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1、门式刚架轻钢结构设计技术,0. 引言 1. 门式刚架轻钢结构技术概述 1.1 钢结构建筑在我国的发展情况,1.2 门式刚架轻钢房屋的技术特点 1.2.1 门式刚架轻型房屋钢结构组成 （1）主刚架系统：梁和柱+支撑 吊车梁系统：吊车梁+制动结构 （2）次结构系统：檩条和墙梁+拉条 （3）围护结构：屋面板和墙面板+各种泛水、包边板,1.2.2 主刚架系统： （1）平面受力体系，仅承受平面内各种荷载， （2）支撑体系解决刚架平面外的荷载及刚度 （3）主刚架支承次结构传来的荷载，但同时次结构反过来对主刚架提供侧向支撑作用以解决其稳定问题。 传力路径分析：山墙上的风荷载是如何传递的？,1. 2. 3 次
2、结构系统 次结构指屋面檩条和墙梁，它们支承围护板传来的荷载，但同时围护板反过来对次结构提供侧向支撑作用以提高其稳定；次结构受主刚架支承，但同时对主刚架提供侧向支撑作用解决其稳定问题。,1. 2. 4 围护板系统 围护板承受风、雨、雪、施工等荷载，受到次结构支承，但反过来约束次结构提高了次结构的稳定。 这三大结构系统组成一个完整的全钢结构体系，它们之间的相互支持、约束关系，使得这种结构体系可以得到非常经济合理的结构形式，得到极为广泛的应用。,1.2.5 与普通钢结构相比的技术特点： （1）结构自重轻，上拨风吸力大于屋盖自重，需考虑风吸力作用下的工况 （2）地震力一般不控制设计，使结构能够做得轻巧
3、细长 （3）围护板之蒙皮效应作用，使结构具有良好的空间效果,2. 门式刚架轻钢结构设计基本理念 2.1门式刚架的使用范围： 1、主要承重结构：单跨或多跨实腹门式刚架； 2、具有轻型屋盖和轻型外墙； 3、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1A5工作级别吊车或5t悬挂吊起重机（3t）; 4、刚架单跨跨度不大于36m，檐口高度不大于18m，柱距不大于12m; 5、门式刚架房屋的外墙也可以为砌体，相关要求见CECS102 第4.4.3条 6、由于构件截面较薄，不适于有强侵蚀介质的环境。 钢结构应进行哪些方面的计算？,2.2 强度设计概念 （1）线弹性理论概念 （2）钢材弹塑性的重要性 （3）动荷载作
4、用下的疲劳强度,2.3 构件整体稳定设计概念 2.3.1 弯扭失稳的物理意义,2.3.2 提高构件整体稳定的措施,(1) 加宽受压翼缘,(2) 加侧向支撑,侧向支撑需满足受力条件（包括稳定条件）：,侧向支撑需满足刚度条件：弹性支座刚度,2.3.3. 整体稳定计算要点 (1) 稳定曲线的意义 稳定系数的概念： 稳定系数与长细比有一一对应关系。,(2) 计算稳定的关键是解决计算长度问题 对于杆件系统，基本以支撑节点间距作为计算长度； 对于刚架系统，判断有无侧移非常重要：强支撑（无侧移）、弱支撑、无支撑（有侧移）； 钢结构设计规范附录D,计算长度是一个相对的概念：当某柱轴压力大，受到无轴压力的柱子支
5、持时，稳定性增加，意味计算长度要减少；反之，无轴压力的柱子支持其他有轴压力柱子时，稳定性减少，意味计算长度要增加。 有兴趣可比较一下钢规与门规的计算长度区别；,(3) 压弯构件的稳定计算： 平面内: 平面外： 大头与小头问题，除Mx 和Wex 用大头外，其余的计算全部按小头(包括 b)； 问：屋面斜梁需要计算平面内稳定吗？,2.4 局部稳定设计概念 2.4.1 局部失稳的物理意义,2.4.2 提高局部稳定的办法 (1) 减小高厚比，宽厚比：加厚板件用钢量增加； (2) 设横向加劲肋: 针对什么情况？ (3) 设纵向加劲肋：针对什么情况？,2.4.3 局部稳定计算 构造措施与计算结合 问：如何理
6、解开根号的意义？用Q235 的钢材能否用Q345替换？,局部稳定曲线,2.4.4 屈曲后强度利用： (1)全张拉应力场 利用加劲肋和梁翼缘的刚度,（2） 有效截面设计方法,2.5 刚度条件设计概念 2.5.1 为使用状况考虑的刚度条件 控制构件的变形注意用钢量问题 2.5.2 为稳定考虑的刚度条件： （1）整体刚架：P-效应问题； (2) 支撑的刚度：保证对被支撑构件提供稳定 （3）构件刚度：关于控制压杆的长细比问题,3. 门式刚架轻钢结构实用设计 方法及其问题讨论 3.1 初步确定设计方案 （1）根据建筑设计图确定柱网布置：跨度、柱距和建筑高度。 （2）根据以下原则确定柱底是刚接或铰接 吊车
7、吨位是否超过5吨 檐口高度是否超过10m 是否有夹层,3.2 主刚架设计 3.2.1 主刚架斜梁的平面外计算长度 （1）按隅撑作为斜梁平面外支撑点存在的问题（相对刚度问题）：,CECS102的规定:隅撑的间距作为受压翼缘平面外的计算长度 隅撑-檩条体系的临界弯矩钢结构平面外稳定,纯弯梁的临界弯矩： 当 ，隅撑可作为斜梁平面外的支撑点。,（2）实用的设计方法： 以斜梁受压翼缘面积不大于Ac=3000mm2（Q345）,斜梁受压翼缘面积不大于Ac=3600mm2（Q235）为界判断其平面外计算长度； （3）当斜梁受压翼缘较大时，考虑到实际结构存在的初始缺陷，可以以隅撑间距乘以一个大于1的修正系数作
8、为斜梁的平面外计算长度。,3.2.2 钢混凝土组合楼盖梁的设计 （1）次梁的设计要点 简支梁，抗剪栓钉,（2）主梁的设计要点 固端梁，在端头混凝土受拉开裂弯矩释放，是否考虑按组合梁设计？ （3）楼面混凝土沿主梁的开裂问题,3.2.3 门式刚架的刚度设计 （1）刚度条件对用钢量的影响 （2）确定柱底刚接与铰接的3个主要因素： 当出现吊车吨位5吨以上、有夹层、檐高10 米以 上三种情况之一时，需考虑柱底刚接。 （3）带吊车的刚架侧移限制： 空操：h/400 地操：h/180(轻中)及h/400 (重) （4）屋面梁的挠度限制 （5）楼层（夹层）梁的挠度限制 （6）应根据墙体结构考虑刚架柱顶位移限制
9、条件： 砌体墙：h/100，轻型刚墙板h/60 （7）柱子长细比限值：带吊车的上柱计算长度，钢结构设计规范中关于柱的计算长度未考虑横梁的影响。,（8）设置纵向水平支撑，提高结构的整体作用,3. 2. 4 构件的局部稳定设计 （1）轻钢结构的加劲肋问题： 当 可按 条件判断是否 设加劲肋 (适用条件在弹性范围内） （2）考虑构件的受弯计算，规程 CECS102中的参数 用于计算有效截面，6.1.1条第4款公式中的换算高厚比应按fy=1.1 计算才合理。 （3）考虑构件的受剪计算，规程 CECS102直接采用局部屈曲稳定曲线，根据换算高厚比 计算相应的临界剪力 。,（4）关于腹板高厚比不超过 60
10、mm/m的问题（规程CECS102的规定） （5）关于抗震构造措施：高厚比，宽厚比,3.2.5 山墙框架的设计 （1）山墙架受力及结构特点 山墙面风荷载作用 抗风柱的设置 是否采用弹簧板与柱子连接？,（2）抗风柱的设计：柱子怎么放？挠度限制怎么考虑？,（3）山墙框架角柱的计算长度问题： 加柱间支撑，按无侧移考虑。,（4）用冷弯薄壁型钢做山墙架的3个条件： 无吊车 无夹层 檐高较小(不大于8m）,3.2 支撑设计 3.2.1 屋面横向水平支撑 （1）两种计算模式： a) 普通钢结构设计手册模式（对应荷载规范B5009） 仅计算一面山墙的风荷载 b) CECS102模式： 计算二面山墙的风荷载 利
11、用一个假定将超静定结构转化为静定结构计算 CECS102 6.5.3：纵向力在（多道）支撑间可按均匀分布考虑。,3.2.2 屋面纵向水平支撑 （1）在什么情况下应布置屋面纵向水平支撑？ a) 当横向水平力不是均匀分布且对横向刚度要 求较严时 b) 当建筑需抽柱设置托架梁时 c) 当建筑物的刚架平面内刚度有突变时 d) 在刚架柱之间设有墙架柱,（2）除以上情况外，尚应针对以下情况，考虑是 否设置屋面纵向水平支撑： 近海边地区和内地的台风地区； 超过36m的大跨度刚架； 檐高超过15m； 建筑平面为凹凸型，非矩型的不规则形状； 刚架间距大于10m； 当同时有以上两种情况应设通长的屋面纵向水平支撑。
12、,(3) 屋面纵向水平支撑设置的位置 宜与屋面横向水平支撑设置在同一平面内 问：对于抽柱托架梁的纵向水平支撑应设何处？,3.2.3 柱间支撑的设计 (1)支撑按拉杆设计 (2）不同刚度的支撑不应混合使用 (3)超过5吨吊车的厂房柱子不宜用圆钢支撑,3.2.4 支撑传力偏心问题 （1）屋面支撑位置,（2）柱间支撑位置,3.2.5 圆钢支撑的构造 （1）用花篮螺栓张紧：可不考虑长细比 （2）端部楔型垫块构造: 使圆钢轴向受力 （3）腹板焊加强垫片：如果腹板相对过薄才需考 虑，避免腹板局部破坏。,3.2.6 关于隅撑的内力计算问题： 陈绍蕃钢结构稳定设计指南 N=1.56/100Ncr,Ncr=Af
13、,3.2.7 抽柱设置托架梁时刚架计算方法：,如何模拟托架梁对屋面梁的支承作用？ (1) 计算出在屋面梁的荷载作用下托架梁的下挠 (2) 用一个弹性支座或一个虚拟的柱子替代这根托架梁，这个弹性支座或虚拟的柱子在同样的荷载作 用下产生同样的位移。, 由虚拟柱子（或弹簧支座）代替托架梁的刚度（针对计算刚架内力）： （ 为托架梁长； 为托架梁惯性矩； 为虚拟柱截 面积； 为虚拟柱长，柱子上下铰接）,(3)将抽柱刚架与不抽柱刚架串联起来，由 虚拟柱子（或弹簧支座）代替托架梁的刚度，分别加上各自的荷载，可一次性计算得到内力和位移。,问：如果抽两个柱（一托架梁支承两个屋架梁），该怎么考虑？ 注：冶金工业部钢筋混凝土柱设计规程YS09-78第39条、40条、41条推荐的方法,