鋼結(jié)構(gòu)選型與輔助設(shè)計(jì)門式剛架

鋼結(jié)構(gòu)選型與輔助設(shè)計(jì)門式剛架第1頁/共31頁§2.1輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)選型分析一、輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)剛架結(jié)構(gòu)通常是指由直線形桿件（梁和柱）通過剛性節(jié)點(diǎn)連接起來的結(jié)構(gòu)。建筑工程中習(xí)慣把梁與柱之間為鉸接的單層結(jié)構(gòu)稱為排架，多層多跨的剛架結(jié)構(gòu)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(xí)慣上稱為門式剛架。單層剛架為梁柱合一的結(jié)構(gòu)，桿件較少，結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)相比，剛架仍然屬于以受彎為主的結(jié)構(gòu)，材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮作用，這就造成了剛架結(jié)構(gòu)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(chǔ)固接，為三次超靜定結(jié)構(gòu)，剛度好，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布比較均勻，但柱底彎矩比較大，對(duì)基礎(chǔ)和地基的要求較高。由于其超靜定次數(shù)高，結(jié)構(gòu)剛度較大，當(dāng)?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時(shí)，將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力，所以在地基條件較差時(shí)需慎用。兩鉸門式剛架的柱腳與基礎(chǔ)鉸接，為一次超靜定結(jié)構(gòu)，在豎向荷載或水平向荷載作用下，剛架內(nèi)彎矩均比無鉸門式剛架大。當(dāng)基礎(chǔ)有轉(zhuǎn)角時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力沒有影響。但當(dāng)兩柱腳發(fā)生不均勻沉降時(shí)，則將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力。三鉸門式剛架在屋脊處設(shè)置永久性鉸，柱腳也是鉸接，為靜定結(jié)構(gòu)，溫度差、地基的變形或基礎(chǔ)的不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)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(diǎn)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(jié)構(gòu)形式多跨（梁柱剛結(jié)）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(dòng)等均是影響門式剛架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的因素，門式剛架結(jié)構(gòu)選型時(shí)應(yīng)合理加以考慮。剛架結(jié)構(gòu)在豎向荷載或水平荷載作用下的內(nèi)力分布不僅與約束條件有關(guān)，而且還與梁柱線剛度比有關(guān)。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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(duì)靜定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生附加內(nèi)力。內(nèi)力的大小與結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)，剛度越大，內(nèi)力越大。第6頁/共31頁二、輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)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(dòng)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(jié)構(gòu)可分為實(shí)腹式和格構(gòu)式兩種。實(shí)腹式剛架適用于跨度不很大的結(jié)構(gòu)，常做成兩鉸式結(jié)構(gòu)。當(dāng)為兩鉸或三鉸剛架時(shí)，構(gòu)件應(yīng)為變截面，一般是改變截面的高度使之適應(yīng)彎矩圖的變化。實(shí)腹式剛架的橫梁高度一般可取跨度的1／6～1／20，當(dāng)跨度大時(shí)梁高顯然太大，為充分發(fā)揮材料作用，可在支座水平面內(nèi)設(shè)置拉桿，并施加預(yù)應(yīng)力對(duì)剛架橫梁產(chǎn)生卸荷力矩及反拱，如圖所示。這時(shí)橫梁高度可取跨度的1／30～l／40，并由拉桿承擔(dān)了剛架支座處的橫向推力，對(duì)支座和基礎(chǔ)都有利。三、輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)第10頁/共31頁在剛架結(jié)構(gòu)的梁柱連接轉(zhuǎn)角處，由于彎矩較大，且應(yīng)力集中，材料處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)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(shè)置必要的加勁肋，如圖所示。三、輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)第11頁/共31頁格構(gòu)式剛架結(jié)構(gòu)的適用范圍較大，且具有剛度大、耗鋼省等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)跨度較小時(shí)可采用三鉸式結(jié)構(gòu)，當(dāng)跨度較大時(shí)可采用兩鉸式或無鉸結(jié)構(gòu)，如圖6.12所示。格構(gòu)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(chǔ)負(fù)擔(dān)，也可施加預(yù)應(yīng)力，以調(diào)整結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力。預(yù)應(yīng)力拉桿可布置在支座鉸的平面內(nèi)，也可布置在剛架橫梁內(nèi)僅對(duì)橫梁施加預(yù)應(yīng)力，也可對(duì)整個(gè)剛架結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，如圖6.13所示。

三、輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)第12頁/共31頁單層剛架結(jié)構(gòu)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(fēng)、采光的需要設(shè)置天窗、通風(fēng)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(jié)構(gòu)，其材料未能發(fā)揮作用，結(jié)構(gòu)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(dāng)大些)，柱高H≤10m，吊車起重量Q≤100kN情況下，比排架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)。目前我國6m、15m、18m門架已有國家標(biāo)準(zhǔn)圖。鋼筋混凝土門架跨度最大約30m，預(yù)應(yīng)力混凝土門架跨度可達(dá)40～50m，鋼門架跨度可達(dá)75m。單層剛架結(jié)構(gòu)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(fēng)格多變的建筑造型。四、輕鋼門式剛架的結(jié)構(gòu)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(nèi)部空間大，利于使用。如沈陽民用客機(jī)維修車間，38m跨鋼筋混凝土雙鉸門架跨中升高、造型與機(jī)型適應(yīng)，可充分利用內(nèi)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(nèi)靈活布置。四、輕鋼門式剛架的結(jié)構(gòu)布置第14頁/共31頁第15頁/共31頁

對(duì)一些大型復(fù)雜建筑，有時(shí)也可采用門式剛架與其他結(jié)構(gòu)或構(gòu)件形成主次結(jié)構(gòu)布置方案。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)總體布置時(shí)，平面剛架的側(cè)向穩(wěn)定是值得重視的問題，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，保證結(jié)構(gòu)縱橫兩個(gè)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(jié)構(gòu)為平面受力體系，當(dāng)多榀剛架平行布置時(shí)，在結(jié)構(gòu)縱向?qū)嶋H上為幾何可變的鉸接四邊形結(jié)構(gòu)。因此，為保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，應(yīng)在縱向柱間布置連系梁及柱間支撐，同時(shí)在橫梁的頂面設(shè)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(shè)置在同一開間內(nèi)，如圖。四、輕鋼門式剛架的結(jié)構(gòu)布置第16頁/共31頁第17頁/共31頁四、輕鋼門式剛架的結(jié)構(gòu)布置結(jié)構(gòu)選型時(shí)要綜合考慮建筑的結(jié)構(gòu)形式、功能要求和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，進(jìn)行多方案的比較。例：飛機(jī)修理車間，飛機(jī)機(jī)身長24m，機(jī)翼寬32m，尾翼高8.1m，螺旋槳高5.1m，機(jī)翼離地3m。

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

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

格構(gòu)式剛架的安裝節(jié)點(diǎn)，宜設(shè)在轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)角范圍內(nèi)作成實(shí)腹式并設(shè)加勁桿，內(nèi)側(cè)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(diǎn)連接構(gòu)造第20頁/共31頁

剛架鉸節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的構(gòu)造，應(yīng)滿足力學(xué)中的理想鉸的受力要求，即應(yīng)保證節(jié)點(diǎn)能傳遞豎向壓力及水平推力，但不能傳遞彎矩。鉸節(jié)點(diǎn)既要有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，但又要構(gòu)造簡單，施工方便。格構(gòu)式剛架應(yīng)把鉸接點(diǎn)附近部分的截面改為實(shí)腹式，并設(shè)置適當(dāng)?shù)募觿爬?，以便可靠地傳遞較大的集中作用力。常見的剛架頂鉸節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖

五、輕鋼門式剛架的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造第21頁/共31頁鋼剛架結(jié)構(gòu)支座鉸的形式如圖6.20所示。當(dāng)支座反力不大時(shí)，宜設(shè)計(jì)成板式鉸；當(dāng)支座反力較大時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)成臼式鉸或平衡鉸。臼式鉸和平衡鉸的構(gòu)造比較復(fù)雜，但受力性能好。

五、輕鋼門式剛架的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造第22頁/共31頁

輕型鋼結(jié)構(gòu)主要指承重結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系、多層框架結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)廠房簡介1輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的基本組成

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輕型鋼結(jié)構(gòu)的最大特征在于“輕”。主要體現(xiàn)在：構(gòu)件自重輕，在圍護(hù)系統(tǒng)和屋面系統(tǒng)中大面積地采用了輕質(zhì)新型材料，降低了建筑工程自重，減少基礎(chǔ)的面積和深度，很好地適應(yīng)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(jià)，綜合效益好。例如，一般鋼筋砼排架結(jié)構(gòu)廠房，其上部結(jié)構(gòu)單位面積造價(jià)約為750元／m2，而采用輕型鋼結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的建筑功能較強(qiáng)，由于屋面與圍護(hù)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(huì)脫色。若選用有隔熱隔音效果和阻燃性的彩鋼夾芯復(fù)合板，可適用于氣候炎熱和嚴(yán)寒地區(qū)的建筑。輕型鋼結(jié)構(gòu)的另一特征是施工速度快。輕型鋼結(jié)構(gòu)大多構(gòu)件在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝，完全采用工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)方式，工程一旦上馬，施工進(jìn)度非常快。且勞動(dòng)強(qiáng)度低，機(jī)具簡單。面積數(shù)萬平方米的輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，只要數(shù)月時(shí)間便可完工，日后如遇改建還可以拆卸和重復(fù)使用，并且結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

提醒注意的是，輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面對(duì)柱頭會(huì)產(chǎn)生彎矩及水平推力，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選用和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)要予以注意。

第24頁/共31頁六、輕鋼結(jié)構(gòu)廠房簡介2輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的實(shí)例

第25頁/共31頁正在建設(shè)的門式剛架工程實(shí)例山墻抗風(fēng)