工学钢结构设计原理 129页

第七章 单层房屋钢结构 第一节 概述 第二节 重型钢结构厂房结构设计 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 第一节 概述 应用范围 单层工业厂房 大跨度公共建筑结构 重型厂房钢结构和轻型门式刚架钢结构 平板网架、网壳、悬索、杂交结构（不同结构形式组合在一起的结构）等 第一节 概述 一、单层厂房钢结构的特点和组成 1 、特点 (1) 结构自重轻 , 基础造价低。 (2) 外形简洁、美观。 (3) 对抗震非常有利。 (4) 建造速度快，装拆方便。 第一节 概述 一、单层厂房钢结构的特点和组成 2 ．门式刚架钢结构适用范围 通常用于跨度为 9 ～ 36m （若有特殊需要，跨度可进一步加大，我国已建成跨度 72m 的门式刚架）；柱距为 4.5 ～ 12m ；柱高为 4.5 ～ 9m （必要时可适当加大）；设有起重量较小吊车（≤ 300kN) 的单层工业房屋或公共建筑（超市、娱乐体育设施、车站候车室、码头建筑等）。 门式刚架单层轻型钢结构房屋快速发展。 第一节 概述 一、单层厂房钢结构的特点和组成 3 ．组成 一般是由屋盖结构（屋面板、檩条、天窗、屋架或梁、托架）、柱、吊车梁（包括制动梁或制动桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系 。 第一节 概述 二、结构形式和选择 厂房基本承重结构通常采用框架体系。根据横梁与柱连接的不同，框架有铰接与刚接两类。 框架横梁有实腹式和桁架式两种。 框架柱按其外形可分为等截面柱、阶形柱和分离式柱； 按柱身构造，可分为实腹柱和格构柱 。 第一节 概述 三、柱网布置 确定单层厂房钢结构承重柱在平面上构成的纵、横向定位轴线所形成的网格称为柱网布置。柱纵向定位轴线之间尺寸为钢结构厂房的跨度，横向定位轴线之间的尺寸为柱距。 柱网布置应满足生产工艺要求，柱的位置应和地上、地下设备和工艺流程相协调，还应考虑未来生产发展和生产工艺的更新；应尽量将柱与屋架或横梁布置在同一横向轴线上，以便组成刚度较大的横向框架。柱距大小对结构的用钢量影响较大，加大柱距可减小地基处理费用和基础造价，位于软弱地基上的重型厂房应采用较大柱距。加大柱距将使柱间构件用材增加，经济合理的柱网布置应实现总的经济效应最佳。采用轻型围护结构的厂房采用 12m 、 15m 、 18m 甚至更大的柱距较经济。 第一节 概述 三、柱网布置 为了降低制作和安装工作量，柱网布置还应注意符合标准化模数的要求，当厂房跨度 L ≤18m 时，跨度应以 3m 或为模数；当 L >18m 时，跨度应以 6m 为模数，但是当工艺布置和技术经济有明显的优越性时，跨度也可以 3m 或为模数。柱距和跨度的类别宜少，以利于施工。当工艺有特殊要求需局部采用大柱距时，可采取在该处抽（拔）柱，并设托架或托梁支承屋架或屋面梁，通常设计托架或托梁简支在柱子上。 在厂房高度方向，吊车顶面与屋架或屋面梁底面净距应不小于 300mm 。吊车横向外轮廓与上柱内表面净距应不小于 80mm ，吊车大轮的中心线与柱纵向定位轴线（上柱中心线）的距离应等于 750 ～ 1000mm 。 第一节 概述 四、厂房结构的设计步骤 确定车间的平面和高度方向的主要尺寸和控制标高，布置柱网，确定变形缝的位置和做法；选择主要承重框架的形式，并确定框架的主要尺寸；布置屋盖结构、吊车梁结构、支撑体系及墙架体系。 按照平面框架进行分析时，需确定框架计算单元，计算单元的受荷面积宽度通常取相邻柱距的平均值。 结构方案确定以后，即可按设计资料进行静力计算、构件及连接设计，最后绘制施工图，设计时应尽量采用构件及连接构造的标准图集。 返回本章 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 1 ．钢桁架的特点和应用 (1) 特点 钢桁架一种用材经济、刚度较大、外形美观的结构形式。但是桁架的杆件和节点较多，构造较为复杂，制造较为费工。 (2) 应用 分为空间桁架和平面桁架两类。网架结构、各种塔架为空间桁架。常用的平面桁架如屋架、吊车桁架、水工结构中的钢栈桥、钢桁架引桥、钢闸门中的桁架等。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 2 、平面钢桁架的外形和腹杆体系 (1) 外形 1) 满足使用要求。 3) 便于制作和安装。 2) 受力合理。 4) 综合技术经济效果好。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 2 、平面钢桁架的外形和腹杆体系 与钢梁相仿，桁架应具有适当的中部高度 H 和端部高度 H 0 。 H 取决于运输界限（如铁路运输界限高度为 3.85m ）和建筑高度要求的最大限值、刚度要求的最小限值、以及使弦杆和腹杆总用钢量最少的经济高度。三角形屋架当跨度 L 和屋面坡度 i 确定后，其 H 也就确定了。简支梯形和平行弦桁架，通常 H = （ 1/6 ~ 1/10 ） L , 简支梯形钢桁架对端部高度 H 0 无特殊要求，但多跨简支桁架各 H 0 取值应协调一致，以便相邻桁架端部处上弦表面齐平，利于屋面构造。当梯形钢桁架与柱刚接时，端部有负弯矩，要求 H 0 具有一定的高度。钢屋架中常用 H 0 =1.8~2.2m 。 (2) 腹杆体系 常用腹杆体系有人字式、交叉式、再分式等形式，其中人字式腹杆体系的腹杆和节点数最少，应用较广。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 3 、支撑设计 （ 1 ）桁架支撑的作用 平面桁架在其本身平面内具有较大的刚度，能承受桁架平面内的各种荷载。但在垂直于桁架平面方向（桁架平面外）不能保持其几何不变，即使桁架上弦与檩条或屋面等铰接相连桁架仍会侧向倾倒。为了防止桁架侧向倾倒破坏和改善桁架工作性能，对于平面桁架体系，必须设置支撑系统（水工结构中也称为联结系）。 桁架支撑的作用主要是： 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 3 、支撑设计 （ 1 ）桁架支撑的作用 1 ）保证桁架结构的空间几何稳定性。 2 ）保证桁架结构的空间刚度和空间整体性。 桁架上弦和下弦的水平支撑与桁架弦杆组成水平桁架，桁架端部和中部的垂直支撑则与桁架竖杆组成垂直桁架，无论竖向或纵、横向水平荷载，都能通过一定的桁架体系把力传向支座，有足够的刚度和整体性。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 3 、支撑设计 （ 1 ）桁架支撑的作用 3 ）为桁架弦杆提供侧向支撑点。 水平和垂直支撑作为桁架弦杆的侧向支承点，减小弦杆在桁架平面外的计算长度，提高其整体稳定承载力。 5 ）保证结构安装时的稳定且便于安装。 4 ）承受并传递水平荷载。 一、屋盖结构设计 3 、支撑设计 （ 2 ）桁架支撑的种类和布置 上弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑 下弦纵向水平支撑 垂直（竖向）支撑 系杆 1 2 3 5 4 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 3 、支撑设计 （ 2 ）桁架支撑的种类和布置 1) 上弦横向水平支撑 保证屋架侧向刚度和屋盖的空间刚度，减小上弦在平面外计算长度，承受和传递端墙的风荷载。有檩体系或采用大型屋面板（无檩体系 ) 的屋盖中都应设置上弦横向水平支撑。上弦横向水平支撑应设置在房屋的两端或当有横向伸缩缝时在温度缝区段的两端。横向水平支撑的间距不宜超过 60m 。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 3 、支撑设计 （ 2 ）桁架支撑的种类和布置 2 ）下弦横向水平支撑 山墙抗风柱的支点，承受并传递水平风荷载、悬挂吊车的水平力和地震引起的水平力，减小下弦的平面外计算长度，减小下弦的振动。当 L  18m ，且没有悬挂吊车和较大的振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。其它情况均应设置下弦横向水平支撑。下弦横向水平支撑应与上弦横向水平支撑设在同一柱间，以形成空间稳定体系。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 3 、支撑设计 （ 2 ）桁架支撑的种类和布置 3 ）纵向水平支撑 增加屋盖空间刚度，承受和传递吊车横向水平制动力。设有托架、有重级、中级工作制吊车、锻锤等大型振动设备，以及房屋较高、跨度较大，空间刚度要求高时，均应在屋架下弦端节间设置纵向水平支撑。纵向水平支撑与横向水平支撑形成闭合框，加强屋盖结构的整体性并提高房屋纵、横向的刚度。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 3 、支撑设计 （ 2 ）桁架支撑的种类和布置 4 ）垂直支撑 使相邻屋架形成几何不变的空间体系，保证侧向稳定。房屋都应设置垂直支撑。梯形屋架两端都应设置，托架可起垂直支撑作用。垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同一柱间。 （ 5 ）系杆 无横向支撑的其它桁架上下弦的侧向稳定性由与横向支撑节点相连的系杆来保证。能承受拉力也能承受压力的系杆，叫刚性系杆；只能承受拉力的，叫柔性系杆。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 3 、支撑设计 （ 3 ）桁架支撑的计算 支撑杆件一般受力小，可按容许长细比来选择截面。 当横向水平支撑传递较大的山墙风荷载时，或结构按空间工作计算（纵向水平支撑体系需作为柱的弹性支座）时，支撑杆件应按桁架体系计算内力，进行截面设计。有交叉斜腹杆的支撑桁架是超静定体系，一般常用简化方法进行分析。可采用柔性方案设计，腹杆只考虑拉杆参于工作。如图中用虚线表示的一组斜杆因受压而退出工作，此时桁架按单斜杆体系分析。当斜杆按可以承受压力设计时（刚性方案设计），可按结构力学的方法进行内力分析。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 3 、支撑设计 （ 3 ）桁架支撑的计算 支撑连接的构造力求简单，安装方便。一般用 M20 粗制螺栓连接，杆件每端至少 2 个螺栓。       圆钢作柔性支撑杆件时，采用花篮螺栓，将杆件张紧。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 4 、桁架的内力计算 (1 ）计算简图 荷载、荷载分项系数、组合系数等，按荷载规范计算。 永久荷载： 屋面材料、保温层、防水层、吊车梁、檩条、支撑、屋架、天窗架等结构自重。 可变荷载： 屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载、悬挂吊车荷载等。屋面活荷载与雪荷载不同时出现，取两者中较大值计算。 荷载组合： 永久荷载 ＋ 可变荷载 ； 永久荷载 ＋ 半跨可变荷载 ； 屋架、支撑和天窗架自重＋半跨屋面板重＋半跨屋面活 荷载。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 4 、桁架的内力计算 (1 ）计算简图 实际钢桁架的节点刚性大，接近于刚接。通常钢桁架中各杆件的抗弯刚度较小，按刚接桁架算得的杆件弯矩 M 常较小，杆件的轴心力 N 与按铰接桁架计算的结果相差不大。故一般情况都按铰接桁架进行计算。 对于承受较大荷载的重型钢桁架，例如铁路桁架桥等，当杆件截面高度超过其长度的 1/10 时， M 引起的次应力的比重逐渐增大，可达 10~30% 或以上，应按刚接桁架进行内力计算。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 4 、桁架的内力计算 (2 ）计算方法 桁架只承受节点荷载时，可用数解法（节点法或截面法）、图解法或有限单元法按节点荷载作用下的铰接桁架计算杆件的轴力。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 4 、桁架的内力计算 (2 ）计算方法 有节间荷载作用的桁架，可按刚接桁架用计算机求解内力。也可采用简化法，先把所有节间荷载按该段节间为简支，求出支座反力，再把支座反力反向与节点荷载叠加，按只有节点荷载作用，计算桁架各杆的轴力。然后对有节间荷载的杆件计算局部弯矩。 M 0 为将上弦节间视为简支梁所得跨中弯矩，取中间节间正弯矩及节点负弯矩为 M =0.6 M 0 ，而端节间正弯矩为 M =0.8 M 0 ，弦杆端节点按铰接 M = 0 或取悬臂负弯矩 M e 。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 4 、桁架的内力计算 (3 ）内力组合 应进行内力组合对比，求出杆件的最不利内力。受拉为主并可能受压的杆件，如梯形桁架跨中的一些腹杆，在满跨荷载作用时受拉，但在半跨荷载作用时可能受压。其最不利内力为最大轴心拉力和可能最大轴心压力。对于拉（压）弯杆件，还应考虑最大正或负弯矩的不利组合。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 5 、桁架杆件的计算长度 （ 1 ）桁架平面内的计算长度 铰接节点桁架杆件在桁架平面内的计算长度 l 0x 应等于节点中心间的距离。实际桁架的节点接近于刚接，相邻杆件将约束该杆件端部转动，从而提高其整体稳定承载力。计算 l 0x 时可折减 l 来考虑杆端的嵌固作用。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 5 、桁架杆件的计算长度 (2 ）桁架平面外的计算长度 杆件在桁架平面外的计算长度 l y 应取侧向支承点间的距离。弦杆的侧向支承点应是水平支撑、垂直支撑或相应系杆的连接节点。腹杆与弦杆的连接节点可认为是腹杆的侧向支承点。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 5 、桁架杆件的计算长度 (2 ）桁架平面外的计算长度 当受压弦杆的侧向支承点间距 l 1 为弦杆节间长度的两倍，弦杆两节间的轴心压力 N 1 > N 2 ，用 N 1 验算弦杆平面外稳定时如果计算长度取用 l 1 显然过于保守。平面外的计算长度为 且 l 0y  0.5 l 1 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 5 、桁架杆件的计算长度 （ 2 ）桁架平面外的计算长度：交叉腹杆计算长度 计算杆受压： a. 另一斜杆受压，两杆交叉但均不中断。 N 和 N 0 分别为计算杆和斜交杆轴力 b. 另一斜杆受压，此另一杆交叉点中断， c. 另一斜杆受拉，两杆相交但均不中断， d. 另一斜杆受拉，此拉杆中断但搭接， 计算杆受拉： 因压杆不能作为其平面外支撑点，取 l 0 = l 。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 5 、桁架杆件的计算长度 （ 3 ）斜平面的计算长度 当腹杆截面为单角钢或双角钢组成的十字形截面时，受压杆件将绕截面最小回转半经 i min 的轴发生整体失稳。杆件弯曲方向是在一斜平面内。杆件两端的约束程度介于桁架平面内和平面外之间，杆件的计算长度取为前述 l 0x 和 l 0y 的平均值， l 0 = 0.9 l 。交叉腹杆中单角钢杆件斜平面内计算长度取节点中心至交叉点距离。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 6 、桁架杆件的截面形式 根据用料经济、连接构造简单和具有足够刚度等要求确定截面形式。应尽量使（  x   y ） ; 当有 M 作用时，应适当加大弯矩作用方向的截面高度。钢桁架常采用双角钢组合 T 形截面，少数杆件用双角钢组合十字形截面。受力小的腹杆也可用单角钢截面。 T 字钢是一种性能优越的截面形式。重型钢桁架常采用 H 型钢、箱形截面或两槽钢组合截面。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 6 、桁架杆件的截面形式 T 字钢做 弦杆和双角钢组合截面做腹杆的桁架比全角钢桁架用钢量可节省 12~15% 。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 6 、桁架杆件的截面形式 薄壁钢管各方向的回转半径相等，比其它型钢回转半径大，抗扭能力强。钢管结构的节点一般可不加节点板，可直接焊接，构造简单，连接方便。钢管结构比其它型钢结构可节约钢材达 20%~30% 。圆管绕流条件好，如承受风荷载或波浪压力时，其阻力可降低约 2/3 左右。钢管端部可以密封，有利于耐大气及海水腐蚀，管截面周长最小，所需油漆等维护费用也小。海洋工程钢桁架构件中，圆管截面是主要形式。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 7 、杆件截面设计 杆件按第四章和第六章的方法进行设计。普通钢桁架杆件截面设计时还应注意下列问题： 选用截面的板件厚度应较薄，并注意最小截面规格限制。 （ 1 ） 需用螺栓与其它杆件连接的角钢杆件，应注意所能采用的螺栓最大直径。 （ 2 ） 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 7 、杆件截面设计 为减少拼接的设置，桁架弦杆的截面常根据弦杆的最大杆力来选用。当必须设置角钢拼接时，可根据节间内力变化在半跨内改变截面一次，宜改变角钢的边长而保持厚度不变，以利拼接。 （ 3 ） 角钢上的螺栓孔位置若位于竖向节点板范围以内并距竖向节点板边缘≥ 100mm 时，可考虑节点板的补偿作用，计算杆件的净截面强度时可不计孔对弦杆截面的削弱。否则应考虑其影响。 （ 4 ） 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 7 、杆件截面设计 当采用双角钢组成的 T 形截面时，应选用 i y / i x 值与杆件的 l 0y / l 0x 相近的截面，使  x 与  y 相接近，以获得经济的截面。 （ 5 ） 当桁架竖杆的外伸边需与垂直支撑相连接时，则该竖杆宜采用由双角钢组成的十字形截面。可使垂直支撑对该竖杆的连接偏心为最小，竖杆位于桁架跨中时，在吊装时桁架的左、右端可以任意放置。 （ 6 ） 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 7 、杆件截面设计 单面连接的单角钢截面，因连接偏心易使构件弯扭失稳，故只能用于跨度较小的桁架或桁架中受力较小、长度较短的次要腹杆。 （ 7 ） 为了便于备料，整榀桁架所用的角钢规格品种不宜超过 5 ~ 6 种。在选出各杆的截面规格后，可进行调整，以减少规格数量。同一榀桁架中应避免采用边长相同但厚度不同的角钢。 （ 8 ） 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 1 ）概述 钢桁架一般在节点处设置节点板，把交汇于节点的各杆件都与节点板相连接，形成桁架的节点，各杆件把力传给节点板并互相平衡。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 一般在节点处设置节点板，各杆件都与节点板相连接。在节点处连续的杆件把两侧的内力差 △ N 传给节点板，其它杆件把全部内力 N 传给节点板。当杆件上作用有荷载 F 时，则传给节点板的力为 N 或 △ N 与 F 的合力 R 。有局部弯矩的杆件则还要传递弯矩和剪力。 杆件与节点板的连接通常采用焊接。螺栓连接常用于输电线路塔架和一些可装拆的桁架以及安装连接与工地现场拼接。 （ 1 ）概述 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 2 ）节点板的厚度 杆件在节点处都与节点板相连，传递内力并互相平衡。节点板中的应力分布复杂，节点板厚度主要依据杆件中的最大内力来确定。普通钢桁架节点板的厚度可参照表 7-2 选用，但应进行强度和稳定验算。 双角钢 T 形或十字形截面是组合截面，为保证两个角钢能整体共同受力应每隔一定间距在两角钢间放置填板（缀板）。填板宽度一般采用约 50~80mm ；与中间节点板同厚。填板长度对 T 形截面应伸出角钢背和角钢尖各 10~15mm ，对十字形截面则从角钢尖缩进 10~15mm 。角钢与填板通常依构造用侧面或周围角焊缝连接。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 2 ）节点板的厚度 压杆和拉杆填板间距应满足构造要求。受压杆件的两个侧向支承点之间的填板数不得少于两个。十字形截面一横一竖交替布置 。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 3 ）节点设计的一般要求 1 ） 杆件的形心线理论上应与杆件轴线重合，以免造成偏心受力。但为了方便制造，通常将角钢肢背至轴线的距离取为 5mm 的倍数 , 作为角钢的定位尺寸。当弦杆截面有改变时，为方便拼接和安放屋面构件，应使角钢的肢背齐平。此时应取两形心线的中线作为弦杆的共同轴线，以减少因两个角钢形心线错开而产生的偏心影响。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 3 ）节点设计的一般要求 2 ） 节点处各杆件边缘间应留一定间隙 c ，以利拼接和施焊，并避免焊缝过分密集而使钢材焊接过热变脆。 c 按构造要求确定。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 3 ）节点设计的一般要求 3 ） 角钢的切断面一般应与其轴线垂直，为使节点紧凑需要斜切时，只能切肢尖。节点板的形状和尺寸在绘制施工图时决定。节点板的形状应简单，以能充分利用材料为原则。节点板的长和宽宜取为 10mm 的倍数。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 3 ）节点设计的一般要求 4 ） 节点板外边缘与杆件边线间的扩大角宜  15 o ~20 o ，强度用足的杆件宜  25 o 。扩大角太小会引起节点板截面过窄，致使强度不足，或引起较大的构造和传力上的偏心。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 3 ）节点设计的一般要求 5 ） 在屋架双角钢截面上弦杆上放置檩条或大型屋面板时，角钢的水平伸出边一般应  70 ~ 90mm 。角钢应有一定厚度，以免在集中荷载作用下发生过大的弯曲，可参考表 7-3 要求选用。当确有困难而不能满足要求时，应设置竖向加劲肋或在集中荷载范围设置局部水平盖板。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 节点设计宜结合绘制桁架施工图进行。节点的设计步骤为： ① 按正确角度画出交汇于该节点的各杆轴线。 ② 按比例画出与各轴线相应的角钢轮廓线，并依据杆件间距离要求 c ，确定杆端位置。 ③ 根据已计算出的各杆件与节点板的连接焊缝尺寸，布置焊缝，并绘于图上。 ④ 确定节点板的合理形状和尺寸。节点板应框进所有焊缝。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 钢桁架的节点主要有一般节点、有集中荷载的节点、弦杆的拼接节点和支座节点几种类型，下面分别说明其设计方法。 1 ）一般节点 无集中荷载作用和无弦杆拼接的节点。 各腹杆与节点板连接的角焊缝应按第三章中角钢连接的角焊缝计算 。弦杆与节点板的连接焊缝，按相邻节间弦杆的内力差△ N 计算。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 2 ）有集中荷载的节点 承受由檩条或大型屋面板传来的集中荷载 P 的作用。为了放置上部构件，节点板须缩入上弦角钢背约 2 δ /3 的深度，并用塞焊缝连接。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 2 ）有集中荷载的节点 塞焊缝质量一般较难保证，计算多采用近似方法，假定其相当于两条焊脚尺寸各为 h f1 = δ /2 、长度为 l w1 的角焊缝，且仅承受垂直于焊缝的 P 作用进行计算。 角钢肢尖焊缝按承受弦杆的内力差△ N 和由其产生的弯矩 M = △ N e 的共同作用设计。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 2 ）有集中荷载的节点 当△ N 较大，按上法计算的肢尖焊缝强度难以满足要求时，可采用节点板部分伸出上弦角钢背的做法。此时肢背和肢尖角焊缝共同承受△ N 和 P 的合力 N  作用。 P 往往较小， N  作用方向与杆轴线相差较小，可近似取 N  沿轴线作用，按第三章中方法计算角钢肢尖和肢背的焊缝。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 3 ）弦杆的拼接节点 分为工厂拼接和工地拼接。工厂拼接通常设在内力较小的节间内。工地拼接是在桁架分段制造和运输时的安装接头，弦杆拼接节点多设在跨度中央。 为保证拼接处的强度和刚度，采用拼接角钢拼接。拼接角钢截面取与弦杆截面相同，直角边应切棱，角钢竖肢切肢。切棱和切肢引起的截面削弱，节点板可以补偿。屋架屋脊节点的拼接角钢应采用热弯成型。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 3 ）弦杆的拼接节点 拼接角钢的长度应根据拼接焊缝的长度确定，一般可按被拼接处弦杆的最大内力或偏于安全地按与弦杆等强（宜用于拉杆）计算，并假定 4 条拼接焊缝均匀受力。 拼接角钢的总长度为： l = 2( l w + 10) + a ， a 为弦杆端头的距离。 下弦取 a =10~20mm ， 上弦取 a =30~50mm 。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 3 ）弦杆的拼接节点 弦杆与节点板的连接焊缝可按较大一侧弦杆内力 N 的 15% 与节点两侧弦杆的内力差 △ N 两者中的较大值计算。当节点处还作用有集中荷载 P 时，则应按两方向力共同作用计算。为了拼接节点能正确定位和施焊，宜设置安装螺栓。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 4 ）支座节点 桁架与柱的连接分 铰接 和 刚接 两类。 刚接节点弦杆连接于柱侧。支座竖向反力 R 由下弦端板传给焊于柱上的支托板；端弯矩由上下弦的水平力 H 承受。取上弦的水平力由盖板传递，上弦的竖向连接板与柱的连接螺栓按构造确定。下弦节点板与支承端板的焊缝按承受 R 和 H ( 可能还有 H 产生的偏心弯矩）计算。端板与柱的连接螺栓按承受 H ( 可能还有 H 产生的偏心弯矩）计算。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 4 ）支座节点 端板在 H 作用下受弯，近似按嵌固于两列螺栓间的梁式板计算厚度 t N max — 一个螺栓所受的最大拉力； S — 受力最大螺栓的端距加螺栓竖向间距的一半。 l 1 — 两竖列螺栓的间距； 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 4 ）支座节点 铰接 支座节点由节点板、底板、加劲肋和锚栓组成。加劲肋的作用是分布支座反力，减小底板弯矩和提高节点板的侧向刚度。加劲肋的轴线与支座反力的作用线重合。为便于施焊，下弦杆和底板间一般应不小于下弦角钢水平肢的宽度。锚栓常用 M20  M24 。为便于桁架安装，底板上的锚栓孔 d 0 =(2~2.5) d 或做成 U 形缺口。待桁架调整定位后，用孔径 d 0 = d +(1~2mm) 的垫板 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 4 ）支座节点 套进锚栓并与底板焊牢。节点的传力路线是：各杆件的内力通过杆端焊缝传给节点板，再经节点板和加劲肋间的竖直焊缝将一部分力传给加劲肋，然后通过节点板、加劲肋和底板间的水平焊缝将全部支座反力传给底板，最终传至柱。可采用铰接柱脚类似方法进行计算。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 5 ） T 型钢作弦杆的桁架节点 桁架的弦杆采用 T 型钢 , 腹杆采用双角钢时，双角钢可以直接与 T 型钢腹杆连接。当不需要节点板时，可省工省料。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 6 ）节点处板件的计算 ① 根据试验研究，连接节点处的板件承受拉、剪作用时，强度验算公式为 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 6 ）节点处板件的计算 ② 节点板的外形往往不规则，采用上式计算比较麻烦。根据试验研究，节点板的强度也可按下式计算： σ = N /( b e t )≤ f b e —— 板件有效宽度，螺栓连接时应取净宽度。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 8 、桁架的节点设计 （ 4 ）桁架的节点构造和计算 6 ）节点处板件的计算 ③ 节点板在斜腹杆压力作用下的稳定性 有竖腹杆的节点板 : 当 时，可不计算稳定。 无竖腹杆的节点板 : 当 时，节点板的稳定承载力可取为 0.8 b e tf 。否则按规范附录 F 进行稳定计算。尚应满足构造要求。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 9 、桁架的施工图 （ 1 ）种类 施工图是钢结构制造和安装的依据。 1 ）构件布置图 表达各类构件位置的整体图，主要用于钢结构安装。一般包括平面图、侧面图、必要的剖面图、安装节点大样、构件编号、构件表及总说明等。 2 ）构件详图 表达所有单体构件的详细图，主要用于钢结构制造。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 9 、桁架的施工图 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 施工图需明确：屋架几何尺寸，各部分详图，相关尺寸，构件所用钢材的钢号、材料规格，连接材料的强度指标、规格，焊条型号，焊缝长度、厚度，防腐处理等。 （ 1 ）一般应按运输单元绘制，当桁架对称时，可仅 绘制半榀桁架。 （ 2 ）构件详图应包括桁架的正面图，上、下弦的平面图，必要的侧面图和剖面图，以及某些安装节点或特殊零件的大样图。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 9 、桁架的施工图 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 （ 3 ） 在图面左上角绘制桁架简图。图中左半部应注明杆件的几何长度（ mm ），右半部注明杆件的轴力设计值（ kN ）。当桁架跨度较大时，为防止挠度值较大，须在制造时起拱。拱度一般取 l /500 ，并在桁架简图中注明。 （ 4 ） 应注明各零件的型号和尺寸，包括加工尺寸、定位尺寸 ( 轴线至角钢肢背的距离，节点中心至各杆件杆端和节点板上、下、左、右边缘的距离等 ) 、孔洞位置以及对工厂制造和工地安装的要求 ( 零件切斜角、孔洞直径和焊缝尺寸等 ) 。工地拼接焊缝要注意标出安装焊缝符号，以适应运输单元的划分和拼装。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 9 、桁架的施工图 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 （ 5 ） 应对零件详细编号，编号应按构件主次、上下、左右顺序逐一进行。零件尺寸完全相同的可采用统一编号。系镜面对称时，亦采用同一编号，但在材料表中应注明正或反字样，以示区别。当桁架仅在少数部位的构造略有不同（螺栓孔有无）时，可在图上螺栓孔处注明所属桁架的编号，这些桁架就可绘在一张施工图上。 （ 6 ）材料表应包括各零件的编号、截面规格、长度、数量（正、反）和重量等。材料表的作用不但可归纳各零件以便备料和计算用钢量，同时也可供选择起吊和运输设备时参考。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 9 、桁架的施工图 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 （ 7 ）文字说明应包括钢号和附加条件、焊条型号、焊接方法和质量要求，图中未注明的焊缝和螺栓孔尺寸，油漆、运输、安装和制造要求，以及一些不易用图表达的内容。 （ 8 ）桁架施工详图通常采用两种比例绘制，杆件的轴线一般用 1  20  1  30 ；节点和杆件截面尺寸用 1  10  1  15 。重要节点大样，比例还可较大，以清楚地表达节点的细部尺寸为准。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 一、屋盖结构设计 9 、桁架的施工图 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 施工图设计分为 施工设计 和 详图设计 两个阶段，设计文件（图纸）的名称相应为 施工图 和 施工详图 ， 施工图 是编制施工详图的依据， 施工详图 则是施工图的深化和补充。 随着国内钢结构生产企业技术能力的提高，向国际惯用做法靠拢，施工图由设计院完成，施工详图由生产企业的技术科完成。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 二、框架柱设计 1 、柱的计算长度 单层厂房框架的侧移对内力的影响相对较小，可不必考虑竖向荷载对侧移的二阶效应。目前对单层工业厂房框架基本上采用一阶弹性分析来确定其计算长度。等截面柱在框架平面内的计算长度应等于柱的高度乘以计算长度系数  。阶形柱应分段进行计算，各段的计算长度应等于柱各段的几何高度分别乘以各段计算长度系数。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 二、框架柱设计 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 1 、柱的计算长度 （ 1 ）单层等截面框架柱在框架平面内的计算长度 单层重型厂房等截面框架通常难以设置防止侧移的支承，按有侧移框架考虑。  值取决 于柱与基础连接方式以及梁对柱的约束程度，后者用横梁的线刚度与柱的线刚度比值 K 1 表达，对单跨框架 K 1 = Ⅰ 1 H / Ⅰ l ；对多跨框架 K 1 =( Ⅰ 1 l 1 + Ⅰ 2 l 2 ) / ( I / H ) 。按弹性稳定理论分析的计算长度系数见表 7—4 。计算格构柱和桁架梁的线刚度时，对惯性矩乘以 0.9 的系数。当横梁高度变化时，惯性矩按平均高度计算。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 二、框架柱设计 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 1 、柱的计算长度 （ 2 ）厂房阶形柱在框架平面内的计算长度 当厂房柱承受吊车荷载作用时，从经济角度考虑，常采用阶形柱。 阶形柱的计算长度按有侧移失稳条件分段确定。计算长度系数  根据柱的上端与横梁的连接方式、柱上下段的线刚度之比查相应表格确定。考虑厂房空间内力分配，计算长度可乘以一折减系数。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 二、框架柱设计 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 1 、柱的计算长度 （ 3 ）框架柱在框架平面外的计算长度 厂房柱在框架平面外 ( 沿厂房长度方向 ) 的计算长度，取阻止框架平面外位移的侧向支承点之间的距离，柱间支撑的节点是阻止框架柱在框架平面外位移的可靠侧向支承点，与此节点相连的纵向构件 ( 如吊车梁、制动结构、辅助桁架、托架、纵梁和刚性系杆等 ) 亦可视为框架柱的侧向支承点。柱在框架平面外的尺寸较小，侧向刚度较差，在柱脚和连接节点处可视为铰接。在框架平面外的计算长度等于侧向支承点之间的距离，若无侧向支承时，则为柱的全长。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 二、框架柱设计 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 2 、柱间支撑 （ 1 ）柱间支撑的作用与布置 作用 : 作用在厂房山墙的风荷载、吊车纵向刹车力、纵向地震作用等要靠纵向承载体系来承受，纵向承载体系一般由柱和柱间支撑构成。柱间支撑也作为框架柱在框架平面外的支点，减少柱在框架平面外的计算长度。通常称吊车梁以上的柱间支撑为上柱支撑，吊车梁以下部分称为下柱支撑。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 二、框架柱设计 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 2 、柱间支撑 （ 1 ）柱间支撑的作用与布置 布置 柱间支撑的刚度比单独柱大的多，为减少温度应力，应在厂房纵向温度单元中部设置上、下柱间支撑。为了传递从屋架下弦横向支撑传来的纵向风载，应在单元两端设上柱支撑。抗震设防为 7 度或 8 、 9 度时，单元长度大于 120 m 或 90m ，宜在单元中部 1/3 区段内设置两道上、下柱间支撑。每列柱顶均要布置刚性系杆。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 二、框架柱设计 2. 钢桁架构件详图的主要内容和绘制要点 2 、柱间支撑 （ 2 ）柱间支撑的形式和计算 常用上柱和下柱的支撑形式。 柱间支撑的截面及连接由计算确定。由房屋两端或一端（房屋设有中间伸缩缝）的山墙及天窗架端壁传来的纵向风荷载，按 《 建筑结构荷载规范 》 的相关规定确定其设计值。由吊车在轨道上纵向行驶所产生的刹车力，一般按不多于两台吊车计算。抗震设防烈度 7 度及以上地区的单层厂房钢结构，按 《 建筑抗震设计规范 》 确定其纵向地震作用设计值。作为框架柱平面外的支撑点，支撑系统所受支撑力按 《 钢结构设计规范 》 确定，且该支撑力不与其它荷载效应组合。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 二、框架柱设计 2 、柱间支撑 （ 2 ）柱间支撑的形式和计算 柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向荷载按支承于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算，按受力特点验算构件的强度和稳定性。计算时应考虑支撑系统受力方向的可变性。支撑的连接可采用焊缝或高强螺栓。对于人字形，八字形之类的支撑还要注意采取构造措施，如采用弹簧板连接使其与吊车梁（或制动结构，辅助桁架）的连接仅传递水平力，而不传递垂直力，以免支撑成为吊车梁的中间支点。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 三、节点设计 1 、桁架与柱刚结节点设计 屋架与柱采用刚性连接时，常用端板和螺栓连接。在上弦节点中，需要将上弦端节间的内力传给柱。负弯矩作用时，由螺栓承受拉剪作用。正弯矩作用时，连接受压由端板承压承受（可不作计算），竖向分力由螺栓抗剪承受。在下弦节点中，要将下弦端节间和支座斜杆内力的合力传给柱。合力的竖向分力使螺栓受剪，通常为避免螺栓受剪，采用端板下伸与柱上承托刨平顶紧承受。合力的水平分力由螺栓承受。若不设承托，螺栓群按水平分力和竖向分力联合作用计算。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 三、节点设计 2 、肩梁的构造和计算 肩梁通常由上盖板、下盖板、腹板及垫板组成。根据腹板的数量肩梁分为有单壁式和双壁式两种。 单壁式肩梁构造简单，但平面外刚度较差，较为大型的厂房柱（柱截面宽度≥ 900mm ）通常采用双壁式肩梁。 单壁式肩梁的上柱内翼缘应开槽口插入肩梁腹板，由角焊缝连接。双壁式肩梁将上柱下端加宽后插人两肩梁腹板之间并焊接，上盖板与单壁式肩梁的相同，不要做成封闭式，以免施焊困难。 肩梁常近似按简支梁进行强度计算。 第二节 重型钢结构厂房结构设计 四、墙架体系 承受由墙体传来的荷载，并将荷载传递到基础或厂房框架柱上的结构体系称为墙架体系，一般由横梁、墙架柱、抗风桁架和支撑等构成。目前重型工业厂房围护墙主要采用轻型墙皮和大型混凝土墙板。轻型墙皮主要有压型钢板和压型铝合金板，由于压型板平面尺寸大，一片墙可以从屋面到基脚用一块压型板拉通，并通过连接件与墙架柱和横梁进行可靠连接，形成一个能够传递竖向荷载和沿压型板平面方向的水平荷载的结构体系。 返回本章 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 一、特点和应用 1. 组成 门式刚架是由梁、柱单元构件成的单跨或多跨刚架，具有轻型屋盖和轻型外墙，可以设置起重量不大于 300kN 的中、轻级工作制桥式吊车或 30kN 悬挂式起重机的单层房屋钢结构。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 一、特点和应用 2 ．特点 (1) 结构自重轻 , 基础造价低。 (2) 外形简洁、美观。 (3) 对抗震非常有利。 (4) 建造速度快，装拆方便。 3 ．适用范围 (5) 柱网布置灵活。 (6) 防腐、运输和安装要求高。 通常用于仓库、商业建筑、娱乐体育场馆、候车室、展览厅、活动房屋、加层建筑、无桥式吊车或设有起重量≤ 20t 的 A1 ～ A5 工作级别桥式吊车或 3t 悬挂吊车的单层工业房屋，当有需要并采取可靠技术措施时，悬挂吊车的起重量可达 5t 。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 1. 结构形式 1 ）按跨度分 单跨、双跨或多跨的单、双坡门式刚架。 梁、柱刚接，柱脚多按铰接设计。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 1. 结构形式 3 ）按结构选材分 普通型钢、薄壁型钢和钢管刚架等 ； 4 ）按截面形式分 等截面和变截面 刚架 。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。 2 ）按构件体系分 实腹式与格构式 ; 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 1 ）刚架结构布置 1 ）定位轴线及尺寸 刚架边柱的定位轴线取柱外皮；斜梁轴线取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。檐口高度取地坪至房屋外侧檩条上缘的高度；最大高度取地坪至屋盖顶部檩条上缘的高度；宽度取房屋侧墙墙梁外皮之间的距离；长度取两端山墙墙梁外皮之间的距离。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 1 ）刚架结构布置 2 ）柱网布置 在满足使用要求和经济要求的前提下确定最佳跨度和柱距。门式刚架房屋钢结构的纵向温度区段长度不大于 300m ，横向温度区段长度不大于 150m 。当需要设置伸缩缝时，可在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔并使该处屋面板在构造上允许胀缩；或者设置双柱。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 1 ）刚架结构布置 3 ）墙梁结构布置 墙梁的间距与墙板的承载能力、房屋所在地区的基本风压及房屋的高度等有关，同时在门、窗框上端、窗台、檐口及室内地面处均应设置墙梁。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 2 ）门式刚架支撑设计 1 ）门式刚架支撑的作用与设置原则 形成空间整体结构。支撑与刚架一般采用铰接连接。门式刚架支撑主要有屋面横向水平支撑及系杆、柱间支撑和水平系杆、隅撑等。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 2 ）门式刚架支撑设计 1 ）门式刚架支撑的作用与设置原则 屋面横向水平支撑一般设置在框架梁的上翼缘平面。由框架梁的上翼缘作为弦杆，檩条和交叉斜杆作为腹杆而组成的水平桁架，再通过系杆 ( 或檩条 ) 将不设横向水平支撑的框架梁连系起来，使屋盖形成一个整体。 柱间支撑应与横向水平支撑布置在同一开间，承受和传递房屋的纵向水平风荷载、吊车纵向水平制动力和纵向水平地震作用，减小柱子的侧向计算长度和保证房屋的纵向刚度和整体刚度。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 2 ）门式刚架支撑设计 1 ）门式刚架支撑的作用与设置原则 在框架梁下翼缘受压区段内的每根檩条处和框架柱中靠近柱上端内缘翼压应力较大的区段，均应设置隅撑，作为框架梁和柱受压翼缘的侧向支承，提高梁和柱的整体稳定性；隅撑加强了檩条的竖向刚度，有利于提高檩条的承载能力。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 2 ）门式刚架支撑设计 2 ）支撑结构布置和计算 房屋 ( 或温度区段 ) 两端应布置，最大间距≤ 60m 。在横向水平支撑的节点处应设通长系杆，其中屋脊和檐口处系杆及当横向支撑布置在房屋两端第二开间时的第一开间系杆均为刚性系杆，其它为柔性系杆。檩条可以代替系杆，但必须满足受力要求，刚性系杆可采用钢管，也可以采用两根槽形截面檩条。 ① 屋面横向水平支撑及系杆 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 2 ）门式刚架支撑设计 2 ）支撑结构布置和计算 ① 屋面横向水平支撑及系杆 计算横向水平支撑的内力时，应考虑由房屋两端抗风柱所传递的纵向风荷载及阻止框架梁失稳而起支撑作用所应承受的内力。横向水平支撑中的交叉杆件，通常采用圆钢，按拉杆设计，通过两端螺帽或中间花兰螺栓使保证其张紧状态。横向水平支撑中的竖杆应按压杆设计。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 2 ）门式刚架支撑设计 2 ）支撑结构布置和计算 ② 柱间支撑和水平系杆 沿纵向布置，最大间距≤ 60m ，当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置。在柱间支撑的节点处，沿纵向柱列应设通长的刚性水平系杆。柱间支撑内力计算时应考虑由横向水平支撑传来的纵向风荷载及为了减小柱的侧向计算长度而起支撑作用所承受的力。当厂房内设置吊车时，还应计入吊车的纵向制动力。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 2 ）门式刚架支撑设计 2 ）支撑结构布置和计算 ② 柱间支撑和水平系杆 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 2. 结构布置 （ 2 ）门式刚架支撑设计 2 ）支撑结构布置和计算 ② 柱间支撑和水平系杆 柱间支撑的计算简图可按支承于柱脚基础上的悬臂桁架计算。支撑的交叉杆按拉杆设计，常采用圆钢或角钢。水平系杆按压杆设计。为了加强房屋的纵向刚度，柱间交叉支撑有时也可按压杆设计。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 3. 门式刚架设计 （ 1 ）荷载计算 按 《 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 》 （ CECS102:2002 ）和 《 建筑结构荷载规范 》 （ GB50009-2001 ）取值计算。 （ 2 ）内力与位移计算 可能在几个截面同时出现塑性铰，刚架构件的腹板通常很薄，截面发展塑性的潜力不大，故应采用弹性分析方法按平面结构进行内力分析。 1 ）变截面门式刚架内力计算 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 3. 门式刚架设计 （ 2 ）内力与位移计算 1 ）变截面门式刚架内力计算 蒙皮效应 是将屋面板视为沿房屋全长伸展的深梁，可用来承受平面内荷载。面板可视为平面内横向剪切的腹板，其边缘构件可视为承受轴向力的翼缘。考虑屋面板的蒙皮效应可提高结构的刚度和承载力，但由于研究资料尚不充分，一般不考虑应力蒙皮效应。考虑屋面板的蒙皮效应的条件见 《 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102:98》 的条文说明。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 3. 门式刚架设计 （ 2 ）内力与位移计算 1 ）变截面门式刚架内力计算 变截面门式刚架的内力分析可按一般结构力学方法或利用静力计算公式、图表进行；也可采用有限元法计算。计算时宜将构件分为若干段，每段的几何特征可视为常量；也可采用楔形单元。如需考虑地震作用效应时，可采用底部剪力法确定。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 3. 门式刚架设计 （ 2 ）内力与位移计算 2 ）变截面门式刚架侧移计算 柱脚铰接刚架 : 柱脚刚接刚架 : ① 单跨刚架 当单跨变截面刚架横梁上缘坡度不大于 1:5 时，在柱顶水平力作用下的侧移 u 可按下式估算 : 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 3. 门式刚架设计 （ 2 ）内力与位移计算 2 ）变截面门式刚架侧移计算 ① 单跨刚架 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 3. 门式刚架设计 （ 2 ）内力与位移计算 2 ）变截面门式刚架侧移计算 ① 单跨刚架 ξ t = I C L/ ( HI b ) ，为刚架柱与刚架梁的线刚度比值。 当横梁坡度大于 1:10 时， L 取横梁坡折线总长度 2 s ； I C 、 I b 为柱和横梁的平均惯性矩；吊车水平荷载或沿柱高度均布的水平风荷载作用时，化为柱顶等效水平力，公式见教材。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 3. 门式刚架设计 （ 2 ）内力与位移计算 2 ）变截面门式刚架侧移计算 ① 单跨刚架 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 3. 门式刚架设计 （ 2 ）内力与位移计算 2 ）变截面门式刚架侧移计算 ② 两跨和多跨刚架 中间柱为摇摆柱的两跨刚架，柱顶侧移可采用单跨刚架公式计算，但计算 ξ t 时，应以 2 s 代替 L 。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 3. 门式刚架设计 （ 2 ）内力与位移计算 2 ）变截面门式刚架侧移计算 ② 两跨和多跨刚架 当中间柱与横梁刚性连接时，可将多跨刚架视为多个单跨刚架的组合体 ( 每个中柱分为两半，惯性矩各为 I /2) ，按下式计算整个刚架在柱顶水平荷载作用下的侧移： K i 为各单跨刚架的侧向刚度。 各参数计算公式见教材。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 4. 等截面门式刚架 等截面门式刚架可采用弹性设计法或塑性设计法。当采用弹性分析方法确定内力时，可参考上述方法进行。 塑性设计法要求钢材具有充分塑性变形能力。当荷载增加到某一值时，在结构 M max 截面出现塑性铰。荷载继续增加时， M max 截面像铰一样发生转动，而弯矩保持不变，荷载的增长部分由结构其他截面的弯矩增长来保持平衡。结构的塑性铰将依次出现，塑性铰相当于构造铰，每出现一个塑性铰，结构的超静定次数就降低一次。当依次形成 n +1 个塑性铰后， n 次超静定结构就变成机构，即达到承载能力的极限状态。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 二、结构形式与布置 4. 等截面门式刚架 塑性设计能较好地反映结构的实际工作情况，比弹性设计可节省钢材约 10 ～ 20% 。结构塑性分析时叠加原理不能用，应按各种荷载组合分别进行内力分析，找出各种可能的破坏机构和计算相应的塑性弯矩值，然后从中取其最小值。常用的分析方法有静力法和机动法。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 1 ） 板件最大宽厚比和屈曲后强度利用 受压翼缘 腹板 工字形截面受弯构件中腹板以受剪为主，翼缘以抗弯为主。增大腹板的高度，可更好地发挥翼缘的抗弯能力，但若因局部稳定要求需增大腹板厚度，通常并不经济，利用腹板的屈曲后强度是比较合理的。当腹板的受剪板幅高度变化不超过 60mm/m 时，可利用屈曲后强度。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 1 ）板件最大宽厚比和屈曲后强度利用 腹板受弯及受压板幅利用屈曲后强度时，按有效宽度 h e 计算截面特性。当截面全部受压时， h e ＝ ρh 0 ， ρ 是有效宽度系数；当截面部分受拉时，受拉区全部有效，受压区的 h e ＝ ρh c ， h c 为受压区宽度。 受弯及受压计算 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 1 ）板件最大宽厚比和屈曲后强度利用 为杆件在正应力作用下的凸曲系数 由有效截面分布，可以得到有效截面受压翼缘截面模量 W e 和有效截面积 A e 。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 1 ）板件最大宽厚比和屈曲后强度利用 利用屈曲后强度的腹板抗剪强度： 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 2 ）刚架构件的强度计算和加劲肋设置 工字形截面受弯构件在 剪力 V 和弯矩 M 共同作用下 的强度应满足下列要求： 当 V ≤0.5 V d 时 M ≤ M e =W e f 当 0.5 V d ≤ V ≤ V d 时 M f 和 M e 分别为两翼 缘和构件有效截面所承担的弯矩。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 2 ）刚架构件的强度计算和加劲肋设置 工字形截面压弯构件 在剪力 V 、弯矩 M 和轴心压力 N 共同作用下 的强度应满足下列要求： 当 V ≤0.5 V d 时 M ≤ M e N = M e - NW e / A e 当 0.5 V d ≤ V ≤ V d 时 M f N 为兼承受压力 N 时两翼缘所能承受的弯矩，对双轴对称截面： M f N =A f ( h w + t )( f - N / A ) 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 3 ）变截面柱在刚架平面内的稳定计算 ① 查表法： 用于柱脚铰接的刚架。适合手算。 I ．柱脚铰接单跨刚架楔形柱的 μ γ 由表 7-4 查得。 II ．多跨刚架设摇摆柱时，摇摆柱的 μ γ =1.0 。边柱的计算长度为 h 0 = ημ γ h ， η 为放大系数。 注：下标 0 对应小头，下边 1 对应大头，计算长度如下： 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 ③ 二阶分析法： 用于柱脚铰接和刚接的刚架。 当采用计入 P — U 效应的二阶分析程序计算内力时 ， μ γ =1-0.375 γ +0.08 γ 2 （ 1-0.0775 γ ）， γ 为楔率。 ② 和③适合计算机计算。 ② 一阶分析法： 用于柱脚铰接和刚接的刚架。 当利用一阶分析计算程序 计算内力时， μ γ 根据柱顶侧移刚度 K = H / U ，按式 (7-28)~(7-29) 计算。公式由横梁为水平构件的刚架导出，不宜用于坡度 i >1/10 的刚架柱。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 4 ）变截面柱在刚架平面外的稳定计算 （ 5 ）变截面柱柱端抗剪承载力验算 变截面柱下端铰接时，应验算柱端的抗剪强度。 （ 6 ）横梁设计 1 ） 实腹式横梁在平面内和平面外均应按压弯构件计算强度和稳定。当屋面坡度 α ≤100 时，在刚架平面内可仅按压弯构件计算其强度。 长细比以小头为准 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 6 ）横梁设计 2 ）实腹式刚架横梁的平面内和平面外的计算长度可分别取竖向支承点间的距离和侧向支承点间的距离；当横梁两翼缘侧向支承点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支承点间的距离。 3 ）当刚架横梁下翼缘受压时，在受压翼缘的两侧布置隅撑 ( 端部仅布置在一侧 ) ，作为横梁的侧向支承。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 6 ）横梁设计 4 ）当横梁上翼缘承受集中荷载处不设横向加劲肋时，应验算腹板上边缘正应力、剪应力和局部压应力共同作用时的折算应力，还应满足下列要求： 这是参照欧洲规范 EC3-ENV 简化后 改写的。 5 ）横梁不需计算整体稳定性的侧向支承点间最大长度，可取横梁下翼缘宽度的 倍。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 三、构件截面设计 1 、变截面刚架构件计算 （ 7 ）隅撑设计 隅撑应按轴心受压构件设计。 2 、等截面刚架构件计算 可采用三块板焊成的工字形截面、高频焊接轻型 H 型钢及热轧 H 型钢。等截面刚架按弹性设计时，可按上述变截面刚架的规定进行设计。等截面刚架按塑性设计时，按 《 钢结构设计规范 》 中塑性设计的规定进行设计。 A 为横梁被支撑翼缘截面积 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 四、节点设计 1. 斜 梁 与 柱 连 接 门式刚架横梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板平放和端板斜放三种形式。 端板连接设计 按所受最大内力设计。当内力较小时，按较小被连接截面承载力的一半设计。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 四、节点设计 端板连接设计 主刚架构件的连接应采用高强度螺栓连接。吊车梁与刚架连接的螺栓孔宜设长圆孔。檩条和墙梁与刚架的连接通常采用普通螺栓。 端板的连接螺栓应成对对称布置。在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧均应设置，并宜使每个翼缘的螺栓群中心与翼缘的中心重合或接近。应采用将端板伸出截面高度范围以外的外伸式连接。当螺栓受力较小时，也可将螺栓全部设在构件截面高度范围内的端板平齐式连接。螺栓布置应满足构造要求。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 四、节点设计 端板连接设计 门式刚架中受压翼缘的螺栓不宜少于两排。与横梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。 端板的厚度不宜小于 12mm ，可根据支承条件按下列公式计算。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 四、节点设计 端板连接设计 伸缩类端板 无加劲肋类端板两边支承类端板，当两端板外伸时当两端板平齐时三边支承类端板式中 N t — 一个高强度螺栓承受的拉力设计值； f — 端板钢材的抗拉强度设计值。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 四、节点设计 端板连接设计 门式刚架框架梁框架柱相交节点域，应按下式验算剪切强度，当不能满足时，应加厚腹板或设置加劲肋。 门式刚架梁、柱的翼缘和腹板与端板的连接，应采用全熔透对接焊缝，使焊缝截面与构件截面等强。在端板螺栓处，应按下式验算腹板强度。当不满足要求时，可设置腹板加劲肋或局部加厚腹板。 当 N≤0.4P 时 当 N>0.4P 时 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 四、节点设计 拼接构造要求和计算方法同框架梁与框架柱连接。 2. 门 式 刚 架 框 架 梁 拼 接 构 造 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 四、节点设计 3. 门式 刚架 框架 与 摇摆 柱的 连接 构造 螺栓直径和布置由构造决定，不考虑受力。 加劲肋设置应考虑有效地传递支承反力，按支承反力设计。 图示为框架梁与摇摆柱的连接，柱两端都为铰接。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 四、节点设计 4. 门 式 刚 架 柱 脚 构 造 (a) 铰接柱脚形式 (c) 固接柱脚形式 (b) 摇摆柱柱脚 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 四、节点设计 5. 牛 腿 设 计 柱为焊接工字钢截面，可为等截面或变截面柱。 图 牛腿的构造 牛腿板件尺寸与柱截面尺寸相协调，牛腿各部分焊缝由计算确定。 第三节 门式刚架轻型房屋钢结构设计 四、节点设计 6. 檩 托 檩条与刚架斜粱上翼缘的连接处应设置檩托，当支承处 Z 形檩条叠置搭接时，可不设檩托。檩条与檩托应采用螺栓连接，檩条每端应设两个螺栓。位于屋盖坡面顶部的屋脊檩条，可用槽钢、角钢或圆钢相连。 返回主页