第三章 輕鋼對照

1、第1章 輕型門式剛架結構,1.1 概述1.2 結構形式和布置 1.3 剛架設計1.4 壓型鋼板設計1.5 檁條設計1.6 墻梁設計1.7 支撐及構造設計,了解輕型門式剛架的特點、應用現(xiàn)狀和發(fā)展前景，熟悉門式剛架的結構體系、維護結構及設計方法。,理解輕型鋼結構和普通鋼結構的區(qū)別。,學習目標,學習難點,,學習目標,輕型門式剛架結構與一般普通鋼結構相比具有以下技術特征： 1.結構構件的橫截面

2、尺寸較小，可以有效地利用建筑空間，降低房屋的高度，建筑造型美觀。 2.門式剛架的剛度較好，自重輕，橫梁與柱可以組裝，為制作、運輸、安裝提供了有利條件。 3.屋面剛架用鋼量僅為普通鋼屋架用鋼量的1/5-1/10，是一種經濟可靠的結構形式。,1.1 概述,工程實例一： 青島南車集團，2004年4月投資新建了一座輕鋼結構生產車間，建筑面積5000平方米。于2004年7月竣工。主體結構采用輕型單跨門式剛架形式，吊車最大

3、起重量為20噸，中級工作制。 為使立面效果簡潔美觀，屋面采用有組織內排水形式。外墻面和屋面板均采用雙層壓型鋼板，兩層壓型鋼板之間放置了耐火性能較好的巖棉保溫隔熱層。,,正在建設的門式剛架工程實例,,輕鋼結構工業(yè)廠房,工程實例二： 青島永源體育用品有限公司加工車間，是由韓國投資建設的2萬平方米輕鋼結構多層工業(yè)廠房。 主體結構采用輕鋼結構框架體系。樓面板采用鋼－混凝土組合樓板。 屋面板采用壓型鋼板，

4、波浪造型的輕鋼結構屋面梁輕盈、活潑，克服了工業(yè)建筑造型單一、立面造型呆板的缺點。,正在建設中的多層輕鋼結構廠房,壓型鋼板外墻板,主要承重骨架－門式剛架 檁條、墻梁 －冷彎薄壁型鋼 屋面、墻面 －壓型金屬板、彩鋼夾芯板 屋面及墻面保溫芯材 －聚苯乙烯泡沫塑料、 聚氨酯泡沫塑料、巖棉等 支撐 －屋面支撐、柱間支撐,1.1.1 門式剛架結構的組成,單層輕型鋼結構房屋的組成,門式剛架結構示意,1.1.2 門式剛架結構的特點,重量

5、輕工業(yè)化程度高、施工周期短柱網(無模數(shù))布置靈活綜合經濟效益高,門式剛架整體性能：1.門式剛架屋面體系的整體性可以依靠檁條、隅撐來保證，從而減少了屋蓋支撐的數(shù)量，同時支撐多用張緊的圓鋼做成，很輕便。,2.門式剛架的梁、柱多采用變截面桿件，檁條采薄型,可以節(jié)省材料。 3.組成構件的桿件較薄，對制作、涂裝、運輸、安裝的要求高。 4.構件的抗彎剛度、抗扭剛度比較小，結構的整體剛度也比較柔。,1.1.3 門式剛架結構的應用情況,1.

6、我國門式剛架設計規(guī)程：《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》(CECS102:2002) 2.應用范圍：輕型廠房、物流中心、大型超市、體育館、展覽廳、活動房屋、加層建筑等。 3.應用規(guī)模：國內每年有一千萬平方米的輕鋼結構 建筑物竣工。,,4.輕型門式剛架的適用范圍及截面形式：(1).屋面荷載較小，橫向跨度為9～36m，柱高為4.5～12m，柱距6m～9m(2).沒有吊車或設有中、輕級工作制吊車的廠房。(3).當廠房橫向跨度不超過

7、15m，柱高不超過6m時，屋面剛架梁宜采用等截面剛架形式。當廠房橫向跨度大于15m，柱高超過6m時，宜采用變截面剛架形式。,5.變截面剛架與等截面剛架的對比:柱和梁采用變截面形式時，截面形狀與內力圖形附合較好，受力合理、節(jié)省材料。變截面剛架在構造連接及加工制造方面不如等截面方便。6.柱腳形式: 門式剛架柱腳分為鉸接和剛接兩種連接形式。,剛接柱腳詳圖,鉸接柱腳詳圖,,,,剛接柱腳門式剛架,鉸接柱腳門式剛架,變截面梁,,變截面梁、

8、柱,,,,,,,,加勁板,地腳螺栓,,,剛接柱腳工程實例,,,變截面剛架梁,,,等截面剛架柱,一、門式剛架結構特點結構特點（1）剛架梁、柱采用輕型H型鋼（等截面或變截面）組成；（2）剛架梁與柱剛接，柱腳與基礎宜采用鉸接；當設有橋式吊車、檐口標高較高或對剛度要求較高時，柱腳和基礎可采用剛接；（3）構件單元可根據(jù)運輸條件劃分，單元之間在現(xiàn)場用螺栓連接，安裝方便快捷，土建工作量小。（4）在非地震區(qū)可采用張緊的圓鋼作為支撐；,第二

9、節(jié) 結構形式和布置,（5）用C形、Z形薄壁型鋼做檁條、墻梁，以彩鋼板或夾芯板做屋面、墻面。（6）和屋架結構相比，整個構件的橫截面尺寸較小，可以有效地利用建筑空間，降低房屋的高度，減小建筑體積，在建筑造型上也較簡潔美觀。,二 結構形式與布置1 結構形式：分為單跨、雙跨、多跨剛架以及帶挑檐的和帶毗屋的剛架等形式。,第二節(jié) 結構形式和布置,跨度：橫向剛架柱軸線間的距離；高度：地坪至柱軸線與橫梁軸線交點的高度，根據(jù)使用要求的室內凈高確定。

10、無吊車時，高度一般為4.5～9m；有吊車時應根據(jù)軌頂標高和吊車凈空要求確定，一般為9～12m。柱距：宜為6m，通常介于4.5～9m之間。檐口高度：地坪至房屋外側檁條上緣的高度；最大高度：地坪至房屋頂部檁條上緣的高度；房屋寬度：房屋側墻墻梁外皮之間的距離；房屋長度：房屋兩端山墻墻梁外皮之間的距離；屋面坡度：宜取1/8～1/20，在雨水較多地區(qū)可取較大值。,2．門式剛架的尺寸,3．結構布置,（1）溫度區(qū)段布置(如下表)（2）伸

11、縮縫設置 可通過設置雙柱，或搭接檁條,及吊車梁的螺拴連接處采用長圓孔進行調節(jié)。,溫度區(qū)段長度,（1）實腹屋面梁實腹屋面梁結構體系是在鋼筋混凝土結構上用鋼梁、檁條、屋面支撐和屋面板搭建而成。屋面鋼梁采用人字鋼梁，按簡支梁設計，可根據(jù)受力情況分段采用變截面，鋼梁對混凝土柱有推力。,4．實腹屋面梁和托梁,實腹梁鋼屋架形式,（2）托梁當因建筑或工藝要求門式剛架柱被抽除時，應沿縱向柱列布置托梁以支承已抽位置上的中間榀剛架上的斜梁。托梁

12、一般采用焊接工字形截面，當屋面荷載偏心產生較大扭矩時，可采用箱型截面。,托梁的形式和尺寸,,三、支撐體系布置,1．柱間支撐（1）無吊車時柱間支撐的間距宜取30～45m；當有吊車時宜設在溫度區(qū)段中部，或當溫度區(qū)段較長時宜設在三分點處，且間距不宜大于60m；（2）當建筑物寬度大于60m時，內柱列宜適當增加柱間支撐；（3）支撐與構件的夾角應在30°～60°范圍內，宜接近45°；（4）柱間支撐可采用帶張緊裝

13、置的十字交叉圓鋼支撐(下圖)，當橋式吊車起重量大于5ｔ時，宜采用型鋼支撐；（5）柱間支撐的內力，應根據(jù)該柱列所受縱向荷載（如風、吊車制動力）按支承于柱腳基礎上的豎向懸臂桁架計算；,,,,,,2．屋面水平支撐,（1）屋蓋橫向支撐宜設在溫度區(qū)間端部的第一個或第二個開間；.（2）在剛架轉折處（柱頂和屋脊）應沿房屋全長設置剛性系桿； （3）屋面交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設計，非交叉支撐桿件(如橫桿)及剛性系桿應按壓桿設計；,,（5）剛性系

14、桿可由檁條兼作(屋脊緣口處須加強)，此時檁條應滿足對壓彎構件的剛度和承載力要求；（6）屋蓋橫向水平支撐可僅設在靠近上翼緣處（7）交叉支撐可采用圓鋼，按拉桿設計；（8）屋面橫向水平支撐內力，應根據(jù)縱向風荷載按支承于柱頂?shù)乃借旒苡嬎?，對于交叉支撐可不計壓桿的受力。,3 隅撐布置,A—— 實腹式橫梁被支承翼緣的截面面積；f—— 實腹式橫梁鋼材的強度設計值；fy—— 實腹式橫梁鋼材的屈服強度；? —— 隅撐與檁條軸線間的夾角。,,

15、隅撐,,,,,第二節(jié) 檁條設計,一、檁條布置和連接,桁架式檁條,拉條和撐桿的布置原則：（1）當檁條跨度l≤4m時，可按計算要求確定是否需要設置拉條；（2）當屋面坡度i≥1/10或檁條跨度l＞4m時，應在檁條跨中受壓翼緣設置一道拉條；當跨度大于6m時，宜在檁條三分點處各設一道拉條（圖3-13）；,3.荷載組合原則（1）屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應取兩者中較大值；（2）積灰荷載應與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮；

16、（3）施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮；（4）當需要考慮地震作用時，風荷載不與地震作用同時考慮。,,,豎向荷載的傳力過程示意圖,水平荷載的傳力過程示意圖,恒載（柱距6m）,活載（柱距6m）,左風（柱距6m，基本風壓0.55）,右風（柱距6m，基本風壓0.55）,2．考慮地震作用時荷載組合① 計算剛架地震作用及自振特性時，永久荷載+豎向可變 荷載×0.5+懸掛吊車或橋式吊車自重。② 計算

17、剛架考慮地震作用組合的內力時，（永久荷載+豎 向可變荷載×0.5+懸掛吊車或橋式吊車豎向輪壓） ×1.2+地震作用×1.3。實際經驗表明，當?shù)卣鹪O防烈度為7度而相應風荷載大于0.35kN/m2（標準值）或為8度（Ⅰ、Ⅱ類場地上）而風荷載大于0.45kN/m2時，地震作用組合一般不起控制作用，可只進行基本的內力計算。,變截面門式剛架應采用彈性分析方法，按平面結構確定各種內力，僅當構件全部為等截面

18、時才允許采用塑性分析方法。計算控制性截面的內力組合時一般應計算以下四種組合(以M,N為主)：① Mmax及相應N,V；② Mmin(即負彎矩最大)及相應N,V ；③ Nmax及相應M,V(M有正負最大)；④ Nmin及相應M, V (M有正負最大) 。內力計算原則：根據(jù)不同荷載組合下內力分析結果，找出控制截面的內力組合，控制截面位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面。,（一）剛架的內力計算,N0——為小頭的軸向

19、壓力設計值M1——為大頭的彎矩設計值；Ae0——為小頭的有效截面面積；We1——為大頭的有效面積最大受壓纖維截面模量；?xy——桿件軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)，楔形柱軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)， 計算長細比時取小頭的回轉半徑；?y——為軸心受壓構件彎矩作用平面外的穩(wěn)定系數(shù)，以小頭 為準；?by——為均勻彎曲楔形受彎構件的整體穩(wěn)定系數(shù)；?mx、 ?t——為等效彎矩系數(shù)； NE0 ——歐拉臨界力(計算?時回轉半徑i0以小

20、頭為準)。,對雙軸對稱、均勻彎曲的工字形楔形截面桿件,式中A0、h0、Wx0、t0—— 分別為構件小頭的截面面積、截面高度、截面模量、受壓翼緣截面厚度；Af —— 受壓翼緣截面面積；iy0—— 受壓翼緣與受壓區(qū)腹板1/3高度組成的截面繞y軸的回轉半徑；l —— 楔形構件計算區(qū)段的平面外計算長度，取支撐點間的距離。注：楔形構件平面內計算長度則要復雜得多，見下述內容,,,楔形剛架平面內計算長度系數(shù),(2)柱腳剛接時，,,,,4．變

21、截面剛架斜梁（1）實腹式剛架橫梁的平面外計算長度，應取側向支承點間的距離；（2）當橫梁兩翼緣側向支承點間的距離不等時，應取最大受壓翼緣側向支承點間的距離。（3）當實腹式剛架橫梁的下翼緣受壓時，必須在受壓翼緣的兩側布置隅撐作為橫梁的側向支承，隅撐的另一端連接在檁條上。5 變截面剛架梁計算中與等截面梁的不同處（1）實腹式斜梁在平面內按壓彎構件計算強度，在平面外按壓彎構件計算穩(wěn)定； (2)還應注意Ib的不同及局部穩(wěn)定中屈曲后強度

22、。,6 局部穩(wěn)定及屈曲后強度,板件最大寬厚比和利用屈曲后強度：工字形截面（采用三塊板焊成）受彎構件中腹板以受剪為主，翼緣以抗彎為主；增大腹板的高度，可使翼緣的抗彎能力發(fā)揮更為充分；增大腹板厚度，可利用板件屈曲后的強度。,,,,,,h,1.087,,h,,hc＋空白,（三）,,,f,,,式中W—— 均布風荷載的總值；?—— 吊車水平荷載Pc作用高度與柱高度之比；Pc—— 吊車橫向水平荷載；w1、w4—— 風荷載的均值。,式中

23、 ∑Ki—— 柱腳鉸接時各跨剛架的側向剛度之和； hi—— 所計算跨兩柱的平均高度； li—— 與所計算柱相連接的單跨剛架梁的長度； Iei—— 兩柱慣性矩不同時的等效慣性矩；Il 、 Ir—— 左、右兩柱的慣性矩。,當剛架側移不滿足要求，需要采用下列措施之一進行調整： 放大柱或梁的截面尺寸； 改鉸接柱腳為剛接柱腳； 把多跨框架中的搖擺柱改為上端和梁剛接的節(jié)點連接形式。,1 梁柱連接及梁拼接節(jié)點

24、（1）門式剛架橫梁與柱的連接，可采用端板豎放、平放和斜放三種形式。（2）主剛架構件的連接可采用承壓型或摩擦型高強螺栓連接。高強度螺栓直徑通常采用M16～M24。（3）斜梁拼接處，應采用外伸式連接，并使得翼緣內外的螺栓中心與翼緣的中心重合或接近(圖(d))。與斜梁端板連接的柱翼緣部分應與端板等厚度(圖(a))。,（五）節(jié)點設計,（a） 端板豎放 b） 端板橫放 （c）端板斜放 （d）斜梁拼接梁柱連接節(jié)點,端板支承條件,2

25、端板的厚度應根據(jù)支承條件確定，但不應小于16mm。（1）伸臂類端板,（2）無加勁肋類端板,（3）兩邊支承類端板當端板外伸時,當端板平齊時,（4）三邊支承類端板,Nt——一個高強螺栓的受拉承載力設計值；ew、ef——分別為螺栓中心至腹板和翼緣板表面的距離；b、bs——分別為端板和加勁肋板的寬度a——螺栓的間距；f——端板鋼材的抗拉強度設計值。,3．節(jié)點域剪應力驗算門式剛架斜梁與柱相交的節(jié)點域，應驗算剪應力。,dc、tc——分別

26、為節(jié)點域的寬度和厚度；db——斜梁端部高度或節(jié)點域高度；M——節(jié)點承受的彎矩，對多跨剛架中間柱處，應取兩側斜 梁端彎矩的代數(shù)和或柱端彎矩；fv——節(jié)點域鋼材的抗剪強度設計值。,4．端板螺栓處構件腹板強度驗算,Nt2——翼緣內第二排一個螺栓的軸向拉力設計值；P——高強度螺栓的預拉力；ew——螺栓中心至腹板表面的距離；tw——腹板厚度；f——腹板鋼材的抗拉強度設計值。,5 柱腳（1）多用平板式鉸接柱腳或剛接柱腳；

27、（2）水平剪力由底板與混凝土基礎間的 摩擦力（摩擦系數(shù)取0.4或設置抗 剪鍵承受；（3）計算帶有柱間支撐的柱腳錨栓在風 荷載作用下的上拔力時，應計入柱 間支撐產生的最大豎向分力。,地腳螺栓,加勁板,鉸接柱腳,一、屋面和墻面板屋面常見作法：一種采用夾芯鋼板作為屋面的保溫防水層；一種采用壓型鋼板防水并承受屋面荷載，鋼板下鋪設超細玻璃纖維棉保溫。墻面系統(tǒng)也分為兩種：一種為壓型鋼板內加玻璃纖維棉保溫，如

28、對外觀要求較高，可在玻璃棉內側增設彩鋼平板；一種情況為采用具有保溫功能的夾芯板。按構造作法屋面和墻面板可分為三大類即螺釘外露式、暗扣式和鎖縫式。,第四節(jié) 圍護結構,屋面構造作法,（a）壓型鋼板 （b）夾芯板屋面板作法,墻梁一般采用C型和Z型冷彎薄壁型鋼，最大剛度平面在水平方向。（一）縱墻結構布置（1）墻梁的間距取決于墻板的材料強度、尺寸、所受荷載的大小、門窗洞口等（一般不大于2.5m）；（2）墻梁跨度為4～6

29、m時，宜在跨中設一道拉條；當墻梁跨度大于6m時，宜在跨間三分點處各設一道拉條。 當墻粱單側掛墻板時，拉條應連接在墻梁掛墻板的一側1/3處；當墻梁兩側均掛有墻板時，拉條宜連接在墻梁重心點處。（3）在最上層墻梁處宜設斜拉條將拉力傳至承重柱或墻架柱。,二、墻面布置和連接,縱墻結構布置,（二）山墻結構布置,山墻結構布置,在垂直荷載作用下，坡頂門式剛架的運動趨勢是屋脊向下、屋檐向外變形。屋面板將與支撐檁條一起以深梁的形式來抵抗這一變形趨勢。這

30、時，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而邊緣檁條承受軸力起深梁翼緣的作用。顯然，屋面板的抗剪切能力要遠遠大于其抗彎曲能力。所以，蒙皮效應指的是蒙皮板由于其抗剪切剛度對于使板平面內產生變形的荷載的抵抗效應。對于斜坡門式剛架，抵抗豎向荷載作用的蒙皮效應取決于屋面坡度，坡度越大蒙皮效應越顯著；而抵抗水平荷載作用的蒙皮效應則隨著坡度的減小而增加，構成整個結構蒙皮效應的是蒙皮單元。蒙皮單元由兩榀剛架之間的蒙皮板、邊緣構件和連接件及中間構件組成。

31、邊緣構件是指兩相鄰的剛架梁和邊檁條（屋脊和屋檐檁條），中間構件是指中間部位檁條。 一般而言，中間構件對蒙皮單元的剪切剛度影響不大，但對強度影響較大。在屋面板型選中后，連接件和邊緣構件直接影響了蒙皮單元的抗剪剛度和強度。,（三） 蒙皮效應,1．荷載墻梁主要承受墻面板傳來的風壓力、風吸力和豎向自重荷載。計算墻梁的荷載組合有兩種：豎向荷載+水平荷載（風壓）；豎向荷載+水平荷載（風吸）。2．計算單側掛墻板的墻梁，應按下列公式計算其強度

32、和穩(wěn)定：（1）在承受朝向面板的風壓時，墻梁的強度可按下式計,（四）墻梁計算,Mx、My——分別為水平荷載和豎向荷載產生的彎矩；Vx、Vy——分別為水平荷載和豎向荷載產生的剪力；Wenx、Weny——分別為繞主軸x和主軸y的有效凈截面模量；b0、h0——分別為墻梁在豎向和水平向的計算高度，取型 鋼板件連接處兩圓弧起點之間的距離；t—— 墻梁壁厚。（2）外側設有壓型鋼板的墻梁在風吸力作用下的穩(wěn)定性 可按

33、輕鋼規(guī)程附錄E的規(guī)定計算。（3）當外側設有壓型鋼板的實腹式剛架柱的內側翼緣受壓時，可沿內側翼緣設置成對的隅撐，作為柱的側向支承。隅撐的另一端連接在墻梁上。,第五節(jié) 設計實例,（一）設計參數(shù)：（1）單層房屋采用單跨雙坡門式剛架，剛架跨度24m，長度60m，柱距6m，檐口標高7m，屋面坡度1/10。（2）屋面和墻面均采用夾芯板，天溝為彩鋼板天溝。（3）鋼材材質為Q345，f=310N/mm2，fv=180N/mm2。（二）設計荷

34、載屋面恒載為0.25kN/m2，活載為0.5kN/m2；雪載為0.2kN/m2，基本風壓為0.55kN/m2，地面粗糙度為B類。,一、設計資料,計算模型及風載體型系數(shù),① 1.2恒載+1.4活載；② 1.2恒載+1.4風載；③ 1.2恒載+0.9 × 1.4 ×(活載+風載),（三）荷載組合,（四）設計要求1.確定屋面結構布置（包括支撐體系布置）2.計算門式剛架內力和變形（1）確定梁、柱截面形式，并初步估

35、截面尺寸（2）梁、柱線剛度計算及梁、柱計算長度確定（3）荷載計算（4）計算各工況下的內力、柱頂水平位移及橫梁撓度（5）荷載組合和內力組合（不考慮抗震情況）,（四）控制指標柱頂水平位移：橫梁撓度： 無吊頂 有吊頂（五）構件及連接節(jié)點設計1. 柱腳設計2. 梁、柱連接節(jié)點設計3. 屋面梁拼接節(jié)點設計,節(jié)點及單元編號圖,二、計算模型,設計中應注意的問題,剛架拼接點的設置（受運輸長度限制）

36、拼接處截面（兩側截面高度相等）梁柱截面寬度（柱寬度>梁寬度）梁柱翼緣與腹板厚度（要滿足寬高厚比限制）檁條截面形式（C型和Z型）屋面水平撐：本例題（剛性：角鋼；柔性：圓鋼剛性系桿一律鋼管）,三、荷載工況,（a） 恒載,qD=0.25x6=1.5,（b） 活載,qL=0.5x6=3,（c） 左風,（d） 右風,四、各工況內力,（a）彎矩 （b）剪力,（c）軸力恒載作用下剛架內力圖,（