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1、mAAA钢结构设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望0.1 钢结构的特点和应用范围钢结构的特点和应用范围1.轻质高强轻质高强;由于钢材强度高，结构需要的构由于钢材强度高，结构需要的构件截面小件截面小,结构自重轻。结构自重轻。a=容重容重/强度强度,a越小，结构相对越越小，结构相对越轻。轻。钢材：钢材：a=1.73.710-4/m；木材：木材：a=5.410-4/m；钢砼：钢砼：a=1810-4/m；一、钢结构的特点一、钢结构的特点澳大利亚啤酒中心澳大
2、利亚啤酒中心第0章 绪论1 2.钢材的钢材的塑性塑性和和韧性韧性好；好；塑性塑性和和韧性韧性是概念上完全不同的两个物理量。是概念上完全不同的两个物理量。塑性塑性 塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而突然断裂，给人以安全保证；载而突然断裂，给人以安全保证；韧性韧性承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。23.材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力 学假定符合较好学假定符合较好;钢材屈服前看
3、作弹性材料钢材屈服前看作弹性材料,屈服以后看作塑性或弹塑性材屈服以后看作塑性或弹塑性材料料4.制作、安装简便，工期短，符合工业化要求制作、安装简便，工期短，符合工业化要求;国国家家大大剧院院屋屋架架安安装装钢结构住宅构住宅35、密闭性好，不渗漏密闭性好，不渗漏;6、钢材耐热性好，耐火性差钢材耐热性好，耐火性差;当结构表面长期受辐射热达当结构表面长期受辐射热达 150 以上或在短时间以上或在短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施；内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施；600摄氏度时强度约为摄氏度时强度约为0。7、钢材耐腐蚀性差钢材耐腐蚀性差。二、钢结构的应用范围二、钢结构的应用范
4、围1.大跨度结构大跨度结构40.2 0.2 钢结构的设计方法一、钢结构设计方法的演变一、钢结构设计方法的演变1.1.容许应力方法容许应力方法 从从20世世纪初到初到20世世纪5O年代，年代，钢结构采用安构采用安全系数法全系数法设计，即，即:N-构件截面的内力；构件截面的内力；A-构件截面几何特征；构件截面几何特征；F-钢材的最大材的最大强度；度；K-大于大于1的安全系数；的安全系数；-钢材的容材的容许应力。力。52.2.概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法(1)(1)极限状态：极限状态：当结构或其组成部分超过某一特定状当结构或其组成部分超过某一特定状 态就不能满足设计规定的某一功能要求时，
5、此特定状态态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态称为结构的极限状态。称为结构的极限状态。(2)(2)极限状态分为两类：极限状态分为两类：b.b.正常使用极限状态正常使用极限状态:包包括括：影影响响正正常常使使用用或或外外观观的的变变形形、影影响响正正常常使使用用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。a.a.承载能力极限状态承载能力极限状态:包包括括：强强度度破破坏坏、疲疲劳劳破破坏坏、不不适适于于继继续续承承载载的的变变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。6 (3)根据应用概率分析的程度不同
6、，可分为三种水准：根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：半概率极限状半概率极限状态设计方法方法;近似概率极限状近似概率极限状态设计方法方法;全概率全概率设计方法。方法。a.半概率极限状半概率极限状态设计方法方法;1).三系数法三系数法（当（当时称称为计算极限状算极限状态法法）:1957年至年至1973年我国年我国钢结构构设计采用半概率的分采用半概率的分项系系数法数法,结构构设计中引入三个分中引入三个分项系数，即系数，即:荷荷载分分项系数系数-考考虑荷荷载的不定性的不定性;材料分材料分项系数系数-考考虑材料的不均性材料的不均性;工作条件系数工作条件系数-考考虑结构及构件的工作特点以及某些假
7、定构及构件的工作特点以及某些假定的的计算算简图与与实际情况不完全相符等因素情况不完全相符等因素。72)半半经验半概率极限状半概率极限状态设计法法(容容许应力法）力法）N-构件截面的内力；构件截面的内力；A-构件截面几何特征；构件截面几何特征；K1-荷荷载系数；系数；K2-材料系数材料系数;K3-调整系数；整系数；fyk-钢材的屈服材的屈服强度度标准准值；-钢材容材容许应力力8b、近似概率极限状、近似概率极限状态设计法法 （现行行钢结构构设计规范范(GB500172003)）结构的工作性能可用构的工作性能可用结构的构的“功能函数功能函数”来描述：来描述：Zg（X1，X2，Xn）式中：式中：g（）
8、-结构的功能函数；构的功能函数；Xi(i1，2,n)-影响影响结构可靠性的各物理量。构可靠性的各物理量。9 将各因素概括将各因素概括为两个两个综合随机合随机变量量-结构的抗力构的抗力R、作用效作用效应S，则公式（公式（1-3）可以写成：）可以写成：Zg（R，S）RS （1-4）在在实际工程工程结构中，可能出构中，可能出现下列三种情况：下列三种情况：Z0表示表示结构构处于于可靠可靠状状态；Z0表示表示结构构处于于极限极限状状态 Z0表示表示结构构处于于失效失效状状态；判断判断结构是否可靠，要看构是否可靠，要看结构是否达到极限状构是否达到极限状态，为此，通常将下式：此，通常将下式：Zg(R，S)R
9、S0 (1-5)称称为极限状极限状态方程方程。10结构能完成构能完成预定功能的概率定功能的概率(可靠度可靠度)用用Ps表示，表示，则：PsPZ0结构不能完成构不能完成预定功能的概率定功能的概率(失效概率失效概率)用用Pf表示，表示，则：PfPZ0由于事件由于事件Z0与事件与事件Z0是是对立事件，所以立事件，所以结构的可靠度与构的可靠度与结构的失效概率构的失效概率满足足:Ps Pf 1 或或 Ps1-Pf11 因因为R和和S都是随机都是随机变量，且假定都服从正量，且假定都服从正态分布，由分布，由 概率概率论原理知功能函数原理知功能函数 Z=R-S 也服从正也服从正态分布分布,则:f(z)f(z)
10、P Pf fz zZ 的概率密度曲的概率密度曲线Z=R-SZ=R-S 令：令：Z、R、S的平均的平均值分分别为z、R、s，标准差分准差分别为z、R、s，则:12 f(z)f(z)z zZ 的概率密度曲的概率密度曲线P Pf fZ=R-S因因服从服从标准正准正态分布，故上式又可写成：分布，故上式又可写成：式中式中:()-标准正准正态函数；函数；-1()-标准正准正态函数函数的反函数的反函数。13l从从图中可以看出中可以看出与失效概率与失效概率Pf 间存在着一一存在着一一对应关系关系,即即:1).减小减小时，阴影部分，阴影部分 的面的面积增大，即失效概增大，即失效概 率率Pf增大增大；2).增大增
11、大时，阴影部分，阴影部分 的面的面积减少，亦即失效减少，亦即失效 概率概率Pf减小减小。l说明说明可以作为衡量结可以作为衡量结 构构可靠度可靠度的一个数量指的一个数量指 标标。可靠度指标可靠度指标f(z)zZ 的概率密度曲的概率密度曲线PfZ=R-S14标准准正正态分分布布时 与与 的的对应值 4.03.17X10-53.71.08X10-43.26.87X10-41.35X10-33.0 的的计算算:代入代入的定义的定义式得：式得：15又：16 c.全概率全概率设计法法对结构的各种基本构的各种基本变量均采用随机量均采用随机变量或随机量或随机过程程来描述，来描述，对结构构进行精确的概率分析，求
12、得行精确的概率分析，求得结构最构最优失失效概率作效概率作为结构可靠度的直接度量。构可靠度的直接度量。三、钢结构设计表达式三、钢结构设计表达式 a.a.采用以概率理论为基础的极限状态设计方法采用以概率理论为基础的极限状态设计方法(疲劳问疲劳问题除外题除外)，用分项系数的表达式进行计算；，用分项系数的表达式进行计算；b.b.结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。形式考虑。17（一）（一）按承载能力极限状态设计按承载能力极限状态设计 应考考虑荷荷载效效应的基本的基本组合或偶然合或偶然组合合进行荷行荷 载（效（效应）组合，采用下列表达式合
13、，采用下列表达式设计：式中：式中：o-结构重要性系数；构重要性系数；S-荷荷载效效应（组合）的合）的设计值；R-钢结构构件或构构件或连接材料抗力的接材料抗力的设计值。18荷载效应组合如下：荷载效应组合如下：2.由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：SGk：永久荷载，永久荷载，SQk：可变荷载：可变荷载3.荷载分项系数取值如下：荷载分项系数取值如下：1.由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：19（1）永久荷）永久荷载分分项系数系数 当其效当其效应对结构不利构不利时 -对可可变荷荷载效效应控制的控制的组合，合，应取取1.2;-对永久荷永久荷载效效应控制的控制的组合，合，
14、应取取1.35;当其效当其效应对结构有利构有利时 -一般情况下一般情况下应取取1.0；-对结构的构的倾覆、滑移或漂浮覆、滑移或漂浮验算，算，应取取0.9。（2）可）可变荷荷载的分的分项系数系数 -一般情况下一般情况下应取取1.4；-对标准准值大于大于4kN/m2的工的工业房屋楼面房屋楼面结构的构的 活荷活荷载标准准值应取取1.3。20 对对于于钢钢结结构构这这种种单单一一材材料料，可可以以将将荷荷载载效效应应表表达达式式用应力形式表示。用应力形式表示。可变荷载起控制作用时：可变荷载起控制作用时：永久荷载永久荷载起控制作用时：起控制作用时：式中：式中：4、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式钢结
15、构构件承载能力极限状态设计表达式21-钢材或材或连接材料接材料强度度设计值。-钢材或材或连接材料接材料强度度标准准值。-钢材或材或连接材料抗力分接材料抗力分项系数，系数，对于于Q235Q235钢R R=1.087=1.087;Q345;Q345、Q390Q390、Q420Q420钢R R=1.111=1.111 。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。22(二二)正常使用极限状态正常使用极限状态1.对于正常使用极限状于正常使用极限状态，要求分，要求分别采用采用荷荷载的的标准准组合、合、频遇遇组合和准永久合和准永久组合合，并使，并使变形等不超形等
16、不超过相相应的的规定限定限值。Gk-永久荷永久荷载标准准值在在结构或构或结构构件中构构件中产生的生的 变形形值；Q1k-第第1个个可可变荷荷载的的标准准值在在结构或构或结构构件中构构件中 产生的生的变形形值（该值使使计算算结果果为最大）；最大）；23 Qik-其他第其他第i个可个可变荷荷载标准准值在在结构或构件中构或构件中产 生的生的变形形值。-结构或构或结构构件的容构构件的容许变形形值。注:组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。2.对于于受受压、受拉构件受拉构件，规范范规定定应限制其限制其长细比，比，即即:式中：式中：-受受压、受拉构件的、受拉构件的计算算长细比比；-规范范规定的
17、受拉、受定的受拉、受压构件容构件容许长 细比，按比，按规范采用。范采用。24（三）使用设计表达式的注意事项（三）使用设计表达式的注意事项 1.计算静力算静力强度和度和稳定定时，采用荷，采用荷载的的设计值；疲；疲劳计算、算、变形形计算采用荷算采用荷载的的标准准值。2.强度度设计指指标f 1)强度度设计值的种的种类、性、性质；2)按板厚或直径分按板厚或直径分组；例如例如:按按轴心受力心受力计算算单面面 连接接单角角钢的的强度度时。25第一章第一章 门式刚架轻型房屋钢结构门式刚架轻型房屋钢结构门式刚架轻型房屋钢结构具有受力简单、传力路径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点，因此广泛应
18、用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。门式刚架轻型房屋钢结构起源于美国，经历了近百年的发展，目前已成为设计、制作与施工标准相对完善的一种结构体系。1.1 概述一、门式刚架结构的组成26(1)、横向框架由柱和它所支承的屋架或屋盖横梁组成，是单层厂房钢结构的主要承重体系，承受结构的自重、风、雪荷载和吊车的竖向与横向荷载，并把这些荷载传递到基础。(2)、屋盖结构承担屋盖荷载的结构体系，包括横向框架的横梁、托架、中间屋架、天窗架、檩条等。(3)、支撑体系包括屋盖部分的支撑和柱间支撑等，它一方面与柱、吊车梁等组成单层厂房钢结构的纵向框架，承担纵向水平荷载；另一方面又把主要承重体系由个别的平
19、面结构连成空间的整体结构，从而保证了单层厂房钢结构所必需的刚度和稳定。(4)、吊车梁和制动梁（或制动桁架）主要承受吊车竖向及水平荷载，并将这些荷载传到横向框架和纵向框架上。(5)、墙架承受墙体的自重和风荷载。27l支撑布置的目的是使每个温度区段或分期建设的区段建筑能构成稳定的空间结构骨架。l平面门式刚架和支撑体系组成了轻型钢结构的主要受力骨架。l屋面檩条和墙面檩条既是围护材料的支承结构，又为主结构梁柱提供了部分侧向支撑作用，构成了轻型钢建筑的次结构。屋面板和墙面板起整个结构的围护和封闭作用，由于蒙皮效应事实上也增加了轻型钢建筑的整体刚度。28二、门式刚架的特点l主要依据 冷弯薄壁型钢结构技术规
20、范（GB500182002）门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）l适用条件:1)轻型轻型屋盖，轻型外墙；2)承重结构单跨和多跨实腹式门式刚架 3)无吊车，Q20t桥式吊车，Q3t悬挂吊车l受力特点：构件中的板件宽度比较大，利用了板件的屈曲后强度。计算构件的截面特征时，根据板件的有效宽度来计算。29有效宽度法 l所谓有效宽度法指在设计中为了合理利用受压板件的超屈曲强度所采用的一种简化计算方法。l以均匀受压的两边支承板件，其临界应力可按下式计算 30有效宽度法 l当板件宽厚比较大时由于边缘效应及薄膜张力的作用，板件可承受比上述临界应力大得多的应力，宽厚比越大，这种现象就越明显
21、，增加的外荷主要由板件靠近两纵边的部分承受，板件中间部分的应力则保待值不变甚或略有减小。l整个板件截面上的应力将呈马鞍形分布，直至随着外荷的不断增大，板边的应力达到钢材的屈服点时，板件才失稳丧失承载能力。通常把板件所能承受的大于其临界应力的强度称作板件的超屈曲强度。3132l为了方便设计计算方便：Bef称为受压板件的有效宽度 33特点1 1）质量轻：用钢量为）质量轻：用钢量为101030kg/m30kg/m2 2,自重为砼的自重为砼的1/201/201/301/30；2 2）存在蒙皮效应，整体刚度好；）存在蒙皮效应，整体刚度好；3 3）柱网布置灵活：柱距不受模数限制，可省钢优化柱距）柱网布置灵
22、活：柱距不受模数限制，可省钢优化柱距4 4）支撑系统简洁：整体性可依靠檩条、隅撑保证；）支撑系统简洁：整体性可依靠檩条、隅撑保证；5 5）综合效益高：造价高于砼（材料价格），但周期短，）综合效益高：造价高于砼（材料价格），但周期短，投资效益高；投资效益高；6 6）工业化程度高周期短：构件工厂制作，无湿作业；）工业化程度高周期短：构件工厂制作，无湿作业；7 7）对制作、涂装、运输、安装要求高：壁薄，外力撞）对制作、涂装、运输、安装要求高：壁薄，外力撞 击下易变形，锈蚀后果严重。击下易变形，锈蚀后果严重。t tminmin=3.0mm=3.0mm（焊接）（焊接）1.5mm(1.5mm(冷弯）冷弯）
23、0.4mm(0.4mm(压型钢板）压型钢板）34蒙皮效应蒙皮效应 l指在建筑物的表面覆盖材料（屋面板和墙板）利用本指在建筑物的表面覆盖材料（屋面板和墙板）利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。l工作原理：围护板与檩条以及板与板之间通过不同的工作原理：围护板与檩条以及板与板之间通过不同的紧固件连接起来，形成了以檩条作为其肋的一系列隔紧固件连接起来，形成了以檩条作为其肋的一系列隔板。这种板在平面内具有相当大的刚度，类似于薄壁板。这种板在平面内具有相当大的刚度，类似于薄壁深梁中的腹板，檩条类似于薄壁深梁中的加劲肋，板深梁中的腹板，檩条类似于薄壁深梁
24、中的加劲肋，板的四周连接墙梁或檩条类似于薄壁深梁中的翼缘，可的四周连接墙梁或檩条类似于薄壁深梁中的翼缘，可以用来传递板平面内的剪力，承受板平面内的各种荷以用来传递板平面内的剪力，承受板平面内的各种荷载作用（图载作用（图1-3）。）。35应用范围包括各类轻型厂房，体育场馆、车站候车大厅、仓应用范围包括各类轻型厂房，体育场馆、车站候车大厅、仓库、物流中心、大型超市、展览厅、活动房屋、加层建筑、码库、物流中心、大型超市、展览厅、活动房屋、加层建筑、码头建筑、办公场所以及辅助性建筑等。据不完全统计国内每年头建筑、办公场所以及辅助性建筑等。据不完全统计国内每年至少有至少有1000万平方米的轻钢结构建筑物
25、竣工。万平方米的轻钢结构建筑物竣工。门式刚架轻型钢结构是一种非常有发展前途的建筑结构形式。门式刚架轻型钢结构是一种非常有发展前途的建筑结构形式。三、门式刚架结构的应用三、门式刚架结构的应用361.2 结构形式和结构布置1.2.1 结构形式l 门式刚架又称山形门式刚架。其结构形门式刚架又称山形门式刚架。其结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨。按屋面式按跨度可分为单跨、双跨和多跨。按屋面坡脊数可分为单坡、双坡、多坡屋面。坡脊数可分为单坡、双坡、多坡屋面。l 结构形式的选取考虑生产工艺、吊车吨结构形式的选取考虑生产工艺、吊车吨位及建筑尺寸等因素位及建筑尺寸等因素37单跨单坡单跨单坡单跨双坡单跨双坡多
26、跨（中间摇摆柱）多跨（中间摇摆柱）高低跨高低跨双坡双跨双坡双跨门式刚架的各种结构形式门式刚架的各种结构形式多跨（梁柱刚结）多跨（梁柱刚结）四坡双跨四坡双跨摇摆柱摇摆柱38l 多脊多坡多脊多坡 V.S.单脊双坡单脊双坡l 不等高刚架不等高刚架l 双坡多跨刚架的中柱布置双坡多跨刚架的中柱布置摇摆柱梁柱节点摇摆柱梁柱节点铰接连接铰接连接梁柱节点梁柱节点刚性连接刚性连接39l 等截面等截面 V.S.变截面变截面l 刚架柱底铰接刚架柱底铰接 V.S.刚接刚接l 屋面坡度屋面坡度1/201/8l 单元连接单元连接40 刚接柱脚详图 铰接柱脚详图 刚接柱脚门式刚架 铰接柱脚门式刚架变截面梁变截面梁、柱411
27、.2.2 1.2.2 结构布置结构布置1.1.刚架的建筑尺寸和布置刚架的建筑尺寸和布置 跨度：跨度：横向刚架柱轴线间距离；一般为横向刚架柱轴线间距离；一般为9-36m9-36m 轴线：轴线：梁、柱轴线；边柱取外皮梁、柱轴线；边柱取外皮 高度：高度：刚架高度、檐口高度、最大高度、净高刚架高度、檐口高度、最大高度、净高 外形尺寸：外形尺寸：宽度侧墙墙梁外皮；长度山墙墙梁外皮宽度侧墙墙梁外皮；长度山墙墙梁外皮 刚架高度：刚架高度：取地坪柱轴线与斜梁轴线交点高度，宜取取地坪柱轴线与斜梁轴线交点高度，宜取 4.5-9m4.5-9m 柱距柱距：应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，应综合考虑刚架跨
28、度、荷载条件及使用要求等因素，宜取宜取6m6m、7.5m7.5m、或、或9m9m 挑檐长度挑檐长度：根据使用要求确定，宜为根据使用要求确定，宜为0.50.51.2m1.2m422.2.结构平面布置结构平面布置 温度分区温度分区 ：纵向温度区段纵向温度区段300m 300m；横向温度区段；横向温度区段150m120m120m或或8 8度、度、9 9度且结构单元度且结构单元90m90m时时,中部中部1/31/3区段，以免传力路程太长；区段，以免传力路程太长；在吊车梁以上的部分称为上层支撑，吊车梁以下部分在吊车梁以上的部分称为上层支撑，吊车梁以下部分称为下层支撑称为下层支撑为保证面外稳定为保证面外稳
29、定,可设置隅撑可设置隅撑;保证施工过程中的稳定性保证施工过程中的稳定性.1檩檩条（条（墙墙梁）梁）2隅撑隅撑 3刚刚架横梁（架横梁（钢钢柱）柱）23150l当温度区段小于90m时，在它的中央设置一道下层支撑51l如果温度区段长度超过90m，则在它的1/3点处各设一道支撑，以免传力路程太长。52l在短而高的单层厂房钢结构中，下层支撑也可布置在单层厂房钢结构的两端。53l为了传递风力，上层支撑需要布置在温度区段端部，由于单层厂房钢结构柱在吊车梁以上部分的刚度小，不会产生过大的温度应力，从安装条件来看这样布置也是合适的。l在有下层支撑处也应设置上层支撑。l支撑可作为框架柱在框架平面外的支点，减少柱在
30、框架平面外的计算长度。54v 1.3.1 1.3.1 荷载及荷载组合荷载及荷载组合v 1.3.2 1.3.2 刚架的内力和侧移计算刚架的内力和侧移计算v 1.3.3 1.3.3 刚架柱和梁的设计刚架柱和梁的设计1.3 1.3 刚架设计刚架设计551 1）永久荷载）永久荷载(G)(G)：包括结构构件的自重和悬挂在结：包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。2 2）可变荷载）可变荷载(D)(D)：屋面活荷载：屋面活荷载 、屋面雪荷载和积灰、屋面雪荷载和积灰荷载
31、、检修集中荷载、吊车荷载荷载、检修集中荷载、吊车荷载 、地震作用、地震作用 、风荷载。风荷载。1.3.11.3.1荷载及荷载组合荷载及荷载组合56l均布活载的标准值（按投影面积算）取0.5kN/m2；投影面积大于60平米,取0.3kN/m2l检修集中荷载标准值取1.0kN或实际值l均布活荷载与雪荷载不同时考虑，取较大值计算l积灰荷载与雪和均布活载中的较大值同时考虑；l检修荷载只与结构自重荷载同时考虑；57l风载(W)：现行门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:2002)3对于风荷载的取用是以GB50009-2001为基础的，关于风荷载体形系数是按照美国金属房屋制造商协会MBMA低层房
32、屋体系手册（1996）中有关小坡度房屋的规定取用的；l温度(T)：按实际环境温差考虑；l吊车(C)：按GB50009-2001的规定取用，但吊车的组合一般不超过两台；l地震作用(E)：按GB50009-2001的规定取用，不与风荷载作用同时考虑。58 荷载组合原则：荷载组合原则：屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；中的较大值；积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；值同时考虑；施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑
33、；外的其他荷载同时考虑；多台吊车的组合应符合多台吊车的组合应符合荷载规范荷载规范的规定；的规定；当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。时考虑。59 在进行刚架内力分析时，荷载效应组合主要有：在进行刚架内力分析时，荷载效应组合主要有：组合（组合（1 1）：）：用于截面强度和构件稳定性计算用于截面强度和构件稳定性计算 1.21.2永久荷载永久荷载+0.91.4+0.91.4积灰荷载积灰荷载+max+max屋面均屋面均布活荷载、雪荷载布活荷载、雪荷载+0.91.4(+0.91.4(风荷载风荷载+吊车竖吊车竖向及水平荷载向及水平荷载)组合（组合（2
34、 2）：）：用于柱脚及锚栓抗拉计算用于柱脚及锚栓抗拉计算 1.01.0永久荷载永久荷载+0.91.4(+0.91.4(风荷载风荷载+邻跨吊车水平邻跨吊车水平荷载荷载)组合（组合（3 3）：）：用于柱脚及锚栓抗拉、抗倾覆计算用于柱脚及锚栓抗拉、抗倾覆计算 1.0 1.0永久荷载永久荷载+1.4+1.4风荷载风荷载 60 在进行刚架内力分析时，荷载效应组合主要有：在进行刚架内力分析时，荷载效应组合主要有：组合（组合（4 4）：）：用于截面强度和构件稳定性计算用于截面强度和构件稳定性计算 1.21.2永久荷载永久荷载+1.4+1.4积灰荷载积灰荷载+max+max屋面均布活屋面均布活荷载、雪荷载荷载
35、、雪荷载组合（组合（5 5）：）：用于地震作用和自振特性计算用于地震作用和自振特性计算 1.01.0永久荷载永久荷载+0.5+0.5积灰荷载积灰荷载+max+max屋面均布屋面均布活荷载、雪荷载活荷载、雪荷载+1.0+1.0吊车自重吊车自重组合（组合（6 6）：）：用于地震作用参与组合的计算用于地震作用参与组合的计算 1.2 1.2永久荷载永久荷载+1.40.5+1.40.5 积灰荷载积灰荷载+max+max屋面屋面均布活荷载、雪荷载均布活荷载、雪荷载+1.3+1.3地震作用地震作用61当满足以下条件之一时，轻型门架可不考虑地震当满足以下条件之一时，轻型门架可不考虑地震作用，只进行基本内力计算
36、：作用，只进行基本内力计算：6 6度设防度设防7 7度设防，且风载标准值度设防，且风载标准值0.350.35k kN/mN/m2 28 8度设防，且风载标准值度设防，且风载标准值0.450.45k kN/mN/m2 2621.3.2 1.3.2 刚架内力和侧移计算刚架内力和侧移计算l因变截面构件有可能在不同部位同时形成塑性铰，故不宜利用塑性铰出现之后的内力重分布，且构件腹板通常很薄，塑性发展潜力不大，所以变截面门架应采用弹性分析方法确定各种内力。在构件全为等截面时才允许采用塑性分析方法。l轻钢结构内力和位移的计算采用一阶弹性理论，即线性的结构力学方法。一阶弹性理论的基本假定是结构处于弹性状态、
37、结构产生的较小位移引起的二阶效应可以忽略不计。l结构的节点位移会产生杆端内力的效应，而杆件本身的变形也会产生杆身内力的效应。而效应反过来又会引起结构位移的变化。这样的相互耦联和相互影响的效应称为结构的二阶效应。l必须采用二阶弹性理论分析其内力和位移的结构被称为非线性弹性结构。二阶弹性理论不具有线性的叠加性质。1、门式刚架的内力计算方法63分析模型分析模型按平面结构进行内力分析主刚架平面模型按空间结构进行内力分析主刚架+支撑系统+屋、墙面体系（蒙皮效应）空间整体模型分析方法分析方法手算方法：超静定结构体系；结构力学 力法/位移法；电算方法：有限元法/矩阵位移法/直接刚度法变截面构件分段近似为若干
38、等截面单元/楔形单元内力计算原则内力计算原则 根据不同荷载组合下内力分析结果，找出控根据不同荷载组合下内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面位置一般在柱底、制截面的内力组合，控制截面位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。控制截面的内力组合主要有：控制截面的内力组合主要有：最大轴力最大轴力NmaxNmax和同时出现的和同时出现的M M及及V V的较大值。的较大值。最大弯矩最大弯矩MmaxMmax和同时出现的和同时出现的V V及及N N的较大值。的较大值。最小轴力最小轴力NminNmin和相应的和相应的M M及及V V，出现在永久荷
39、载和，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M=0M=0。66侧移计算原则侧移计算原则 变截面门式刚架柱顶侧移应采用弹性分析方法确定。计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时刚架的侧移不满足要求，即需要采用下列措施之一进行调整：1、放大柱或梁的截面尺寸；2、改铰接柱脚为刚接柱脚；3、把多跨框架中的摇摆柱改为上端和梁刚接的节点连接形式。n精确计算方法：有限元法/矩阵位移法/直接刚度法n近似计算方法67梁计算长度梁计算长度l梁以其侧向支撑间最短距离作为平面外计算长梁以其侧向支撑间最短距离作为平面外计算长度，屋面梁以受压翼缘的侧向支撑度，屋面梁以受
40、压翼缘的侧向支撑隅撑作为侧隅撑作为侧向支撑，向支撑，l规范同时规定隅撑间距一般可取被支撑构件受规范同时规定隅撑间距一般可取被支撑构件受压翼缘宽度的压翼缘宽度的16*sqrt(235/fy)16*sqrt(235/fy)倍。倍。l习惯上是隔一檩布置一对隅撑习惯上是隔一檩布置一对隅撑,那平面外计算长那平面外计算长度就是两个檩距度就是两个檩距(3(3米居多米居多)。1.3.3 1.3.3 刚架柱和梁的设计刚架柱和梁的设计68柱计算长度柱计算长度l一般为了保证柱子的平面外稳定，会设置柱间一般为了保证柱子的平面外稳定，会设置柱间支撑、隅撑，它们的节点（也就是柱子的侧向支支撑、隅撑，它们的节点（也就是柱子
41、的侧向支撑点）点的长度作为柱子的平面外计算长度。撑点）点的长度作为柱子的平面外计算长度。l柱顶标高很高的情况下，往往在柱腰增加一道柱顶标高很高的情况下，往往在柱腰增加一道通长支撑（比如系杆或者桁架之类的），这样一通长支撑（比如系杆或者桁架之类的），这样一来柱的平面外计算长度取支撑间距，结果计算的来柱的平面外计算长度取支撑间距，结果计算的用钢量大大降低。用钢量大大降低。69 设计方法、设计过程设计方法、设计过程弹性设计方法设计过程初选截面作用效应计算内力组合构件设计调整截面.梁、柱板件的宽厚比限值：梁、柱板件的宽厚比限值：工字形截面构件受压翼缘板的宽工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比：厚比：工字形
42、截面梁、柱构件腹板的宽工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比：厚比：冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB5001871b1取值：取值：1、焊接、焊接腹板边至翼缘腹板边至翼缘边缘；边缘；2、轧制、轧制内圆弧起点至内圆弧起点至翼缘边缘。翼缘边缘。.腹板屈曲后强度利用：腹板屈曲后强度利用：在进行刚架梁、柱截面设计时，为了节省钢材，在进行刚架梁、柱截面设计时，为了节省钢材，允许腹板发生局部构件的屈曲，并利用其屈曲允许腹板发生局部构件的屈曲，并利用其屈曲后强度。后强度。72l抗剪强度&板件失稳l腹板抗剪承载力hw-腹板平均高度；tw-腹板厚度；l腹板高度变化不超过60mm/ml腹板屈曲后抗剪强度设计值l反应腹板受剪
43、时稳定性的参数l板件在剪应力作用下的屈曲系数a 横向加劲肋间距；无加劲肋时.腹板的有效宽度：当工字形截面梁、柱构件的腹板受弯及受压板幅利用屈曲后强度时，应按有效宽度计算其截面几何特性。77有效宽度取值：当腹板全部受压时：当腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区有效宽度为：he：腹板受压区有效宽度；：有效宽度系数；hc:腹板受压区高度;hw:腹板高度;l有效宽度系数l反应腹板受压、受弯时稳定性的参数l板件在正应力下屈曲系数其中有效宽度的分布l有效宽度的分布.刚架梁、柱构件的强度计算刚架梁、柱构件的强度计算刚架内力分析刚架内力分析在横向均布荷载作用下，刚架弯矩图如下在横向均布荷载作用下，刚架弯矩图
44、如下刚架弯矩图荷载计算简图83在水平风荷载作用下，刚架弯矩图如下：在水平风荷载作用下，刚架弯矩图如下：荷载计算简图荷载计算简图 刚架弯矩图刚架弯矩图84轻型钢结构是以构件边缘最大压应力达到钢材屈轻型钢结构是以构件边缘最大压应力达到钢材屈服点作为临界状态，没有考虑塑性发展的影响，服点作为临界状态，没有考虑塑性发展的影响，所以门式刚架一般按弹性理论设计。所以门式刚架一般按弹性理论设计。考虑各种荷载组合内力分析结果，取出最大荷载考虑各种荷载组合内力分析结果，取出最大荷载值控制设计，对初选截面梁柱按压弯构件进行验值控制设计，对初选截面梁柱按压弯构件进行验算。算。85正应力验算：正应力验算：剪应力验算：
45、剪应力验算：式中：构件有效净截面面积；对主轴x和y的有效净截面抵抗矩；对主轴x和y的弯矩。86弯矩作用平面内：弯矩作用平面内：弯矩作用平面外：弯矩作用平面外：87工字形截面受弯构件在剪力工字形截面受弯构件在剪力V V和弯矩和弯矩M M共同共同 作用下的强度应符合下列要求：作用下的强度应符合下列要求：当当 时时 当当 时时 当截面为双轴对称时当截面为双轴对称时88工字形截面受弯构件在剪力工字形截面受弯构件在剪力V V、弯矩、弯矩M M和轴力和轴力N N 共同作用下的强度应符合下列要求：共同作用下的强度应符合下列要求：当当 时时 当当 时时 当截面为双轴对称时当截面为双轴对称时 895.5.梁腹板
46、加劲肋的配置梁腹板加劲肋的配置:梁腹板应在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处梁腹板应在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋。其他部位是否设置和翼缘转折处设置横向加劲肋。其他部位是否设置中间加劲肋，根据计算需要确定。但中间加劲肋，根据计算需要确定。但门规门规规定规定,当利用腹板屈曲后抗剪强度时，横向加劲肋间距当利用腹板屈曲后抗剪强度时，横向加劲肋间距a a宜宜取取h hw w2h2hw w。905.5.梁腹板加劲肋的配置梁腹板加劲肋的配置:当梁腹板在剪应力作用下发生屈曲后，将以拉力带的方式承当梁腹板在剪应力作用下发生屈曲后，将以拉力带的方式承受继续增加的剪力，亦即起类似桁
47、架斜腹杆的作用，而横向受继续增加的剪力，亦即起类似桁架斜腹杆的作用，而横向加劲肋则相当于受压的桁架竖杆。因此，中间横向加劲肋除加劲肋则相当于受压的桁架竖杆。因此，中间横向加劲肋除承受集中荷载和翼缘转折产生的压力外，还要承受拉力场产承受集中荷载和翼缘转折产生的压力外，还要承受拉力场产生的压力生的压力s s。91拉力场加劲肋按轴心受压构件验算加劲肋按轴心受压构件验算N=P+Ns；计算长度hw截面为加劲肋和两侧宽b腹板 加劲肋稳定性验算按加劲肋稳定性验算按钢规钢规进行，计算长度取腹板进行，计算长度取腹板高度高度hwhw，截面取加劲肋全部和其两侧各，截面取加劲肋全部和其两侧各 b 宽度范围内的腹板面积
48、，按两端铰接轴心受压构件进行宽度范围内的腹板面积，按两端铰接轴心受压构件进行计算。计算。当集中荷载作用处不设横向加劲肋时，尚需进行腹板当集中荷载作用处不设横向加劲肋时，尚需进行腹板压皱验算。压皱验算。92.变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算:变截面柱在刚架平面内的整体稳定按下列公式变截面柱在刚架平面内的整体稳定按下列公式 计算：计算：93钢结构规范压弯构件平面内稳定性参照美国参照美国AISCAISCLRFDLRFD规范，仍采用等截面压弯规范，仍采用等截面压弯构件的相关公式，但作了一些必要的变动。构件的相关公式，但作了一些必要的变动。对于变截面柱，变化截面高度的
49、目的是为了适对于变截面柱，变化截面高度的目的是为了适应弯矩的变化，合理的截面变化方式应使两端应弯矩的变化，合理的截面变化方式应使两端截面的最大应力纤维同时达到限值。但是实际截面的最大应力纤维同时达到限值。但是实际上往往是大头截面用足，其应力大于小头截面，上往往是大头截面用足，其应力大于小头截面，故公式左端故公式左端第二项第二项的弯矩的弯矩M1M1，和有效截面模量，和有效截面模量W We1e1应应以大头为准以大头为准。公式第一项源自等截面的稳定计算。根据分析，公式第一项源自等截面的稳定计算。根据分析，小头稳定承载力的小于大头，且刚架柱的最大小头稳定承载力的小于大头，且刚架柱的最大轴力就作用在小头
50、截面上，故轴力就作用在小头截面上，故第一项按小头运第一项按小头运算算比按大头运算安全。比按大头运算安全。94两端弯曲应力相等：当 0.6时：7.7.变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算 应分段按公式计算：应分段按公式计算：95一端弯矩为0：96为与构件契率有关的系数，分别对应绕y轴(截面弱轴)和绕z轴(杆件纵轴)屈曲，取自AISC LRFD规范 公式不同于公式不同于钢规钢规中压弯构件在弯矩作用平面外中压弯构件在弯矩作用平面外的稳定计算公式之处有两点：的稳定计算公式之处有两点：截面几何特性按有效截面计算；截面几何特性按有效截面计算；考虑楔形柱的受力特点，轴力取小头