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1、精品名师归纳总结门式刚架轻型房屋钢结构的合理设计锦州城乡建筑设计有限责任公司史磊 摘要本文就门式刚架轻型房屋钢结构设计，着重从选材、结构布置、檩条设计、刚架设计等方面探讨其经济性、合理性。 关键此 门式刚架轻型房屋 经济 合理0、 前言在90岁月前，我国房屋钢结构主要是应用于重型厂房，90岁月初，轻型门式刚架开头得到应用。门式刚架轻型房屋钢结构体系由主刚架体系、檩条和支撑体系、爱护体系三大体系构成。其中爱护体系采纳压型钢板作为面板带来了两大主要特点：错误 . 结构自重轻 错误 .蒙皮效应强。充分利用这两大特点，在保证安全牢靠的前提下，可 以在结构造型 变截面）、支撑体系、刚度设计 侧移限制）、
2、稳固设计利用隅撑）、局部稳固 按剪力大下设加劲肋，利用屈曲后强度）、蒙皮效应利用、简洁的端板式连接等方面采纳了先进的模式 与技术，从而降低了造价，比传统钢结构更为经济合理。1、 选材1.1 主刚架选用 Q235B、Q345A及以上等级的钢材。吊车梁：行车吨位 5的t 轻级工作制吊车梁宜选用 Q235B、Q235A等级的钢材。行车吨位较大或 10中t 级工作制吊车梁宜选用 Q345B及以上等级的钢材。1.2 檩条：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结简支、小跨度的檩条宜选用 Q235A等级的钢材。连续或大跨度的檩条宜选用 345A等级的钢材。一般情形下，当由强度掌握设计时宜用Q345
3、A级钢材，充分利用其屈曲强度高的优势。当由刚度掌握设计 时宜用Q235A级钢材，在同等用钢量的情形下利用其价格优势。当 由稳固掌握设计时，可依据详细情形挑选Q345A或Q235A级钢材。1.3支撑屋面及柱间支撑一般采纳张紧的圆钢，有较大吨位行车时柱间支撑 用角钢，隅撑一般采纳角钢这类型钢依据市场情形采纳Q235钢。1.4压型钢板：基材：钢板基材在根本上打算彩涂钢板的承力性能和压型加工性能，因此在选用基材等级或牌号时，主要考虑其力学性能、化学成分 及其冷弯性能。一般情形下，钢板基材宜选用Q235或性能与其相近的牌号。如为暗扣式压型钢板，就宜选用Q345或性能与其相近的牌号。镀层：镀层在钢板防腐性
4、能方面起主要作用。各种彩板镀层分别为： a.热镀锌钢板的镀层厚度双面和最小应不小于 180g/m2，一般外层板采纳 180g/m2275g/m2，内层板可采纳 180g/m2。b.热镀锌合金化钢板的镀层厚度双面和一般取为 180g/m2。 c.热镀5%铝锌钢板 Galfan）的镀层厚度双面和一般取为 180g/m2275g/m2。 d.热镀 55%铝锌钢可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结板Galvalume）的镀层厚度双面和一般取用 150g/m2。在相同镀层厚度下，各镀层钢板的防腐性能按弱到强的排列次序是热镀锌钢板 热镀锌合金化钢板 热镀 5%铝锌钢板 热镀55%铝锌钢板。涂层
5、：涂层 或称面漆）主要是有机 碳）化合物，主要作用是出于美观以及外加爱护层的需要，因此其耐候性与防粉尘附着性是挑选 涂层时要考虑的主要因素。常用的涂层耐候性由弱到强的次序是聚酯树脂810年） 改性聚酯树脂 815年） 聚二乙烯氟树脂 20年）。2、 结构布置2.1 合理柱距门式刚架的合理柱距 69m，有行车时柱距宜小不宜大。特殊是对于行车吨位 10时t ，柱距宜 7.5m，不带行车的门式刚架柱距宜取7.5m9m，且单跨过大选用柱距也应最大，此时不仅用钢量较为经济而且能满意工艺上大柱网的要求。2.2 端框架与山墙墙架端框架即山墙采纳门式刚架，适用于以下几种情形：2.2.1 建筑规划有续建要求。2
6、.2.2 有抗震要求。2.2.3 有行车要求。2.2.4 工程的点为近海或风载较大的的区。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.2.5 檐高较高 约超过 9m）。几种情形外可考虑采纳由斜梁、抗风柱和墙梁组成的山墙墙架。结合考虑山墙面的蒙皮效应，可以用冷弯薄壁型钢做成轻型的铰接体系墙架。2.3 支撑体系门式刚架结构体系属平面结构体系。在横向即跨度方向）为平面主刚架，可以承担竖向荷载和横向荷载。在纵向是靠支撑来承担纵向 水平力，使整体刚架构成具有空间刚度的建筑。支撑系统一般用钢 量为0.51.5Kg/m 2，只占整个结构用钢量很少一部分，但其作用却很重要，设计时肯定要加以重视。支撑利
7、用圆钢时一般要求 3040m设置一道最大不宜超过 60m。柱间支撑的位置宜与屋面支撑所在柱间相同，以便两榀刚架直接构成一个稳固的空间体系，可使房屋纵向风荷载传至基础的路线更直接， 同时也使框架按有无支撑孔及连接板分类简洁，便利了制作及安装。跨度较大或风荷载较大时，支撑体系宜多设几道，此部分的用钢量很小，但对整个结构特别有利。另外，多跨度结构中的中柱宜设柱间支撑，分担部分传至基础的纵向水平荷载，使屋面支撑构成的桁架体系具有中间支座成效，大大降低了支撑杆件的内力。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结支撑的传统运算模式是不管整个建筑有多少道支撑，均按迎风面的第一道支撑体系承担全部的迎风面
8、风荷载。虽简化了运算过程且回避了支撑间纵向系杆的运算，但是这种算法明显过于保守。按文献2的风荷载及支撑系统传力模式，侧纵向系杆必定传力，因此门式刚架轻型房屋不宜按传统的简化运算模式来运算支撑系统内力。其次种简化运算方法是将两端山墙风荷载迭加在一起，除以支撑道数即得到每榀屋面桁架式水平支撑和柱间支撑所受的荷载。按文献 3中对此种方法的精确运算分析，对于斜拉杆运算为精确值，对于直压杆运算内力值过于偏小，支撑道数越多，误差越大。建议此时应依据精确运算找出直压杆的内力进行设计，以保证整个支撑体系的安全，且又经济合理。在轻钢结构支撑设计中，通常交叉杆件采纳张紧的圆钢，圆钢直径 不宜超过 30mm，以为大
9、于 30mm之后预拉力过大，此时应考虑采纳角钢支撑。传统钢结构中，屋面体系中通长的纵向系杆采纳特的的圆钢或双角钢类，用钢量大。在轻钢结构中可充分利用檩条兼作纵向系杆和屋面水平支撑中的直压杆。如受力较大可考虑用双檩条组成。此种做法与过去传统设计相比，可大大节约用钢量。3、 檩条设计3.1 檩条和墙梁主要选用 Z型或C型冷弯薄壁型钢，一般情形下除兼作可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结窗框门框因建筑需要采纳 C型墙梁外，其余情形宜优先考虑采纳 Z型构件，将此两种形式构件作比较可得出如下结论：3.1.1C型构件的剪力与形心有偏心，而 Z型构件的剪心与形心重合 如图 a示），因此在重力荷载
10、作用下 Z型构件的倾覆力矩要大于 C型构件。3.1.2 Z型构件易于搭接构成连续檩条型式。3.1.3 C型构件形状宜于作有窗设置的墙面檩条，此时C型墙梁兼作窗框。檩条承担双向弯矩和扭矩作用，受力较为复杂，同时考虑到便于运输和安装，冷弯薄壁 C型钢与 Z型钢檩条截面的高度不宜大于 300mm。3.2 拉条3.2.1 拉条作用3.2.1.1 作为檩条侧向支撑点，增加檩条的整体稳固性。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3.2.1.2 有利于削减檩条在平行于屋面坡度的跨度，降低檩条侧向弯矩。3.2.2 拉条布置及做法檩条跨度大于 4m时，应在檩条间跨中位置设置拉条。檩条跨度大于6m时，应
11、在檩条跨度三分点处各设一道拉条。在屋脊处可利用两边对 称重力平稳不设斜拉条。屋面不对称或有天窗时，在屋脊处 或天窗侧应设置斜拉条和撑杆。在檐口应设斜拉条以抗击风 吸力作用下的反向弯矩。拉条可采纳圆钢或冷弯薄壁角型钢、槽型钢。采纳圆钢作拉条时， 圆钢直径宜不小于 10，以使檩条上的开孔孔径与支座处孔径一样。3.3 连续檩条设计将檩条设计成 Z型嵌套式搭接 图b）构成连续梁模式，比简支梁檩条刚度大 挠度小），内力小，可大大节约用钢量。因此连续檩条适用于屋面荷载较大、跨度较大的情形。为了便于嵌套搭接设计上下翼缘不等宽，为使嵌套搭接具有连续梁成效，其搭接区长度不宜小于跨度的 10%。依据文献 7 ，由
12、于嵌套搭接存在有较大的间隙，在支座处约有 10%的弯矩释放，此释放量将加到在跨中去。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3.4 多跨静定檩条设计实腹式多跨静定檩条宜采纳高频 H型钢，适用于柱距大或屋面荷载很大的情形。多跨静定檩条的静力铰设置位置宜使支座弯矩与跨中弯矩大致相等，通常可设在与支座的距离为邻跨跨度的1/6处图C）。同时需考虑铰节点处抗扭措施，可采纳设拉条等方式。3.5 檩条的稳固性设计檩条的稳固性应考虑围护板的布置和固定方式并通过构造方法类解决。如屋面板为双层且与檩条上、下翼缘均有牢靠连接时，稳固可不运算，仅运算强度。如屋面板为单层且与檩条上翼缘有牢靠连接时，宜在靠檩条下
13、翼缘处设单排圆钢拉条，保证下翼缘受压时不失稳。如屋面板为单层且为咬合或暗扣式板，宜在靠檩条上、下翼缘可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结处设双排圆钢拉条或采纳 C型截面拉条，以保证上翼缘或下翼缘受压时不失稳。4、 刚架设计4.1 刚架选型：4.1.1 单脊双坡与多脊多坡多跨刚架采纳单脊双坡屋顶有利于屋面排水，且天沟仅设两道，做法较简便，如不设女儿墙仍可采纳外挂天沟可有效防止屋内漏水， 因此在多雨的区宜采纳此种建筑方案。在跨度大且设置女儿墙时宜采纳多脊多坡结构形式，可削减建筑高度，也可减小钢梁挠度引起的屋面凹坑效应，防止屋面积水。同时女儿墙高度比单脊双坡结构女儿墙高度小，风载较大时此
14、结构型是比单脊双坡结构合理。但多脊多坡结构形式将增加檩条、内天沟和室内排水沟的费用，且天沟简洁产生渗漏和堆雪现象。以上两种结构形式在跨度想同时，刚架用钢量相差不大。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4.2 构件形式：4.2.1 柱：柱脚铰接时宜采纳楔形柱，其高度变化依据门式刚架弯矩分布图， 可达到充分利用材料的目的，进一步仍可以利用屈曲后的强度，使构件的高厚比大于传统的钢结构构件。柱脚刚接时宜采纳等截面柱，制作简便。4.2.2 梁：双楔形梁比两端加腋梁易于流水线生产，但截面变化与梁的应力变化符合程度不及两端加腋梁，因此用钢量比两端加腋梁耀稍高。设计时宜依据门式刚架弯矩分布图采纳两
15、端加腋梁。 图d）4.3 构件截面尺寸：4.3.1 满应力设计：刚架采纳变截面构件，其截面变化依据主要弯曲应力M 与轴压应可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结力N两者的运算值 “组合”的应力图形变化。利用截面变化，使各截面“组合应力 ”与材料设计强度的比值尽可能接近，也就是使材料分布根接近于应力图形的分布，从而将刚架设计得经济合理。.4.3.2 初定截面尺寸：梁、柱采纳 H型截面，其高宽比 h/b）约为 26，此值随选用的截面 增高而逐步增大。楔形柱小头截面的高度不应小于200mm，大头截面高度约为跨度的 1/301/40。等截面柱截面的高度约为柱高的 1/18 1/25。两端加腋
16、梁等截面部分的截面高度约为跨度的1/501/60，与边柱连接的加腋高度约为跨度的 1/30，与中柱连接的加腋高度约为跨度的 1/251/30。4.4 摇摆柱设计摇摆柱应依据其两端连接构造的实际情形，进行合理设计。如使用的运算软件不能考虑摇摆柱两端因弹性嵌固而产生的弯矩和剪力， 在详细设计中需要设计人员通过概念设计来考虑。例如掌握应力水平，是一种较为简洁的解决方法。为节约用钢量，多跨结构的中柱宜采纳摇摆柱，但中柱设为摇摆柱时，需依靠边柱对其供应柱顶的侧向约束，从而加重了边柱的负担，使边柱平面内运算长度增大。特殊檐高较高的多跨结构的中柱宜部分采纳摇摆柱，其余中柱柱顶与钢梁刚接连接，中柱为摇摆柱时不
17、宜连续超过 3根。4.4构件稳固设计：4.5.1 构件的整体稳固设计可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结构件侧向无约束自由长度越长，稳固性越差，就所要求构件的翼缘宽度也应越宽。门式刚架轻型房屋常将屋面金属板和墙面金属板坚固的连接在檩条上。檩条通过檩托坚固的连接在框架上，形成一个相互约束的空间整体结构，利用爱护板对檩条构成侧向约束，檩条就构成梁和柱的侧向约束，充分利用这种约束是一种特别经济有效的解决各构件整体稳固的途径。当檩条与构件的受压翼缘相连接时，檩条构成对构件的侧向支撑。当檩条与构件的受拉翼缘相连接时，加隅撑连接檩条与受压翼缘使之成为构件的侧向支撑，以保证构 件的整体稳固。梁、
18、柱侧向无约束自由长度，此时取隅撑之间的最 大间距。按 CECS102： 2002中6.1.6第6条中斜梁不需运算整体稳固性的侧向支撑点间最大长度，可取斜梁受压翼缘宽度16倍，对于檩距约 1.4m1.5m，翼缘宽度为 200240mm的斜梁，其长度约为 2个檩距。作为一般性原就，在梁柱连接邻近区域，因其负弯矩值大，为稳固大主要掌握区，宜每根檩条均设置隅撑。尽管每根檩条处设置隅撑，但斜梁的平面外运算长度仍不能小于檩条间距。其余区域就每隔一檩条设一道隅撑。4.5.2 构件的局部稳固设计工字型截面的梁中，腹板在参加抗击弯矩的工作中远不如翼缘有效，因此，腹板宜做高而薄，才能使材料用得更加经济合理。但如此
19、一来，腹板就可能显现局部屈曲，局部屈曲也会影响到构件的整体稳固承载才能。传统的钢结构设计，以腹板的局部屈曲临界剪应力可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结不低于其抗剪强度 fvy为条件，局部屈曲临界弯曲应力不低于其弯曲强度Fy为条件，按此条件，就腹板高厚比达到 80时，就必需设置横向加劲肋，高厚比达到 170时，就必需设置纵向加劲肋。事实上，在轻钢结构中，跨度较大，剪应力水平远低于fvy，弯曲应力在远离梁 柱节点处也远低于 fy。明显，按传统钢结构设计，必将设置许多加劲肋。轻钢结构设计按其应力水平的大小，判定是否需设加劲肋。这样一来，主要梁 柱节点处设置加劲肋，其余处很少需设加劲肋。
20、此外，在轻钢结构中，仍可进一步考虑利用高薄腹板所形成的膜应力效应或设加劲肋之后的张拉应力场效应，充分利用其屈曲后的强度。4.6 构件节点设计4.6.1 柱脚设计常规的门式刚架轻型房屋自重轻，在水平荷载特殊是风荷载） 组合作用下，刚接柱脚型式的柱底反力偏心距往往很大，为了满意此要求，基础便做得较大，造成不经济。另外如工程的点的质条件 较差时，基础的造价对柱底弯矩的大小更为敏锐。因此对于不带行 车或行车吨位 5t的门式刚架柱底就宜做成刚接以满意侧向刚度大的要求。刚接柱脚底板不要轻易用厚板，应考虑设置加劲肋减小底板的弯矩，以求减小底板厚度。铰接柱脚通过运算锚栓直径往往很小，且用二颗锚栓固定柱脚可编辑
21、资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结好像更接近铰接运算模型，但实际工程需要考虑施工安装问题：在 柱底板底面与基础顶面之间有一层 5070mm厚的二次浇灌层，浇灌层是在钢柱安装到位且调整完毕后才进行施工的。浇灌之前钢柱底板需用调整螺母或沿底板周边加斜垫块作为暂时支撑件。如图e示，在底板的一个方向上锚栓仅为一排，钢柱在安装调整过程中易使锚栓折弯甚至弯断，因此在采纳铰接柱脚型式时建议用四个锚栓固定，就底板的二个方向上均为二个锚栓，保证施工的便利与安全。4.6.2 梁柱连接节点等截面边柱与梁连接宜采纳侧向竖接，楔形边柱与梁连接宜采纳柱顶平接或斜接，中柱与梁连接宜采纳柱顶平接。可编辑资料 - -
22、- 欢迎下载精品名师归纳总结平面框架建模运算时，模型中的梁、柱杆件节点往往与施工图设 计中的梁、柱连节点位置略有偏差 如图f所示）。梁住竖向连接时应取A-A 处内力，梁、柱横向连接时应取B-B处内力。由于该节点处弯矩从最大植沿梁、柱方向在很短距离里 下降很快 如图g示），因而此时如按 O点最大弯矩用于该节点设计时过于保守，造成端板的连接实际上不能完全达到刚接的成效，有可能调幅，在该节点处弯矩会释放一部分到跨中，因此该节点实际内力应小于设计内力。建议梁、柱连接节点内力应取相应连接处的内力进行节点设计，不考虑调幅的影响。柱顶竖向端板加厚宜采纳内平方式，同一柱内腹板就可等宽，便利了制作。梁-柱或梁-
23、可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结梁直接采纳端板式连接比传统钢结构采纳拼板式连接要简洁得多。 在端板式连接中，所采纳的高强度螺栓主要承担拉力的作用，所承 受的剪力很小。一般情形下不到其摩擦抗剪按抗滑移系数为 0.3计）才能的 10%。此种连接型式中，无需实行提高抗滑移系数的措施2。因此，轻钢连接采纳端板式连接，可大大节约成本。当然，端板式连接对于高强度螺栓的预紧力是有严格要求的，必需保证预紧力，否就节点的松动会影响整个刚架的刚度达不到要求。4.7 檩托檩托的作用是： 1.便利安装。 2.对檩条供应抗侧向倾覆约束。檩托宜采纳角形截面或背面加劲板 如图 h示）。不宜采纳单块钢板作檩托
24、，这种檩托侧向刚度很差，在不利荷载作用下易倾覆。5、 小结依据以上分析，小结如下：5.1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结门式刚架构件宜选用 Q235B、Q345A钢材，对于围护板应依据其板型及使用条件挑选其相应的基板和镀层及涂层的彩钢板。5.2柱网尺寸宜依据厂房跨度大小，行车设置情形及工艺要求等选取。5.3结构选型：采纳变截面构件符合刚架弯矩分布情形，达到充分利用材料之目的。5.4 利用檩条兼坐屋面支撑体系中的压杆，可大大节约用钢量。5.5 连续檩条较之简支檩条刚度大 挠度小）、内力小，可节约用钢量。5.6利用檩条加隅撑形成对屋面梁、柱侧向约束，减小其平面外的运算长度，提高其稳
25、固承载力，经济合理。5.7 局部稳固应依据剪应力水平确定是否设置加劲肋。5.8端板式连接强度螺栓因承担的剪力很小，可不必考虑端板式的抗滑移系数。5.9 梁、柱连接节点可取相应节点处的内力进行设计。5.10 考虑安装因素，铰接柱脚宜采纳四颗螺栓固定。参考文献1 陈友泉 轻钢结构蒙皮效应的应用探讨，建筑结构2002二期2 中国工程建设标准化协会标准，门式刚架轻型房屋钢结构技术规可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结程CECS102： 2002。3 陈友泉关于轻钢结构支撑系统内力运算及设计问题的探讨。待发表）4 陈友泉美国钢结构设计与中国钢结构设计如干问题的比较讨论，97上海轻型钢结构技术沟通会论文集。5 陈绍蕃 钢结构设计原理，科学出版社，2001。6 浙江高校杭萧钢结构讨论中心，弯斜卷边Z型连续檩条的抗弯性能试验及设计方法讨论， 2001.11可编辑资料 - - - 欢迎下载