1、l门式刚架轻钢结构设计技术l北京士兴钢结构有限公司 汪小鹏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.
2、3 次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细长（3）
3、围护板之蒙皮效应作用，使结构具有良好的空间效果图 1.蒙 皮 效 应 可 传 递 水 平 力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 （
4、3）动荷载作用下的疲劳强度2.3 构件整体稳定设计概念2.3.1 弯扭失稳的物理意义P X梁的侧向弯扭失稳2.3.2 提高构件整体稳定的措施(1)加宽受压翼缘 隅撑约束下翼缘防止侧向弯扭失稳(2)加侧向支撑加侧向支撑 侧向支撑需满足受力条件（包括稳定条件）：6060cA fNP A22001-121:100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。xM.crcrxffwfxMxfW f(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
5、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DA22001-121:100 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？yeNA(1 0.8)mxxxexexMfNWNxeNAtxxbexMfW 2.4 局部稳定设计概念2.4.1 局部失稳的物理意义
6、22cr222cr222cr12(1)12(1):=0.10131.0K0.425K4yyyKEtbKE tbKfff 板的弹性屈曲应力：板的弹塑性屈曲应力：屈曲系数 ：考虑残余应力后的弹性嵌固系数：弹性模量修正系数：（1-0.0248/E）/E对于轴心受压构件：翼缘，腹板，=1.3 即可推导出宽厚比的限值 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：如何理解开根号的意义？用Q235 的钢材能否用Q345替换？23580wwyhtf23515fybt
7、f 局部稳定曲线A22001-121:100A22001-121:100A22001-121:1002.4.4 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 吊车吨
8、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21112()2()bycrxG JekE I eE IMe1221(1 2)(3 4)tan26cosppkbPpxpklellklEAEIl EA 纯弯梁的临界弯矩：当 ，隅撑可作为斜梁平面外的支撑点。222()cryIEMIG Jll1crM2crM（2）实用的设计方法：以斜梁受压翼缘面积不大于Ac=3000mm2（Q345）
9、,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A22001-121:100（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。
10、（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）设置纵向水平支撑，提高结构的整体作用结构的整体作用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
11、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 。080 235/ywhft3360235/wwyyhtffpyf/28.1235/wwpyhtkfwvf f（4）关于腹板高厚比不超过 60mm/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。
12、（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。Pn-12-12-1P1-1P1-1Pn-22-22-2P1-2P1-2Pn-32-32-3P1-3P1-3Pn-42-42-4P1-4P1-4n-5P2-5P2-51-51-5P图 6.半跨屋面支撑体系受力图边列柱间支撑
13、作为屋面桁架支座屋脊线斜拉杆纵向系杆F54F3F2F1F直腹杆F1F2F3F45F3.2.2 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。(3)屋面纵向水平支撑设置的位置 宜与屋面横向水平支撑
14、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）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/23560cosyAfNfn 3.2.7 抽柱设置托架梁时刚架计
15、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）34 8IE AbF lF hElIbAh (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。A22001-121:100A22001-121:100 f问：如果抽两个柱（一托架梁支承两个
16、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A22001-121:100A22001-121:100 f3.2.8 带夹层的门式刚架设计问题（1）可否仅把夹层的荷载直接加到门式刚架上去计算？（2）结构的刚度如何考虑？（3）如何布置支撑？（4）如何考虑抗震构造措施？3.2.9 吊车梁设计(钢结构设计手册第八章)1、吊车梁系统的认识：2、吊车梁设计中应注意的问题：(1)整体稳定问题：制动结构的设计 a)加宽翼缘：适用于不大于50吨和跨度小于6m的 中级以下工作制吊车梁；b)制动梁：适用于制动结构不大于1.2m宽度的中 级以下工作制吊车梁，
17、否则用制动桁架；c)辅助桁架：适用于12m及以上的重级工作制和18m 及以上中级工作制吊车梁。吊车的横向制动力仅由吊车梁上翼缘和制动梁承担。（2）局部稳定：加劲肋的配置 参见钢结构设计规范第4.3节为什么横向加劲肋与下翼缘之间有距离呢？吊车梁的疲劳破坏一般是从受拉区开裂开始。因此，规定中间横向加劲肋端部不应与受拉翼缘相焊，也不应另加零件与受拉翼缘焊接，加劲肋宜在距受拉翼缘不少于50100mm处断开；同理，中、重级工作制吊车梁的受拉翼缘与支撑的连接采用焊接是不合适的，故建议采用螺栓连接。所以在结构总说明中一般会强调：吊车梁的受拉翼缘上不得任意焊接设备零件，也不允许在该处打火或焊接夹具；（3）焊缝
18、设计：上翼缘与腹板的连接焊缝：对于重级工作制和起重量大于50t的吊车梁的上翼缘与腹板之间的T形接头要求全熔透焊缝，焊缝等级不低于二级。原因是什么？吊车梁腹板与上翼缘的连接焊缝，除承受剪应力外，尚承受轮压产生的局部压应力，且轨道偏心也给连接焊缝带来很不利的影响，尤其是重级工作制吊车梁，操作频繁，上翼缘焊缝容易疲劳破坏。另对于起重量大于或等于50t的中级工作制吊车，因轮压很大，且实际上同样有疲劳问题，故亦要求焊透；下翼缘与腹板的连接焊缝：角焊缝，只承受剪力（4）高强度螺栓和普通螺栓两种连接形式上翼缘与钢柱连接：高强螺栓（水平力）下翼缘与牛腿连接：普通螺栓，有柱间支撑（高强螺栓，水平力）（5）吊车梁
19、支座的选择问题：为避免偏心传力尽量采用突缘式支座：3.3 檩条（墙梁）设计应注意的问题1、檩条雪荷载取值问题：1）飘积雪：a、形成原因：风的飘积作用将屋脊处的雪吹落到屋谷附近区域，造成屋谷附近区域的积雪比屋脊区大，同理，可造成女儿墙位置堆雪，这种堆积可能出现很大的局部堆积雪。高低跨位置，高跨的积雪在风作用下飘落至低跨；这样低跨屋面有较大的局部堆积雪。堆积雪的分布为三角形分布；b、荷载规范6.2.2条中说明：屋面板和檩条积雪不均匀分布的最不利情况采用，但没有给出计算公式；但此种工况必须考虑，所以参照MBMA的计算方法；c、荷载规范送审稿已经考虑了相关问题；分四种情况来讨论；CASE 1:荷载规范
20、:MABA:荷载规范送审稿：CASE 2:CASE 3：CASE 4：对于多脊多坡的结构型式，如果屋面坡度 2.5，则在坡谷处应考虑有局部堆积，在屋脊处雪荷载减少一半，在坡谷处雪荷载增加一倍，与我国GB50009相比，主刚架的内力计算（GB5009规定，对于框架可按全跨均匀分布情况采用）差别不大（因坡谷处有柱子），但对于檩条的内力计算，差别较大（最大2，相差45%）。2）不平衡积雪：当屋面坡度大于5时，尚需考虑不均衡雪荷载分布（最大2.4，差90%）3）滑积雪：在高低跨建筑中，如果高跨屋面坡度 10还需考虑高跨屋面的雪滑落在低跨屋面的情况，一般门式刚架轻钢结构屋面坡度不会达到10，故可以不考虑
21、这一情况，实际上，坡度小于10仍会有滑雪情况，只不过不严重，可忽略不计罢了。2、檩条，墙梁设计风荷载体型系数问题1）结构端部风荷载体型系数的选择问题；当房屋平均高度大于18m时，体型系数应按荷载规范第7.3.3条取值2）墙面有无大开洞情况；是否可以考虑蒙皮效应的问题；3、檩条墙梁拉条的设置问题：檩条的上、下翼缘处设置拉条系统的办法解决檩条的抗倾覆问题，对檩条构成侧向支撑和扭转约束，可减小翘曲应力的影响；如果拉条系统设置不够则不足以抵抗倾覆，仍需蒙皮效应提供一定支持。一般来说，当檩条跨度大于4m时设一道拉条，大于6m时设二道拉条，再加上屋面板蒙皮效应，总是能满足檩条抗倾覆要求的。所以檩条要靠近上
22、下翼缘设置，而不应设置在檩条腹板中间；拉条的设置层数的考虑？4、檩条墙梁的连接问题：1）长圆孔与普通螺栓的连接问题；建议使用M12的普通螺栓，配M16的螺栓垫片2）连续檩条短跨搭接20%，中间跨搭接10%3.4 节点连接设计3.4.1 高强度螺栓设计（1）受力模式与计算模式a、传统的梁梁连接节点的受力模式：螺栓群的抗剪能力控制，所以在弹性状态下，摩擦面的抗滑移系数多节点的承载能力影响很大；b、门式刚架端板式连接：主要由弯矩控制，剪力很小，所以节点的刚度及承载力主要由螺栓受拉控制；（2）预拉力的重要性:通过拧紧螺帽实现，保证节点刚度承受拉力的高强螺栓连接，由于预拉力的作用，被连接构件之间在承受荷
23、载之前已经有较大的挤压力。至构件完全被拉开后，高强度螺栓的受拉力情况和普通螺栓受拉一样。不过变形要比普通螺栓要好很多，当外部拉力小于挤压力时，构件未被拉开，可以减少锈蚀危害，改善连接的疲劳性能。(a)(b)（3）关于抗剪和抗滑移系数:：抗滑移系数应定得低，可省去抗滑移系数复验费用，还可方便油漆防腐问题。门规第7.2.3条规定：当端板只受轴力和弯矩，或剪力小于其抗滑移承载力（按抗滑移系数为0.3计算，抗滑移系数0.3是考虑涂刷防锈漆和不涂油漆的表面情况。），端板表面可不做专门处理；钢结构工程施工质量验收规范规定摩擦面抗滑移系数大于0.3的需做抗滑移系数复验，为保证严格的抗滑移系数，设计通常要求喷
24、砂抛丸按Sa2.5及以上标准，要达到此标准抛丸机要不断更换新砂；且由于端板较薄，焊接后变形大，连接处难免有缝隙，容易生锈；基于以上原因，会增加成本，且端板易生锈，不利结构安全。所以在考虑受力满足的条件下，可对端板表面除锈等级采用Sa2.0，并涂刷醇酸铁红或聚氨酯富锌漆，使得抗滑移系数达到0.15即可（4）关于端板承载力的取值问题：PKPM的STS模块中的弯矩取值为内力组合的最大值，是不满足规范要求的；门规第7.2.2条明确规定：端板连接应按所受最大内力设计。当内力较小时，端板连接应按能够承受不小于较小被连接截面的一半设计。3.4.2.焊缝设计（1）焊缝的力学特点：a、强度高但延性差；b、由于施
25、焊时的高温作用，在焊缝附近的金属组织和机械性能会发生变化，材料变脆；c、局部裂缝一经发生容易扩展到整体；（2）焊缝设计的基本原则:在满足连接强度的前提下，焊缝宜小不宜大。原因：轻钢结构的板件较薄，焊接变形是个非常突出的问题，解决这个问题，除了靠工厂制作工艺保证外，在设计时可尽量减小焊缝尺寸或采用单面焊；（3）单面焊的应用门规第7.1.1条第2款规定：当T型接头的腹板厚度不大于8mm且不要求全熔透，在技术设备和其他技术条件具备时，经过工艺评定合格，符合附录F的规定，可采用自动或半自动埋弧焊接单面角焊缝。（4）端板焊缝设计问题:门规第7.2.11条规定：刚架构件的翼缘和端板的连接应采用全熔透对接焊
26、缝；同济大学于2004年进行了“轻型门式刚架H形钢构件翼缘与端板非全熔透焊缝连接的节点性能研究”的实验，结果表明：节点处无一例焊缝破坏，只有构件破坏。所以建议轻钢结构端板式连接的翼缘和腹板可采用双面角焊缝或部分熔透焊缝，焊缝设计按等强设计即可。但个人建议，对于8度区，若地震力控制屋面梁设计时，还应采用全熔透焊缝；（5）焊缝等级的确定:原则：根据焊缝受力状况和荷载特性确定；全熔透焊缝可避免焊缝内部空隙处的各种应力集中现象，有较高的疲劳强度a、直接承受动荷载；b、需验算疲劳强度；c、传力复杂区域，有多种应力组合处;d、板件对接，构件拼接4.围护板的计算问题：主要讨论围护板的有效截面问题：围护板的有效截面计算方法可参见冷弯薄壁型钢结构技术规范，受拉区全部有效；5钢结构设计总说明钢结构设计总说明的基本内容：1）图纸说明：依据业主提供的那些资料或合同号，需配合那些图纸一起使用2）工程概况；3）设计依据；规范规程（注意规范规程的版本）4）结构使用年限与安全等级；5）设计荷载：自然荷载，使用荷载；6）围护结构及使用材料：彩板，保温棉；7）钢结构用材料：钢板，型钢，焊缝，螺栓，锚栓；8）钢结构制作：焊缝（需附焊缝表），除锈等；9）安装：临时措施（缆风绳，支撑等）；10）验收11）其他谢谢大家！
