鋼結構選型與輔助設計門式剛架

鋼結構選型與輔助設計門式剛架第1頁/共31頁§2.1輕鋼門式剛架結構選型分析一、輕鋼門式剛架結構的特點剛架結構通常是指由直線形桿件（梁和柱）通過剛性節(jié)點連接起來的結構。建筑工程中習慣把梁與柱之間為鉸接的單層結構稱為排架，多層多跨的剛架結構則常稱為框架。本章討論的是單層剛架，因單層單跨剛架“門”字型的外形之故，習慣上稱為門式剛架。單層剛架為梁柱合一的結構，桿件較少，結構內部空間較大，便于利用。而且剛架一般由直桿組成，制作方便，彎矩峰值小于排架。但與拱結構相比，剛架仍然屬于以受彎為主的結構，材料強度不能充分發(fā)揮作用，這就造成了剛架結構自重較大，適用跨度受到限制。第2頁/共31頁門式剛架可以分為：無鉸剛架、兩鉸剛架和三鉸剛架等三種形式

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無鉸門式剛架的柱腳與基礎固接，為三次超靜定結構，剛度好，結構內力分布比較均勻，但柱底彎矩比較大，對基礎和地基的要求較高。由于其超靜定次數(shù)高，結構剛度較大，當?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時，將在結構內產生附加內力，所以在地基條件較差時需慎用。兩鉸門式剛架的柱腳與基礎鉸接，為一次超靜定結構，在豎向荷載或水平向荷載作用下，剛架內彎矩均比無鉸門式剛架大。當基礎有轉角時，對結構內力沒有影響。但當兩柱腳發(fā)生不均勻沉降時，則將在結構內產生附加內力。三鉸門式剛架在屋脊處設置永久性鉸，柱腳也是鉸接，為靜定結構，溫度差、地基的變形或基礎的不均勻沉降對結構內力沒有影響。三鉸和兩鉸門式剛架材料用量相差不多，但三鉸剛架的梁柱節(jié)點彎矩略大，剛度較差，不適合用于有橋式吊車的廠房，僅用于無吊車或小噸位懸掛吊車的建筑。第4頁/共31頁單跨單坡單跨雙坡多跨（中間搖擺柱）高底跨雙坡雙跨門式剛架的各種結構形式多跨（梁柱剛結）四坡雙跨搖擺柱第5頁/共31頁門式剛架的高跨比、梁柱線剛度比、溫度變化、支座移動等均是影響門式剛架結構內力的因素，門式剛架結構選型時應合理加以考慮。剛架結構在豎向荷載或水平荷載作用下的內力分布不僅與約束條件有關，而且還與梁柱線剛度比有關。門式剛架的高度與跨度之比，決定了剛架的基本形式，也直接影響結構的受力狀態(tài)。剛架高度的減小將使支座處水平推力增大。從改善基礎受力的角度考慮，門式剛架的高度與跨度之比不宜取得過小.溫度變化對靜定結構的三鉸剛架沒有影響，但在無鉸剛架、兩鉸剛架這樣的超靜定結構中將產生附加內力。內力的大小與結構的剛度有關，剛度越大，內力越大。第6頁/共31頁二、輕鋼門式剛架結構的適用范圍輕型廠房、物流中心、大型超市、體育館、展覽廳、活動房屋、加層建筑等。第7頁/共31頁單層廠房多層工業(yè)廠房2.工業(yè)廠房金陵石化總廠第8頁/共31頁第9頁/共31頁鋼剛架結構可分為實腹式和格構式兩種。實腹式剛架適用于跨度不很大的結構，常做成兩鉸式結構。當為兩鉸或三鉸剛架時，構件應為變截面，一般是改變截面的高度使之適應彎矩圖的變化。實腹式剛架的橫梁高度一般可取跨度的1／6～1／20，當跨度大時梁高顯然太大，為充分發(fā)揮材料作用，可在支座水平面內設置拉桿，并施加預應力對剛架橫梁產生卸荷力矩及反拱，如圖所示。這時橫梁高度可取跨度的1／30～l／40，并由拉桿承擔了剛架支座處的橫向推力，對支座和基礎都有利。三、輕鋼門式剛架結構第10頁/共31頁在剛架結構的梁柱連接轉角處，由于彎矩較大，且應力集中，材料處于復雜應力狀態(tài)，應特別注意受壓翼緣的平面外穩(wěn)定和腹板的局部穩(wěn)定。一般可做成圓弧過渡并設置必要的加勁肋，如圖所示。三、輕鋼門式剛架結構第11頁/共31頁格構式剛架結構的適用范圍較大，且具有剛度大、耗鋼省等優(yōu)點。當跨度較小時可采用三鉸式結構，當跨度較大時可采用兩鉸式或無鉸結構，如圖6.12所示。格構式剛架的梁高可取跨度的1／15～1／20，為了節(jié)省材料，增加剛度，減輕基礎負擔，也可施加預應力，以調整結構中的內力。預應力拉桿可布置在支座鉸的平面內，也可布置在剛架橫梁內僅對橫梁施加預應力，也可對整個剛架結構施加預應力，如圖6.13所示。

三、輕鋼門式剛架結構第12頁/共31頁單層剛架結構的外形可分為平頂、坡頂或拱頂，可以為單跨、雙跨或多跨連續(xù)。它可以根據(jù)通風、采光的需要設置天窗、通風屋脊和采光帶。剛架橫梁的坡度主要由屋面材料及排水要求確定。由于剛架總體仍屬受彎結構，其材料未能發(fā)揮作用，結構自重仍較重，跨度也受到限制。鋼筋混凝土門架在跨度≤18m(無吊車者可適當大些)，柱高H≤10m，吊車起重量Q≤100kN情況下，比排架結構經濟。目前我國6m、15m、18m門架已有國家標準圖。鋼筋混凝土門架跨度最大約30m，預應力混凝土門架跨度可達40～50m，鋼門架跨度可達75m。單層剛架結構的布置是十分靈活的，它可以是平行布置、輻射狀布置或以其他的方式排列，形成風格多變的建筑造型。四、輕鋼門式剛架的結構布置第13頁/共31頁

一般情況下，矩形平面建筑都采用等間距、等跨度的平行剛架布置方案。與桁架相比，由于門架彎矩小，梁柱截面的高度小，且不像桁架有水平下弦，故顯得輕巧、凈空高、內部空間大，利于使用。如沈陽民用客機維修車間，38m跨鋼筋混凝土雙鉸門架跨中升高、造型與機型適應，可充分利用內部空間，適合使用需要。若將門架橫梁外露于室外，則更利于室內靈活布置。四、輕鋼門式剛架的結構布置第14頁/共31頁第15頁/共31頁

對一些大型復雜建筑，有時也可采用門式剛架與其他結構或構件形成主次結構布置方案。在進行結構總體布置時，平面剛架的側向穩(wěn)定是值得重視的問題，應加強結構的整體性，保證結構縱橫兩個方向的剛度。一般情況下，矩形平面建筑都采用等間距、等跨度的平行剛架布置方案。剛架結構為平面受力體系，當多榀剛架平行布置時，在結構縱向實際上為幾何可變的鉸接四邊形結構。因此，為保證結構的整體穩(wěn)定性，應在縱向柱間布置連系梁及柱間支撐，同時在橫梁的頂面設置上弦橫向水平支撐，柱問支撐和橫梁上弦橫向水平支撐宜設置在同一開間內，如圖。四、輕鋼門式剛架的結構布置第16頁/共31頁第17頁/共31頁四、輕鋼門式剛架的結構布置結構選型時要綜合考慮建筑的結構形式、功能要求和經濟指標，進行多方案的比較。例：飛機修理車間，飛機機身長24m，機翼寬32m，尾翼高8.1m，螺旋槳高5.1m，機翼離地3m。

（a）屋架方案空間浪費(b)懸索方案小跨度不經濟(c)剛架方案第18頁/共31頁

實腹式門式剛架，一般在梁柱交接處及跨中屋脊處設置安裝拼接單元，用螺栓連接。拼接節(jié)點處，有加腋與不加腋兩種。如圖。五、輕鋼門式剛架的節(jié)點連接構造第19頁/共31頁

格構式剛架的安裝節(jié)點，宜設在轉角節(jié)點的范圍以外接近于彎矩為零處，如圖6.18(a)所示。如有可能，在轉角范圍內作成實腹式并設加勁桿，內側弦桿則做成曲線過渡較為可靠，如圖6.18所示。五、輕鋼門式剛架的節(jié)點連接構造第20頁/共31頁

剛架鉸節(jié)點包括三鉸或雙鉸剛架中橫梁屋脊處的頂鉸及柱腳處的支座鉸。鉸節(jié)點的構造，應滿足力學中的理想鉸的受力要求，即應保證節(jié)點能傳遞豎向壓力及水平推力，但不能傳遞彎矩。鉸節(jié)點既要有足夠的轉動能力，但又要構造簡單，施工方便。格構式剛架應把鉸接點附近部分的截面改為實腹式，并設置適當?shù)募觿爬撸员憧煽康貍鬟f較大的集中作用力。常見的剛架頂鉸節(jié)點構造如圖

五、輕鋼門式剛架的節(jié)點連接構造第21頁/共31頁鋼剛架結構支座鉸的形式如圖6.20所示。當支座反力不大時，宜設計成板式鉸；當支座反力較大時，應設計成臼式鉸或平衡鉸。臼式鉸和平衡鉸的構造比較復雜，但受力性能好。

五、輕鋼門式剛架的節(jié)點連接構造第22頁/共31頁

輕型鋼結構主要指承重結構和圍護結構都是薄鋼板組成的(一般鋼板厚度小于16mm)，目前主要有門式剛架(變斷面和等斷面)，冷彎薄壁型鋼結構體系、多層框架結構體系、拱形波紋屋頂(也稱為波紋折皺薄壁鋼拱殼屋頂)。輕型門式剛架的柱子和橫梁采用交斷面式等斷面工字形鋼構件，采用冷彎薄壁型鋼的C形或Z形檁條和墻梁，屋面板采用壓型鋼板加保溫材料或者是夾芯板。六、輕鋼結構廠房簡介1輕型鋼結構廠房的基本組成

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輕型鋼結構的最大特征在于“輕”。主要體現(xiàn)在：構件自重輕，在圍護系統(tǒng)和屋面系統(tǒng)中大面積地采用了輕質新型材料，降低了建筑工程自重，減少基礎的面積和深度，很好地適應軟土地基；由于采用大柱網(wǎng)，空間布置靈活，用鋼量低；大幅度降低工程造價，綜合效益好。例如，一般鋼筋砼排架結構廠房，其上部結構單位面積造價約為750元／m2，而采用輕型鋼結構，約為450元／m2(單層壓型鋼板屋面)和600元／m2(雙層保溫壓型鋼板屋面)。輕型鋼結構的建筑功能較強，由于屋面與圍護墻體材料選用的是熱噴涂鍍鋅彩色鋼板，不但色彩美觀，還具有防腐、防銹等功能，通常15～20年不會脫色。若選用有隔熱隔音效果和阻燃性的彩鋼夾芯復合板，可適用于氣候炎熱和嚴寒地區(qū)的建筑。輕型鋼結構的另一特征是施工速度快。輕型鋼結構大多構件在工廠預制，現(xiàn)場安裝，完全采用工廠化、標準化生產方式，工程一旦上馬，施工進度非?？臁Ｇ覄趧訌姸鹊?，機具簡單。面積數(shù)萬平方米的輕鋼結構工業(yè)廠房，只要數(shù)月時間便可完工，日后如遇改建還可以拆卸和重復使用，并且結構具有良好的抗震性能。

提醒注意的是，輕型鋼結構屋面對柱頭會產生彎矩及水平推力，在圍護結構材料的選用和基礎設計時要予以注意。

第24頁/共31頁六、輕鋼結構廠房簡介2輕型鋼結構廠房的實例

第25頁/共31頁正在建設的門式剛架工程實例山墻抗風