曲線線加腋腋之分分，一一般采采用梯形加加腋并在加加腋部部分的的兩端端設置置加勁肋肋及側向支支撐，以保保證該該加腋腋部分分的穩(wěn)穩(wěn)定性性，防防止側側向壓壓屈。。加腋腋連接接可使使截面面的變變化符符合彎彎矩圖圖形的的要求求，并并大大大提高高了剛剛架的的承載載能力力。下下圖為為加腋腋節(jié)點點圖。。橫梁屋脊拼裝節(jié)點圖柱腳設設計根據受受力要要求，，柱腳腳分剛剛接柱柱腳和和鉸接接柱腳腳兩類類，當當吊車車起重重量≥≥5噸時應應考慮慮設置置剛性性柱腳腳。本工程程實例例：吊吊車噸噸位20噸，柱柱腳形形式為為剛接接柱腳腳，主主要用用來傳傳遞吊吊車荷荷載、、風荷荷載和和結構構自重重。柱腳形形式平板式式鉸接接柱腳腳剛接柱柱腳一般情情況當有橋橋式吊吊車或或剛架架側向向剛度度過弱弱時平板式式鉸接柱柱腳剛接柱柱腳柱腳的的計算算一、底底板的的計算算1、底板板的平平面尺尺寸底板面面積：：式中—柱軸心心壓力力設計計值；；—基礎混混凝土土軸心心抗壓壓強度度設計計值；；—錨栓孔孔面積積。按構造造要求求確定定底板板寬度度：式中—柱截面面寬度度或高高度；；—靴梁厚厚度；；—底板懸懸臂長長度。。再根據據底板板面積積確定定底板板長度度。2、底板板的厚厚度底板的的厚度度決定定于板板的抗抗彎強強度。。式中：：為底板板承受受的最最大彎彎矩值值。柱腳錨錨栓應應采用用Q235或Q345鋼材制制作。。錨栓栓的錨錨固長長度應應符合合現行行國家家標準準《建筑地地基基基礎設設計規(guī)規(guī)范》(GB50007--2002)的規(guī)定定，錨錨栓端端部按按規(guī)定定設置置彎鉤鉤或