輕型門式剛架設計含設計方法與流程

1、第1章 輕型門式剛架結構11 概 述111 單層門式剛架結構的組成如圖11所示，單層門式剛架結構是指以輕型焊接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成的實腹式門式剛架或格構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設置支撐的一種輕型房屋結構體系。 在目前的工程實踐中，門式剛架的梁、柱構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，多跨者大多剛接和鉸接并用。柱腳可與基礎剛接或鉸接。圍護

2、結構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。112 單層門式剛架結構的特點 單層門式剛架結構和鋼筋混凝土結構相比具：有以下特點： (1)質(zhì)量輕 圍護結構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重結構的用鋼量一般為1030kgm2；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構的120130。 由于單層門式剛架結構的質(zhì)量輕，地基的處理費用相對較低，基礎也可以做得比較小。同時在相同地震烈度下門式剛架結構的地震反應小，一般情

3、況下，地震作用參與的內(nèi)力組合對剛架梁、柱桿件的設計不起控制作用。但是風荷載對門式剛架結構構件的受力影響較大，風荷載產(chǎn)生的吸力可能會使屋面金屬壓型板、檁條的受力反向，當風荷載較大或房屋較高時，風荷載可能是剛架設計的控制荷載。 (2)工業(yè)化程度高，施工周期短 門式剛架結構的主要構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，但必須注意設計為剛性連接的節(jié)點，應具有足夠的轉動剛度。 (3)綜合經(jīng)濟效益高 門式剛架結構由于材料價格的原因其造價雖然比鋼筋混凝土結構等其他結構形式略高，

4、但由于采用了計算機輔助設計，設計周期短；構件采用先進自動化設備制造；原材料的種類較少，易于籌措，便于運輸；所以門式剛架結構的工程周期短，資金回報快，投資效益高。 (4)柱網(wǎng)布置比較靈活 傳統(tǒng)的結構形式由于受屋面板、墻板尺寸的限制，柱距多為6m，當采用 12m柱距時，需設置托架及墻架柱。而門式剛架結構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。 門式剛架結構除上述特點外，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成，很輕便。 門式剛架的梁、柱多采用變截面桿

5、，可以節(jié)省材料。圖12所示剛架，柱為楔形構件，梁則由多段楔形桿組成。梁、柱腹板在設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，因此塑性設計不再適用。使門式剛架結構輕型化的措施還有：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動約束，利用屋面板的蒙皮效應和適當放寬柱頂側移的限值等。設計中對輕型化帶來的后果必須注意和正確處理。風力可使輕型屋面的荷載反向，就是一例。 組成構件的桿件較薄，對制作、涂裝、運輸、安裝的要求高。在門式剛架結構中，焊接構件中板的最

6、小厚度為30mm；冷彎薄壁型鋼構件中板的最小厚度為 15,nm；壓型鋼板的最小厚度為04mm。板件的寬厚比大，使得構件在外力撞擊下容易發(fā)生局部變形。同時，銹蝕對構件截面削弱帶來的后果更為嚴重。 構件的抗彎剛度、抗扭剛度比較小，結構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，防止構件發(fā)生彎曲和扭轉變形。同時，要重視支撐體系和隅撐的布置，重視屋面板、墻面板與構件的連接構造，使其能參與結構的整體工作(蒙皮效應)。113 門式剛架結構的應用情況 門式剛架輕型房屋結構在我國的應用大約始于20世紀80年代初期。近十多年來特別是中國工程建設標準化協(xié)會編制的門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程(C

7、ECSl02：98) (以下簡稱規(guī)程)頒布實行后，其應用得到了迅速的發(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。國外也有大量鋼結構制造商進入中國，加上國內(nèi)幾百家的輕鋼結構專業(yè)公司和制造廠，市場競爭也日趨激烈。12 結構形式和結構布置121 門式剛架的結構形式 門式剛架又稱山形門式剛架。其結構形式按跨度可分為單跨(圖1-30a、b)、雙跨(圖1-3e、f、g、i)和多跨(圖13c、d)，按屋面坡脊數(shù)可分為單脊單坡 (圖12a)、單脊雙坡(圖l-3b、c、d、g、h)、多脊多坡(圖1-3e、f、i

8、）。 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，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 13f)這一問題更為嚴重，在實際工程中應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，當剛架柱不是特別高且風荷載也不很大時，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造簡單，而且制作和安裝都省工。這些柱不參與抵抗側力，截面也比較小。但是在設有橋式吊車的房屋時，中柱宜為兩端剛接(圖13d)，以增加剛架的側向剛度。中柱用搖擺柱的方案體現(xiàn)“材料集中使

9、用”的原則。邊柱和梁形成剛架，承擔全部抗側力的任務(包括傳遞水平荷載和防止門架側移失穩(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。設有橋式吊車時，柱宜采用等截面構件。變截面構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。結構構件在運輸單元內(nèi)一般不改變翼緣截面，當必要時可改變翼緣厚度。 門式剛架的柱腳多按鉸接支承設計，通常為平板支座，設一對或兩對地腳螺栓。當用于工業(yè)廠房且有橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接。 門式剛架輕型房屋屋面坡度宜取120-18，在雨水較

10、多的地區(qū)取其中的較大值。 門式剛架可由多個梁、柱單元構件組成，柱一般為單獨單元構件，斜梁可根據(jù)運輸條件劃分為若干個單元。單元構件本身采用焊接，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、中級工作制單梁或雙梁橋式吊車。122 結 構 布 置 1221 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936m，宜以3m為模數(shù)，但也可不受模數(shù)限制。當邊柱寬度不等時，其外側應對齊。門式剛架的高度應取地坪柱軸線與斜梁軸線交點的高度，宜取459m，必要時可適當放大。門式剛架的高度應根據(jù)使用要求的室內(nèi)凈高確定，有吊車的廠房應根

11、據(jù)軌頂標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、75m、或9m。 挑檐長度可根據(jù)使用要求確定，宜為0.51.2m，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件和圍護結構，通常剛度不大，溫度應力相對較小。因此其溫度分區(qū)與傳統(tǒng)結構形式相比可以適當放寬，但應符合下列規(guī)定： 縱向溫度區(qū)段<300m； 橫向溫度區(qū)段<150m； 當有計算依據(jù)時，溫度區(qū)段可適當放大。 當房屋的平面

12、尺寸超過上述規(guī)定時，需設置伸縮縫，伸縮縫可采用兩種做法：(a)設置雙柱；(b)在搭接檁條的螺栓處采用長圓孔，并使該處屋面板在構造上允許漲縮。 對有吊車的廠房，當設置雙柱形式的縱向伸縮縫時，伸縮縫兩側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。 1222 檁條和墻梁的布置 屋面檁條一般應等間距布置。但在屋脊處，應沿屋脊兩側各布置一道檁條，使得屋面板的外伸寬度不要太長(一般小于<200mm)，在天溝附近應布置一道檁條，以便于天溝的固定。確定檁條間距時，應綜合考慮天窗、通風屋脊、采光帶、屋面材料、檁條規(guī)格等因素按計算確定。 側墻墻梁的布置，應考慮

13、設置門窗、挑檐、遮雨篷等構件和圍護材料的要求。當采用壓型鋼板作圍護面時，墻梁宜布置在剛架柱的外側，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。 1223 支撐和剛性系桿的布置 支撐和剛性系桿的布置應符合下列規(guī)定： (1)在每個溫度區(qū)段或分期建設的區(qū)段中，應分別設置能獨立構成空間穩(wěn)定結構的支撐體系。 (2)在設置柱間支撐的開間，應同時設置屋蓋橫向支撐，以構成幾何不變體系。 (3)端部支撐宜設在溫度區(qū)段端部的第_或第二個開間。柱間支撐的間距應根據(jù)房屋縱向受力情況及安裝條件確定，一般取3045m；有吊車時不宜大于 60m。 (4)當房屋高度較大時，柱間支撐應分層設置；當房屋寬度大于60m時

14、，內(nèi)柱列宜適當設置支撐。 (5)當端部支撐設在端部第二個開間時，在第一個開間的相應位置應設置剛性系桿。 (6)在剛架轉折處(邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂)應沿房屋全長設置剛性系桿。 (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，此時檁條應滿足壓彎構件的承載力和剛度要求，當不滿足時可在剛架斜梁間設置鋼管、H形鋼或其他截面形式的桿件。 門式剛架輕型房屋鋼結構的支撐宜用十字交叉圓鋼支撐，圓鋼與相連構件的夾角宜接近45°，不超出30°60°。圓鋼應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

15、。在設有起重量大于15t橋式吊車的跨間，柱間支撐應參照第2章2113節(jié)的要求設置。 當房屋內(nèi)設有不小于5t的吊車時，柱間支撐宜用型鋼支撐。當房屋中不允許設置柱間支撐時，應設置縱向剛架。 支撐雖然不是主要承重構件，在房屋結構中卻是不可或缺的，柱間支撐和屋蓋支撐的作用和形式在第2章的213節(jié)還有詳盡的論述。13 剛 架 設 計131 荷載及荷載組合 設計門式剛架結構所涉及的荷載，包括永久荷載和可變荷載，除現(xiàn)行規(guī)程(CECSl02：2002)有專門規(guī)定者外，一律按現(xiàn)行國家標準建筑結構荷載規(guī)范GB 500092002(以下簡稱荷載規(guī)范)采用。 131.1 永久荷載 永久荷載包括結構構件的自重和懸掛在結

16、構上的非結構構件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構件和剛架自身等。 1312 可變荷載 (1)屋面活荷載 當采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面豎向均布活荷載的標準值(按水平投影面積計算)應取05kNm2；對受荷水平投影面積超過60m2的剛架結構，計算時采用的豎向均布活荷載標準值可取03kNm2。設計屋面板和檁條時應考慮施工和檢修集中荷載(人和小工具的重力)，其標準值為1kN。 (2)屋面雪荷載和積灰荷載 屋面雪荷載和積灰荷載的標準值應按荷載規(guī)范的規(guī)定采用，設計屋面板、檁條時并應考慮在屋面天溝、陰角、天窗擋風板內(nèi)和高低跨連接處等的荷載增大系數(shù)或不均勻分布系數(shù)。 (3)吊車荷載 包括豎向荷載和

17、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)行國家標準建筑抗震設計規(guī)范GB 500112001的規(guī)定計算。 (5)風荷載：按規(guī)程附錄A的規(guī)定，垂直于建筑物表面的風荷載可按下列公式計算： (11)式中 wk風荷載標準值(kNm2)； w0基本風壓，按照荷載規(guī)范的規(guī)定采用； z風荷載高度變化系數(shù)，按照荷載規(guī)范的規(guī)定采用，當高度小于10m時，應按10m高度處的數(shù)值采用； s風荷載體型系數(shù)。剛架的風荷載體型系數(shù)s按照表1-1及圖1-4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

18、中正號(壓力)表示風力由外朝向表面；負號(吸力)表示風力自表面向外離開，下同； (2)屋面以卜的周邊伸出部位，對1區(qū)和5區(qū)可取+13，對4區(qū)和6區(qū)可取-13，這些系數(shù)包 括了迎風面和背風面的影響； (3)當端部柱距不小于端區(qū)寬度時，端區(qū)風荷載超過中間區(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)中的相關內(nèi)容給出的。它包含了陣風的影響，同時考慮內(nèi)外風壓最大值的組合，較荷載規(guī)范的規(guī)定詳細、合理。對多脊多坡屋面的風荷載體型系數(shù)，MBM

19、A手冊中沒有給出，規(guī)程規(guī)定仍按現(xiàn)行國家標準荷載規(guī)范的有關條文采用。 1313 荷載組合效應 荷載效應的組合一般應頃從荷載規(guī)范的規(guī)定。針對門式剛架的特點，規(guī)程給出下列組合原則： (1)屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應取兩者中的較大值； (2)積灰荷載應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)多臺吊車的組合應符合荷載規(guī)范的規(guī)定； (5)當需要考慮地震作用時，風荷載不與地震作用同時考慮。 在進行剛架內(nèi)力分析時，所需考慮的荷載效應組合主要有： (1)12x永久荷載+09x14x 積灰荷載+max屋面均布活荷載、雪荷

20、載 +09x14x (風荷載+吊車豎向及水平荷載)； (2)10x永久荷載+14x風荷載 組合(1)用于截面強度和構件穩(wěn)定性計算。在進行效應疊加時，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的同時略去豎向荷載效應。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。當為多跨有吊車框架時，在組合(2)中還應考慮鄰跨吊車水平力的作用。由于門式剛架結構的自重較輕，地震作用產(chǎn)生的荷載效應一般較小。設計經(jīng)驗表明：當抗震設防烈度為7度而風荷載標準值大于0.35kNm2，或抗震設防烈度為8度而風荷載標準值大于0.45kNm2時，地震作用的組合般不起控制作用

21、。132 剛架的內(nèi)力和側移計算 1321 內(nèi)力計算 對于變截面門式剛架，應采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力，只有當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，通常把剛架當作平面結構對待，一般不考慮蒙皮效應，只是把它當作安全儲備。當有必要且有條件時，可考慮屋面板的應力蒙皮效應。蒙皮效應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)橫向剪力的腹板，其邊緣構件可視為翼緣，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]應力蒙皮效應可以提高剛架結構的整體剛度和承載力，但對壓型鋼板的連接有較高

22、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、柱構件分為若干段，每段的幾何特性當作常量，也可采用楔形單元。地震作用的效應可采用底部剪力法分析確定。當需要手算校核時，可采用一般結構力學方法(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、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

23、。以上是針對截面雙軸對稱的構件而言的。如果是單軸對稱截面，則需要區(qū)分正、負彎矩，參看第2章節(jié)。 鑒于輕型門式剛架自重很輕，錨栓在強風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和相應的M及V，出現(xiàn)在永久荷載和風荷載共同作用下，當柱腳鉸接時M =0。 .2 側移計算 變截面門式剛架的柱頂側移應采用彈性分析方法確定。計算時荷載取標準值，不考慮荷載分項系數(shù)。側移計算可以和內(nèi)力分析樣在計算機上進行。規(guī)程給出柱頂側移的簡化公式，可以在初選構件截面時估算側移剛度，以免因剛度不足而需要重新調(diào)整構件截面。 單層門式剛架在風荷載標準值作用下的柱頂側移限值參見本教材上冊鋼結構基礎第

24、6章的有關內(nèi)容。它雖然不涉及安全承載，卻是不可忽視的設計指標。規(guī)程在2002年修訂后，柱頂位移的計算限值放寬為不超過h60，已經(jīng)相當寬松。 如果最后驗算時剛架的側移不滿足要求，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。 剛架柱和梁的設計 .1 梁、柱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)：工字形截面構件受壓翼緣板的寬厚比限值：工字形截面梁、柱構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、tw腹板的高度與厚度。 (2)腹板屈曲后強度利用 在進行

25、剛架梁、柱構件的截面設計時，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。門式剛架的構件剪應力最大處往往彎曲正應力也最大，翼緣對腹板沒有約束作用，因而計算公式不同于GB 50017。 工字形截面構件腹板的受剪板幅，當腹板的高度變化不超過60mmm時，其抗剪承載力設計值可按下列公式計算：式中fv 鋼材的抗剪強度設計值； fv 腹板屈曲后抗剪強度設計值； 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

26、純剪切荷載作用下的屈曲系數(shù)。當不設中間加勁肋時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，計算結果屬于下限。當腹板高度變化超過60mmm時，公式(1-5)不再適用。 (3)腹板的有效寬度 當工字形截面梁、柱構件的腹板受彎及受壓板幅利用屈曲后強度時，應按有效寬度計算其截面幾何特性。有效寬度取為： 當腹板全部受壓時 he =hw (1-8a) 當腹板部分受拉時，受拉區(qū)全部有效，受壓區(qū)有效寬度為 he =hc (1-8b)式中 he腹板受壓區(qū)有效寬度； 有效寬度系數(shù)，按下列公式進行計算： 當08時 =1 (1-9a) 當08<12時 =1-0

27、9(-08) (1-9b) 當>12時 =064-024(-12) (1-9c)式中 與板件受彎、受壓有關的參數(shù)，按公式(110)計算。式中 板件在正應力作用下的屈曲系數(shù)。 =2l為腹板邊緣正應力比值，以壓為正，拉為負，1-1； 當腹板邊緣最大應力1<f時，計算時可用R1代替(1- 10)式中的fy，R為抗力分項系數(shù)，對Q235鋼材，R =1.087；對 Q345鋼材，R =1.111。為簡單起見，可統(tǒng)一取R =1.1。 根據(jù)公式(1-8)和(1-9)算得的腹板有效寬度he，沿腹板高度按下列規(guī)則分布(圖1-7)：當腹板全截面受壓，即>0時2he/(5-) he2=he-hel

28、 (1-12)當腹板部分截面受拉，即<0時he1=0.4he (1-13)he2=0.6he (1-14).2 剛架梁、柱構件的強度計算 (1)工字形截面受彎構件在剪力V和彎矩M共同作用下的強度應符合下列要求： 當V 0.5Vd時 M Me (115a) 當0.5Vd < V Vd時 當截面為雙軸對稱時Mf = Af(hw+t)f (1-16) 式中 Mf兩翼緣所承擔的彎矩； We構件有效截面最大受壓纖維的截面模量； Me構件有效截面所承擔的彎矩，Me=Wef； Af構件翼緣的截面面積； Vd腹板抗剪承載力設計值，按公式(1-4)計算。(2)工字形截面受彎構件在剪力V、彎矩M和軸力

29、N共同作用下的強度應符合下列要求： 式中 Ae 有效截面面積； MNf 兼承壓力時兩翼緣所能承受的彎矩。 .3 梁腹板加勁肋的配置梁腹板應在中柱連接處、較大固定集中荷載作用處和翼緣轉折處設置橫向加勁肋。其他部位是否設置中間加勁肋，根據(jù)計算需要確定。但規(guī)程規(guī)定，當利用腹板屈曲后抗剪強度時，橫向加勁肋間距宜取hw2hw。當梁腹板在剪應力作用下發(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

30、； cr利用拉力場時腹板的屈曲剪應力； 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各 寬度范圍內(nèi)的腹板面積，按兩端鉸接軸心受壓構件進行計算。 1334 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小頭的軸線壓力設計值； M1大頭的彎矩設計值； Ae0小頭的有效截面面積； We1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移失穩(wěn)

31、，故mx=10； NEx0參數(shù)，計算時回轉半徑i0以小頭截面為準。 當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(123)是在冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范GB 50018中雙軸對稱截面壓彎構件平面內(nèi)整體穩(wěn)定計算公式的基礎上，考慮變截面壓彎構件的受力特點，經(jīng)過適當修正后得到的。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彎矩的變化，合理的截面變化方式應使兩端截面的最大應

32、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件的性能。 1335 變截面柱在剛架平面內(nèi)的計算長度 截面高度呈線形變化的柱

33、，在剛架平面內(nèi)的計算長度應取為h0=h，式中h為柱的幾何高度，為計算長度系數(shù)?？捎上铝腥N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可由表1-2查得。表中系數(shù)相當于把GB 50018規(guī)范附表A3.2的系數(shù)乘以 ,0.85是考慮柱腳實際上有一定轉動約束， 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 Ic0、Ic1分別為柱小頭和柱大頭的截面慣性矩； Ib0梁最小截面的慣性矩； s半跨斜梁長度； 斜梁換

34、算長度系數(shù)，見圖1-9。當梁為等截面時=1。在圖1-9中，1和2分別為第一、二楔形段的斜率，按公式(133)計算。為相連楔形段的長度比。由于剛架有側移失穩(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，邊柱的計算長度應取為式中 計算長度系數(shù)，由表1-2查得，但公式(1-26)中的s取與邊柱相連的一跨橫梁的坡面長度lb，如圖110所示；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：當框架趨于側移或有初始側傾時，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

35、。這就是說，圖1-10框架邊柱除承受自身荷載的不穩(wěn)定效應外，還要加上中間搖擺柱荷載效應。因此需要根據(jù)比值(Plihli)(Pfihfi)對邊柱計算長度做出調(diào)整。 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考慮橫梁軸向力對柱剛度的不利影響。此時應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 框架有側移失穩(wěn)的臨界狀態(tài)和它的側移剛度有直接關系?？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，框架隨即不能保持穩(wěn)定。因此框架柱的臨界荷載或計算長度可以由側移剛度得出。 當剛架利用一階分析計算程序得出柱頂水平荷載

36、作用下的側移剛度K = Hu時，柱計算長度系數(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111a) 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)還應乘以放大系數(shù) = 。搖擺柱的計算長度系數(shù)仍取10。 (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則是考慮剛接柱腳實際上達不到絲毫不轉動的要求。公式(1-30)也可用于單跨

37、非對稱剛架。 (3)二階分析法 當采用計入豎向荷載-側移效應(即P-u“效應)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 構件的楔率，不大于0268hdo及60；d0、d1分別為柱小頭和大頭的截面高度(圖1-12)。 1336 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)定應分段按公式(1-34)計算：式中 y軸心受壓構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)定采用，計算長度取側向支承點的距離。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所計算構件段

38、小頭截面的軸向壓力； M1所計算構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 對兩端彎曲應力基本相等的區(qū)段 t=1.0 (1-36) NEx0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、t0分別為構件小頭的截面面積、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； iy0受壓翼緣與受壓區(qū)腹板13高度組成的截面繞y軸的回轉半徑； l楔形構件計算區(qū)段的平面外計算長度，取支撐點間的距離。 公式(1-34)不同于GB 50017規(guī)范中壓彎構件在彎矩作用平面外的穩(wěn)定計算公式之處有兩

39、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。當兩翼緣截面不相等時，應參照 CB 50017規(guī)范中的相應內(nèi)容在公式(1-37)中加上截面不對稱影響系數(shù) b項。當算得的b值大于0.6時，應按GB 50017規(guī)范的規(guī)定查出相應的b代替b值。 1337 斜梁和隅撐的設計 (1)斜梁的設計 當斜梁坡度不超過1：5時，因軸力很小可按壓彎構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算長度，取側向支承點的間距。當斜梁兩翼緣側向支承點間的距離不等時，應取最大受壓翼緣側向支承點間的距離。斜梁不需要計算整體穩(wěn)定性的側向支承點間

40、最大長度，可取斜梁下翼緣寬度的 倍。 當斜梁上翼緣承受集中荷載處不設橫向加勁肋時，除應按GB 50017規(guī)范的規(guī)定驗算腹板上邊緣正應力、剪應力和局部壓應力共同作用時的折算應力外，尚應滿足公式(1-41)的要求：式中 F 上翼緣所受的集中荷載； tf、tw 分別為斜梁翼緣和腹板的厚度； am 參數(shù)，am1.0，在斜梁負彎矩區(qū)取零；M 集中荷載作用處的彎矩； We 有效截面最大受壓纖維的截面模量。 (2)隅撐設計當實腹式剛架斜梁的下翼緣受壓時，必須在受壓翼緣兩側布置隅撐(山墻處剛架僅布置在一側)作為斜梁的側向支承，隅撐的另一端連接在檁條上，見圖1-13。 隅撐間距不應大于所撐梁受壓翼緣寬度的 倍。

41、 隅撐應根據(jù)GB 50017規(guī)范的規(guī)定按軸心受壓構件的支撐來設計。隅撐截面常選用單根等邊角鋼，軸向壓力按公式(143)計算。式中 M 梁負彎矩； h 梁截面高度； 隅撐與檁條軸線的夾角。 當隅撐成對布置時，每根隅撐的計算軸壓力可取公式(143)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f值乘以相應的折減系數(shù)。 1338 節(jié)點設計 門式剛架結構中的節(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。具體構造有端板豎放(圖1-14a

42、)、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，宜使端板與構件外邊緣垂直(圖 1-14d)。斜梁拼接應按所受最大內(nèi)力設計。當內(nèi)力較小時，應按能承受不小于較小被連接截面承載力一半設計。 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)點進行設計，即在保證必要的強度的同時，提供足夠的轉動剛度。為了滿足強度需要，宜采用高強度螺栓，并應對螺栓施加預拉力。預拉力可以增強節(jié)點轉動剛度。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。當剪力較小時，摩擦面可不做專門處理。 端板螺栓應成對地對稱布置。在受拉翼緣和受

43、壓翼緣的內(nèi)外兩側各設一排，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，受壓一側端板可不外伸(圖1_14b)。分析研究表明，圖114(a)的外伸式連接轉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，可假定轉動中心位于下翼緣中心線上。如圖114(a)所示上翼緣兩側對稱設置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Mh1，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不小于式中，b為端板寬度

44、。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柱加勁肋。有加勁肋的節(jié)點，轉動剛度比不設加勁肋者大。 當受拉翼緣兩側各設一排螺栓不能滿足承載力要求時，可以在翼緣內(nèi)側增設螺栓，如圖1-15(a)所示。按照繞下翼緣中心A(圖1-14a)的轉動保持在彈性范圍內(nèi)的原則，此第三排螺栓的拉力可以按 計算，h3為 A點至第三排螺栓的距離，兩個螺栓可承彎矩M = 2Nbth3。 節(jié)點上剪力可以認為由上邊二排抗拉螺栓以外的螺栓承受，第三排螺栓拉力未用足，可以和下面二排(或二排以上)螺栓共同抗剪。 螺栓排列應符合構造要求，圖1-15的ew、ef應滿足扣緊螺栓所用工具的凈空要求，通常不小于35mm，螺栓端

45、距不應小于2倍螺栓孔徑，兩排螺栓之間的最小距離為3倍螺栓直徑，最大距離不應超過400mm。 端板的厚度t可根據(jù)支承條件(圖1-15)按下列公式計算，但不應小于 16mm，和梁端板相連的柱翼緣部分應與端板等厚度。 （a）伸臂類端板 （b）無加勁肋類端板 （c）兩邊支承類端板 當端板外伸時 當端板平齊時（d）三邊支承類端板式中和圖中 Nt一個高強度螺栓受拉承載力設計值； ew、ef分別為螺栓中心至腹板和翼緣板表面的距離； b、bs分別為端板和加勁肋板的寬度； a 螺栓的間距； f 端板鋼材的抗拉強度設計值。 在門式剛架斜梁與柱相交的節(jié)點域，應按下列公式驗算剪應力：式中 dc、tc 分別為節(jié)點域柱腹

46、板的寬度和厚度； db 斜梁端部高度或節(jié)點域高度； M 節(jié)點承受的彎矩，對多跨剛架中間柱處，應取兩側斜梁端彎矩的代數(shù)和或柱端彎矩 fv 節(jié)點域柱腹板的抗剪強度設計值。 當不滿足公式(1-45)的要求時，應加厚腹板或設置斜加勁肋。剛架構件的翼緣與端板的連接應采用全熔透對接焊縫，腹板與端板的連接應采用角焊縫。在端板設置螺栓處，應按下列公式驗算構件腹板的強度：當Nt20.4P時, 當Nt20.4P時,式中 Nt2翼緣內(nèi)第二排一個螺栓的軸向拉力設計值； P高強度螺栓的預拉力； ew螺栓中心至腹板表面的距離； tw腹板厚度； f 腹板鋼材的抗拉強度設計值。 當不滿足公式(1-47)的要求時，可設置腹板加

47、勁肋或局部加厚腹板。 (2)柱腳門式剛架的柱腳，一般采用平板式鉸接柱腳(圖1_16a、b)，當有橋式吊車或剛架側向剛度過弱時，則應采用剛接柱腳(圖116c、d)。 柱腳錨栓應采用Q235或Q345鋼材制作。錨栓的錨固長度應符合現(xiàn)行國家標準建筑地基基礎設計規(guī)范 (GB 500072002)的規(guī)定，錨栓端部按規(guī)定設置彎鉤或錨板。 計算風荷載作用下柱腳錨栓的上拔力時，應計人柱間支撐的最大豎向分力，此時，不考慮活荷載(或雪荷載)、積灰荷載和附加荷載的影響，同時永久荷載的分項系數(shù)1.0。錨栓直徑不宜小于24mm，且應采用雙螺帽以防松動。 柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力。此水平剪力可由底板與混凝土

48、基礎之間的摩擦力(摩擦系數(shù)可取04)或設置抗剪鍵承受。 (3)牛腿 當有橋式吊車時，需在剛架柱上設置牛腿，牛腿與柱焊接連接，其構造見圖117。牛腿根部所受剪力V、彎矩M根據(jù)下式確定。 V =1.2PD+1.4Dmax (148) M =Ve (149)式中 PD-吊車梁及軌道在牛腿上產(chǎn)生的反力； Dmax吊車最大輪壓在牛腿上產(chǎn)生的最大反力。 牛腿截面一般采用焊接工字形截面，根部截面尺寸根據(jù)V和M確定，做成變截面牛腿時，端部截面高度h不宜小于H2。在吊車梁下對應位置應設置支承加勁肋。吊車梁與牛腿的連接宜設置長圓孔。高強度螺栓的直徑可根據(jù)需要選用，通常采用M16M24螺栓。牛腿上翼緣及下翼緣與柱的

49、連接焊縫均采用焊透的對接焊縫。牛腿腹板與柱的連接采用角焊縫，焊腳尺寸由剪力V確定。 (4)搖擺柱與斜梁的連接構造搖擺柱與斜梁的連接比較簡單，構造圖見圖1-18。 【例題1-1】 圖1-19所示單跨門式剛架，柱為楔形柱，梁為等截面梁，截面尺寸及剛架幾何尺寸如圖所示，材料為Q235BF。已知楔形柱大頭截面的內(nèi)力：M1 =198.3kN·m， N1=64.5kN， V1=27.3kN；柱小頭截面內(nèi)力： N0 = 85.8kN，V0 =31.6kN。試驗算該剛架柱的強度及整體穩(wěn)定是否滿足設計要求。 【解】 (1)計算截面幾何特性：剛架梁及楔形柱大頭、小頭截面的毛截面幾何特性計算結果見表1-3

50、。(2)楔形柱腹板的有效寬度計算 大頭截面： 腹板邊緣的最大應力 腹板邊緣正應力比值 腹板在正應力作用下的凸曲系數(shù) 與板件受彎、受壓有關的系數(shù)大頭截面腹板全部有效。小頭截面：全截面有效。(3)楔形柱的計算長度 查表1-2得柱的計算長度系數(shù)=1.22 柱平面內(nèi)的計算長度l0x=h =1.22×7368=8986mm 柱平面外的計算長度根據(jù)柱間支撐的布置情況取其幾何高度的一半 l0x=3684mm (4)楔形柱的強度計算柱腹板上不設加勁肋，k=5.34，偏于安全地按最大寬度計算腹板屈曲后抗剪強度設計值:柱腹板抗剪承載力設計值柱大頭截面強度無問題，小頭截面積雖小，但彎矩為零，強度也無問題。(5)楔形柱平面內(nèi)穩(wěn)定計算查GB 50017規(guī)范附表得xy =0.743等效彎矩系數(shù)mx =1.0 (6)楔形柱平面外穩(wěn)定計算需要對柱上、下段分別計算。假定分段處的內(nèi)力為大頭和小頭截面的平均值，即M =99.15kN·m，N =75.15kN，腹板高度也是大小頭的平均值440mm，可以算得分段處截面幾何特性：A =5840mm2，Iy =106