干貨！門式剛架結構設計實例

干貨！門式剛架結構設計實例工程概況（一）設計資料某客戶需要建設66X75m的倉庫，根據客戶要求，寬度方向為66m，設3跨，跨度分別為24m、18m、24m，柱距取7.5m，檐口高度為6m。屋面為0.5mm壓型鋼板+75mm厚保溫棉（容重14kg/m3）＋0.4mm內襯板，材質采用Q345。（二）方案選取1．跨度：考慮到特殊的使用要求（中間18m兼做交通走道），客戶指定了上述的跨度要求。為使讀者理解如何尋找最經濟的結構方案，筆者又研究了21m＋24m＋21m或18m+30m+18m的跨度方案，三種方案的每榀框架的用鋼量對比如下：24m+18m+24m，每榀框架用鋼量4.9噸；21m+24m+21m，每榀框架用鋼量4.2噸；18m+30m+18m.，每榀框架用鋼量4.6噸；通常來說，如可能盡量將框架設計成對稱結構，各跨跨度基本相同，中間跨跨度度略大于邊跨將是一種比較經濟的方案。本項目由于客戶需要將中間跨(18m)設置為走道，故筆者沒有建議他們改為較為經濟的跨度方案（21m＋24m＋21m）。2．柱距選擇：鑒于本工程總長度為75m，故取柱距為7.5m，即10@7.5。讀者也可以比較7.75+7@8.5+7.75的柱距方案。后者也是一種比較經濟的株距方案。3．屋面梁拼接節(jié)點設置節(jié)點設置需要考慮下列因素：(1)拼接點盡可能靠近反彎點，一般反彎點位置在1/4~1/6跨度處，按照此原則，對于24m跨，拼接點設在離柱24*(1/4~1/6)=4~6m處比較合適。對于18m跨，則應該設在18*(1/4~1/6)=3~4.5m比較合適；(2)單元長度不要超過可運輸最大長度，一般不宜超過12.5m；(3)盡量減少拼接數量，因為拼接節(jié)點需要端板及高強螺栓，同樣會增加項目造價；(4)拼接節(jié)點應避開抗風柱及屋面系桿的連接位置，以避免出現連接上的不便；綜合多種因素，我們將屋面梁做了分段，見圖3-26。A節(jié)點為邊柱與梁拼接節(jié)點，D為中柱與梁拼接，通常此處屋面梁不斷，這是考慮此處彎矩較大，對于屋脊節(jié)點F，通常我們也不建議此處屋面梁斷開，原因是此處通常會有抗風柱及屋面系桿，若設置屋面系桿，將引起連接上的不便。這樣66m的屋面梁一共被分為7段。讀者可以試著研究其余不同的梁分段方式，并與此方案做以對比。4．柱腳及梁柱的鉸接與剛接設置：由于本項目檐高較低，且沒有行車，故柱腳均可按鉸接處理，對于中柱，采取搖擺柱，即柱與梁連接采用鉸接的模式。計算簡圖見圖3-26。（三）荷載計算1．恒載計算：作用在屋面梁上的恒載有：0.5mm厚壓型鋼板，重量0.5*7.85*1.25=5.0Kg/m275mm厚保溫棉（容重14kg/m3）75*14/1000=1.05Kg/m20.4mm厚屋面內襯板，重量0.4*7.85*1.1=3.5Kg/m2屋面檁條重量，一般可取3-5Kg/m2屋面支撐、系桿、檁條拉條、隅撐等重量，可取2Kg/m2以上重量合計約為15Kg/m2,作用在框架上的恒載為0.15KN/m2*7.5m=1.125KN/m，見下圖：2．活載計算：由于每榀框架受荷面積A=66*7.5＝495m2>60m2，故活荷載可取為0.3KN/m2。3．屋面懸掛荷載根據客戶要求，取0.1KN/m2，由于STS軟件沒有此基本工況，我們將懸掛荷載放在活荷載里進行考慮，將活荷載取為0.4KN/m2，這樣作用在框架上的活荷載為0.4KN/m2*7.5m=3.0KN/m,見下圖4．風荷載計算：日照的風荷載標準值為0.4KN/m2，按照CESE102：2002，內部標準跨的風荷載體型系數，風載體型系數參照下圖：則作用在框架梁柱上的風荷載分別為：0.4*7.5*(+0.25)=0.8KN/m0.4*7.5*1.05*(-1.0)=-3.15KN/m0.4*7.5*1.05*(-0.65)=-2.0KN/m0.4*7.5*1.05*(+0.55)=-1.7KN/m在輸入風荷載時，需要注意STS里的正負號與與體型系數的正負號有所不同。體型系數的正負以風吸力或風壓力定義，風吸力為負，風壓力為正。而輸入程序時，荷載方向與坐標正向一致為正。結構布置本工程長度為75m，按照門鋼第4.2.2.2條規(guī)定，當無吊車時柱間支撐的間距宜取30～45m。因此本工程需要設3道柱間支撐，支撐分別設在端跨及較為中間的跨。

同時規(guī)范第4.2.2.3條規(guī)定，當建筑物寬度大于60m時，在內柱列宜適當增加柱間支撐。本項目跨度為66m>60m，按規(guī)定應在B，C軸增設柱間支撐。但由于本項目客戶由于工藝使用要求，不允許內部設柱間支撐（實際上這種情況在實際工程中會經常碰到）。需要提醒設計者注意的是，在支撐跨度較大的情況下，設計者需要對屋面及柱間支撐的受力進行嚴格的有限元分析，屋面支撐及柱間支撐當有必要時需采用雙圓鋼、角鋼甚至圓管。有些設計者，不管受力如何，一律用圓鋼做屋面或柱間支撐，圓鋼的規(guī)格通常被經驗的取為16～27mm的直徑，這種做法很危險。本工程通過計算發(fā)現在靠近端部的屋面圓鋼支撐需采用雙圓鋼（2φ24），柱間支撐也需要采用2φ24的雙圓鋼支撐，本項目的支撐方案見圖3-32。建立計算模型由于本工程無行車，故柱腳可選用鉸接，中柱可采用搖擺柱，計算簡圖及單元節(jié)點劃分參見下圖。內力計算和計算結果查看根據STS計算結果，現將節(jié)點的控制內力列表如下：說明：1．表中彎矩單位為KN·m，對于梁上部受拉為“＋”，下部受拉為“－”，軸力及剪力單位為KN，軸力“＋”為拉，“－”為壓，剪力“＋”為逆時針，“－”為順時針；2．在計算柱腳時，Qmax最不利組合應該是剪力較大，且軸力較小的情況；同時，STS還提供了圖形查閱功能，通過后處理菜單，可以方便查到彎矩、剪力及軸力的數值，圖3-34，35，36即為分別為彎矩，軸力及剪力的包絡圖，通過這些直觀的圖形，工程師可以方便的檢查構件的內力情況，可以對計算的結果進行。設計結果查看、分析和調整STS具有先進的后處理系統(tǒng)，能夠按照現行設計規(guī)范對梁柱構件進行強度、穩(wěn)定及變形檢驗，相關的檢驗結果見下圖。鋼結構應力比圖說明：1.柱左：作用彎矩與考慮屈曲后強度抗彎承載力比值；2.右上：平面內穩(wěn)定應力比（對應長細比）；3.右下：平面外穩(wěn)定應力比（對應長細比）；4.梁上：作用彎矩與考慮屈曲后強度抗彎承載力比值；5.左下：平面內穩(wěn)定應力比；6.右下：平面外穩(wěn)定應力比。結構、構件和連接設計STS可以根據計算的內力，對節(jié)