第八章輕型門式剛架鋼結構

第八章輕型門式剛架鋼結構門式剛架的特點：（1）質量輕：圍護材料均輕質，承重結構用鋼量10-30公斤，為同類混凝土結構自重的1/20-1/30，地基處理費用少，地震作用小，風荷載作用大。（2）工業(yè)化程度高，施工周期短，質量易于保證。（3）綜合經濟效益高：造價略高于砼結構，但設計周期短，加工、安裝方便，資金回報快，投資效益高。（4）柱網布置比較靈活8.1結構形式和布置一、結構形式按結構體系分：有實腹式和格構式按截面形式分：有等截面和變截面按結構選材分：有普通型鋼、薄壁型鋼、鋼管按跨數分：有單跨和多跨門式剛架體系構成：⑴屋面：單層或夾芯壓型鋼板（彩鋼板）⑵檁條：冷彎薄壁型鋼，C形，Z形，工字形⑶主剛架：常用等截面或變截面工字形⑷隅撐：常用角鋼⑸支撐：常用張緊的圓鋼，在有吊車荷載時柱間支撐用型鋼⑹拉條與撐桿：常用小直徑圓鋼。二、結構布置1、柱網布置：⑴柱距：常用為6m，也可為7.5或9m；⑵跨度：9-36m，對模數的要求可有可無；⑶高度：斜梁與柱軸線交點到柱腳的尺寸一般為4.5-9m。2、變形縫的設置：縱向溫度區(qū)段≤300m，橫向溫度區(qū)段≤150m；設縫措施：設雙柱、或在檁條端頭開長圓孔3、墻梁布置：⑴作用：固定剛架的外圍護構件，安裝彩鋼板等用⑵如果采用磚砌體時，磚墻應立于鋼柱外側開設圈梁及構造柱⑶布置：安裝于剛架柱的外側，間距根據板材規(guī)格并結合計算確定。4、支撐布置：⑴作用：穩(wěn)定結構體系；⑵柱間支撐：①間距：無吊車30-45m，有吊車設于溫度區(qū)段中部或3分點處且≤60m②布置：與屋蓋水平支撐設于同一柱間，不允許有柱間支撐時，設柱間或支撐剛架。⑶屋蓋支撐：設于第一（二）柱間，且在剛架轉折處沿縱向全長設剛性系桿。屋蓋支撐常用Φ20的圓鋼，夾角30-60°8.2門式剛架計算簡圖的確定門式剛架鋼結構的尺寸應符合下列規(guī)定⑴門式剛架的跨度，應取橫向剛架柱軸線間的距離；⑵門式剛架的高度，應取地坪至柱軸線與斜梁軸線交點的高度；⑶柱的軸線可取通過柱下端（小頭）中心的豎向直線，工業(yè)建筑邊柱的定位軸線宜取外皮，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。門式剛架的柱腳多為鉸接，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，宜將柱腳設計為剛接。檐口高度，取地坪至房屋外側檁條上緣的高度；最大高度，取地坪至屋蓋頂部檁條上緣的高度；房屋的寬度，取房屋側墻墻梁外皮之間的距離；房屋的長度，取兩端山墻墻梁外皮之間的距離。8.3門式剛架的荷載計算和荷載組合一、屋面荷載1、永久荷載：屋面板、檁條、支撐、剛架自重；吊頂、管線、天窗、保溫通風設施自重。2、可變荷載：屋面均布活荷載，雪荷載、積灰荷載。屋面均布活荷載：當采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面豎向荷載的標準值（按水平投影計算）應取0.5kN/m2；對受荷水平投影面積大于60m2剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取不小于0.3kN/m2荷載效應組合的原則：⑴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；⑵積灰荷載與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮；⑶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；⑷多臺吊車的組合應符合現(xiàn)行國家荷載規(guī)范的規(guī)定；⑸風荷載不與地震作用同時考慮。二、風荷載Wk——風荷載標準值，與建筑物所在地區(qū)基本風壓、建筑物體型、高度以及建筑地面粗糙度等因素有關，且假定風荷載垂直作用于建筑物表面上；W0——基本風壓，按現(xiàn)行荷載規(guī)范規(guī)定乘1.05采用；μZ——風荷載高度變化系數，按現(xiàn)行荷載規(guī)范采用；當高度小于10m時，按10米高度處的數值采用；μs——風荷載體型系數（P288表8.1），考慮內、外風壓最大值的組合，且含陣風系數。三、吊車荷載吊車的分類：按工作的頻繁程度分為⑴輕級工作制：JC≤15%⑵中級工作制：15%≤JC≤40%⑶重級工作制：JC≥40%㈠豎向荷載（Dmax、Dmin、Dmaxk、Dmink）Dmax、Dmin—吊車滿載運行時可能作用在廠房剛架柱上的最大壓力及最小壓力。概念：Pmax為最大輪壓，由生產廠家提供。

Pmin為最小輪壓，由計算得出。如四輪吊車Pmax=0.5（G+g+Q）－PmaxG—大車自重標準值；g—小車自重標準值；Q—吊車額定最大起重量標準值。

由于吊車荷載是移動荷載，為求得Dmax和Dmin，則需確定吊車運行時的最不利位置，根據荷載規(guī)范，在設計時可考慮兩臺吊車并行。由P290圖8-7可知，一個計算單元內剛架柱所支承的相鄰兩柱間的吊車梁的反力即為吊車梁作用在剛架柱上的最大豎向荷載Dmax和最小豎向荷載Dmin

。根據影響線知識，兩臺吊車并行，當其中一臺的一個最大輪壓P1max（P1max≥P2max

），作用在剛架柱軸線處，而另一臺與其緊靠并行時，即為兩臺吊車的最不利輪壓位置。因為吊車輪壓Pmax和Pmin同時出現(xiàn)，且分別作用在左右兩側的吊車梁上，當一側柱由Pmax產生最大豎向荷載標準值時，另一側柱則相應地由Pmin產生最小豎向荷載標準值Dmink，由影響線可得吊車豎向荷載的設計值計算公式：對兩臺相異吊車：兩臺吊車相同時：其中：P1max,P2max—吊車1和吊車2最大輪壓的標準值，且P1max≥P2max

；P1min,P2min—吊車1和吊車2最小輪壓的標準值，且P1min≥P2min

；y1、y2、y3、y4—與吊車1和吊車2的輪子相對應的支座反力影響線上的豎標。γQ—吊車荷載分項系數。Σyi=y1+y2+y3+y4—各輪子下影響線豎標的總和。當僅有一臺吊車時，Σyi=y1+y2

㈡橫向水平荷載（Tmax、Tmaxk）傳遞過程：小車剎車→小車制動輪與橋架產生摩擦→大車→吊車梁→剛架柱《荷載規(guī)范》規(guī)定，對四輪橋式吊車，小車滿載運行剎車時，大車一個輪子所產生的橫向水平制動力為：T=0.25α（Q+g）其中α—橫向水平制動系數。對軟鉤吊車：Q≤10t時，取0.12；對硬鉤吊車：取0.20.Q=16～50t時，取0.10；

Q≥75t時，取0.08；作用在剛架柱上的吊車橫向水平荷載設計值為：兩臺吊車不同時，兩臺吊車相同時，其中T1、T2—吊車1和吊車2橫向水平制動力的標準值，且T1＞T2

。T—吊車每個輪子水平制動力的標準值。㈢吊車縱向水平荷載（TL）傳遞路線：大車剎車→大車制動輪與吊車梁產生摩擦力→柱或柱間支撐每臺吊車縱向水平制動力的設計值為：其中n—吊車每側制動輪數，對于一般的四輪吊車，n=1。計算吊車水平荷載時，不論是橫向剎車力還是縱向剎車力，最多只考慮兩臺吊車同時剎車。四、地震作用（自學）五、荷載組合（自學）8.4門式剛架的作用效應計算一、剛架的內力計算1、變截面（包括變截面梁及變截面柱）變截面剛架一般采用彈性分析方法確定各種內力，分析模型按平面結構，不考慮蒙皮效應，僅將屋面的應力蒙皮效應作為結構的安全儲備。2、等截面：采用彈性或塑形分析方法，若采用塑形分析方法，應符合《鋼結構設計規(guī)范》的規(guī)定。二、控制截面及最不利內力組合1、控制截面剛架梁：兩端支座截面、跨中截面剛架柱：柱頂、柱底、柱階形變截面處2、最不利內力組合最不利內力組合按梁、柱控制截面分別進行，一般可選柱底、柱頂、柱階形變截面處及梁端、梁跨中等截面進行組合和截面的驗算。剛架梁：Mmax→VMmin（負M最大）→VVmax→M剛架柱：Nmax→M、VNmin→M、VMmax→N、VMmin

（負M最大）→N、V三、變截面剛架的側移計算（自學）8.5門式剛架構件的截面驗算一、截面有效寬度（僅指受壓構件）概念：把在寬度b上分布不均勻的應力圖集中到板的兩側，應力都是fy，即得到有效寬度be=bσcr/fy影響有效寬度的因素：板件的約束條件、端部作用應力及其分布。板件約束的四種類型：⑴兩邊支承板件（加勁板件）；⑵一邊支承一邊卷邊（邊緣加勁板件）⑶一邊支承、一邊自由（未加勁板件）⑷兩邊支承且中部有中間加勁肋（中間加勁板件）各類支承方式板的有效寬度計算（自學）二、板件最大寬厚比和屈曲后強度利用1、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2、腹板屈曲后強度的利用在進行剛架梁、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。門式剛架的構件剪應力最大處往往彎曲應力也最大，翼緣對腹板沒有約束作用，因而計算公式不同于普鋼規(guī)范的規(guī)定。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60mm/m時，其抗剪承載力設計值可按下列公式計算：其中：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：腹板全部受壓腹板部分受拉式中：he—腹板受壓區(qū)有效寬度。

ρ—有效寬度系數三、剛架梁、柱構件強度計算和加勁肋的設置1、工字形截面受彎構件彎剪共同作用下的強度應符合2、工字形截面受彎構件彎矩、剪力和軸力共同作用下的強度應符合3、梁腹板加勁肋的配置通常在中柱連接處、較大固定集中荷載作用處、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，根據計算需要確定?！兑?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a宜取hw－2hw。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。所以，中間橫向加勁肋除承受集中荷載和翼緣轉折產生的壓力外，還要承受拉力場產生的壓力，該壓力按下列公式計算：三、變截面柱在剛架平面內的整體穩(wěn)定計算軸力取小頭截面，彎矩取大頭截面。四、變截面柱在剛架平面外的整體穩(wěn)定計算軸力取小頭截面，彎矩取大頭截面。五、變截面柱在剛架平面內的計算長度截面呈線性變化的柱，在剛架平面內的計算長度為計算長度系數的計算方法：⑴查表法：適合手算，用于柱腳鉸接的對稱剛架；⑵一階分析法：普通適用于各種情況，并適合上機計算；⑶二階分析法：要求有二階分析的計算程序。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，框架上的荷載使此剛度逐漸退化，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分析計算程序得出柱頂水平荷載作用下的側移剛度K=H/u，柱計算長度系數可由下列公式計算：（1）對柱腳為鉸接和剛接的單跨對稱剛架：六、斜梁和隅撐的設計1、斜梁的設計⑴當斜梁坡度不超過1：5時，可按壓彎構件計算強度和剛架平面外的穩(wěn)定，不計算平面內的穩(wěn)定。⑵實腹式斜梁的平面外計算長度，取側向支承點的間距。⑶斜梁不需要計算整體穩(wěn)定性的側向支承點間最大長度，可取斜梁下翼緣寬度的倍。當斜梁上翼緣承受集中荷載作處不設加勁肋時，除應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作為梁的側向支承，隅撐另一端連接在檁條上。隅撐間距不應大于所撐梁受壓翼緣寬度的倍。隅撐應根據GB50017規(guī)定按軸心受壓構件的支撐來設計，截面常選等邊角鋼。軸向壓力為：當隅撐成對布置時，每根隅撐的計算軸壓力取上式計算值的一半。單面連接的單角鋼壓桿在計算穩(wěn)定性時，不用換算長細比，而是對f值乘以相應折減系數。七、檁條和墻架的設計㈠檁條設計1、檁條截面形式⑴實腹式檁條跨度不超過9m時，應優(yōu)先選用實腹式檁條。⑵格構式檁條下?lián)问狡矫骅旒苁娇崭故疆斘菝婧奢d較大或檁條跨度超過9m時，宜選用格構式檁條2、檁條的內力安裝于斜梁上的檁條在豎向荷載作用下，沿截面兩個形心主軸方向都有彎矩作用，屬于雙向受彎構件。內力分析時要將均布荷載q分解為沿截面形心主軸方向的荷載分量qx和qy屋面坡度不大時，卷邊Z形鋼的qx指向屋脊，卷邊槽鋼和H型鋼qx指向屋檐。5、構造要求：⑴拉條：防止檁條側向變形和扭轉，并且提供x軸方向的中間支點。①l＞4m時應在跨中位置設；②l

＞6m時應在三分點處各設一道；③在屋脊或檐口處設置斜拉條和剛性撐桿。拉條常用圓鋼制成，直徑大于10mm?？稍O在距檁條上翼緣1/3腹板高度范圍內。剛性撐桿常用鋼管，按壓桿的剛度要求即長細比小于200來選擇截面。⑵實腹式檁條通過檁托與剛架相連，檁條與檁托的連接螺栓不應少于2個，沿檁條高度方向布置；⑶槽形和Z形檁條上翼緣的肢尖（或卷邊）應朝向屋脊方向，以減少荷載偏心引起的扭矩。⑷計算檁條時，不能把隅撐作為檁條的支承點。㈡墻梁設計墻梁一般采用卷邊槽鋼，其在自重、墻體材料和水平荷載作用下，是雙向受彎構件。為便于墻梁與剛架柱的連接而把卷邊槽鋼的槽口向上放置，單窗框下沿的墻梁則需槽口向下放置。墻梁一般等間距設置，一般在墻面上、下沿和窗框的上、下沿處設置一道墻梁。為減少墻梁的豎向撓度，可在墻梁上設拉條，并在最上層墻梁處設斜拉條將拉力傳至剛架柱。墻梁的荷載：

1.2X豎向永久荷載+1.4X水平風壓（吸）力荷載㈢支撐構件的設計⑴交叉支撐和柔性系桿按拉桿設計，非交叉支撐中的壓桿及剛性系桿按壓桿設計。⑵剛架斜梁上橫向水平支撐的內力，根據縱向風荷載按支承于柱頂的水平桁架計算，并計入支撐對斜梁起減少計算長度作用而承受的力，對于交叉支撐可不計壓桿的受力。⑶剛架柱間支撐的內力，根據該柱列所受縱向荷載按支承于柱腳上的豎向懸臂桁架計算，并計入支撐對柱減小計算長度而應承受的力，對交叉支撐可不計壓桿的受力。⑷當同一柱列設有多道柱間支撐時，縱向力在支撐間可平均分配。⑸支撐桿件中，拉桿可采用圓鋼制作，用特制的連接件與梁、柱腹板相連，并應以花籃螺絲張緊。壓桿宜采用雙角鋼組成的T形、十字形截面或圓管。8.6門式剛架的連接和節(jié)點設計一、焊縫連接二、剛架梁與柱連接及剛架梁拼接連接方式，一般采用高強度螺栓—端板連接。節(jié)點都必須按剛接節(jié)點設計，即在保證必要的強度的同時，提供足夠的轉動剛度。端板螺栓應成對地對稱布置。在受拉翼緣和受壓翼緣的內外兩側各設一排，并宜使每個翼緣的四個螺栓的中心與翼緣的中心重合。分析表明，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的中心線上。當上翼緣對稱設置四個螺栓時，每個螺栓承受的拉力為：式中：h1—梁上下翼緣中至中距離。端板從下翼緣中心伸出的寬度不應小于式中：b—端板寬度。為減小力偶M/h1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。當受拉翼緣兩側各設一排螺栓不能滿足承載力要求時，可在翼緣內側增設螺栓。按照繞下翼緣中心的轉動保持在彈性范圍內的原則，此第三排螺栓的拉力為兩個螺栓可承受彎矩節(jié)點上的剪力由上邊兩排抗拉螺栓以外的螺栓承受，第三排螺栓拉力未用足，可以和下面兩排（或兩排以上）螺栓共同抗剪。螺栓排列應符合構造要求，間距應滿足施工的凈空要求，通常不小于35mm，螺栓端距不應小于2倍螺栓孔徑，兩排螺栓之間的最小距離位3倍螺栓直徑，最大距離不應超過400mm。端板厚度可根據支承條件計算，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。1.伸臂類端板2.無加勁肋類端板3.兩邊支承類端板端板外伸時端板平齊時4.三邊支承類端板三、梁柱節(jié)點域門式剛架斜梁與柱相交的節(jié)點域，剪應力應滿足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，應驗算構件腹板的強度：四、柱腳門式剛架的柱腳一般采用平板式鉸接柱腳，當有橋式吊車或剛架側向剛度過弱時，則應采用剛接柱腳。計算風荷載作用下柱腳錨栓的上拔力時，應計入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。此水平剪力可用底板與混凝土基礎之間的摩擦力（摩擦系數可取0.4）或設置抗剪鍵承受。五、牛腿設橋式吊車時，設在剛架柱上牛腿根部所受剪力V，彎矩M計算式為：式中：PD—吊車梁及軌道在牛腿上產生的反力

Dmax—吊車最大輪壓在牛腿上產生的最大反力構造：⑴截面一般采用焊接工字形，若為變截面時，h≥H/2⑵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。⑶高強度螺栓直徑常選用M16—M24⑷牛腿上、下翼緣與柱的連接焊縫均采用焊透的對接焊縫，腹板與柱的連接采用角焊縫。8.8壓型鋼板設計一、壓型鋼板的材料和截面形式1、壓型鋼板的材料按表面處理方法：⑴鍍鋅鋼板：用于組合樓板。⑵彩色鍍鋅鋼板：用于墻、屋面。⑶彩色鍍鋁鋅鋼板：用于墻、屋面。壓型鋼板原板材料根據建筑功能、使用條件、使用年限和結構形式等考慮。原板基層厚度常為0.4-1.6mm，長度不限，一般優(yōu)先選用卷材，寬度應符合規(guī)格要求。壓型鋼板基板的材料有Q215和Q235鋼，工程中多用Q235-A鋼。2、壓型鋼板的截面形式a、b為早期產品、截面形式簡單。板與檁條、墻梁的固定用鉤頭螺栓、自攻螺釘、拉鉚釘。c、d屬帶加勁的板型，截面剛度增加。e、f為新近產品，板與板、板與檁條的連接通過支架咬合在一起，板上無需開孔，屋面上無明釘，從而有效解決防水、滲漏問題。二、壓型鋼板的截面幾何特性截面特性可用單槽口的特性來表示。即用板厚中線來計算截面特性。單槽口截面的折線型中線示于下圖，以此算的的截面特性A和I乘以板厚t，便是單槽口截面的各特性值。三、壓型鋼板的荷載和荷載組合1壓型鋼板的荷載⑴永久荷載：板自重、保溫材料和龍骨的重量⑵可變荷載：除均布活荷載、雪荷載和積灰荷載外，還需考慮不小于1.0KN的施工檢修集中荷載2、壓型鋼板的荷載組合一般考慮兩種組合：1）1.2×永久荷載+1.4×max{屋面均布活荷載，雪荷載}2）1.2×永久荷載+1.4×施工檢修集中荷載換算值考慮風吸力對屋面壓型鋼板的影響時3）1.0×永久荷載+1.4×風吸力荷載四、有效