门式刚架钢结构普钢规范和轻钢规范的设计比较研究

须采用角钢或槽钢 ,设计制造较繁杂 “; 轻钢规范”中 , 受压构件可放宽到[λ] = 220 ,受拉构件应满足 [λ] =
的屈曲后强度 ,降低截面尺寸 ,减少单位平米的用钢 400 ,除吊车梁以下的柱间支撑外 ,大都可采用柔性拉
量。
杆系统即可 ,构造和施工简单方便 。
以某机场货运仓库的设计为例 ,通过采用“普钢 114 节点连接形式
工业建筑 2000 年第 30 卷第 9 期
1998 年 3 月已审查通过 ,已正式公布实行 。 “轻钢规范”在编制过程中 ,积极研究了美国和欧
要求 λmax Φ[λ]确定 。“普钢规范”中 ,受压构件应满 足[λ] = 150 ,受拉构件应满足 [λ] = 400 ,为达到要求
洲的同类标准和手册中有关的先进技术规定 ,并结合 我国的具体情况吸收利用 ,合理而有效地利用了钢材
门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房 、民用及仓 储房屋中一种常见的结构形式 ,特别是近十多年来 , 随着我国经济建设的迅速发展 ,由于生产的需要 ,这 类结构以其用钢量低 、重量轻 、造价低 、适用范围广等 优点而获得广泛应用 ,工程实践表明 :门式刚架轻型 钢结构的用钢量在 20～50kg/ m2 ,因此不仅国外的轻 钢生产厂家纷纷将整套的厂房结构体系推向国内市 场 ,国内的轻钢生产厂家 、设计单位也纷纷转向这类 结构的生产和设计 。
COMPARATIVE STUDY ON D ESIGN OF PORTAL FRAME STEEL STRUCTURE BETWEEN NORMAL AND L IGHT STEEL STRUCTURE COD ES
Wang Yuanqing Yang Wei (Depart ment of Civil Engineering , Tsinghua University Beijing 100084)
柱端最大侧移
/ mm 7. 2 (1/ 1 250) 7. 4 (1/ 1 216) 6. 8 (1/ 1 323)
梁中最大挠度
/ mm 41 (1/ 439) 45 (1/ 400) 54 (1/ 333)
吊车梁顶位移
/ mm 5. 1 (1/ 1 470) 5. 3 (1/ 1 415) 4. 8 (1/ 1 563)
为了对轻钢结构的设计 、制造和安装的技术要求 作出配套的规定 ,以促进其进一步发展 ,1995 年建设 部建设标准化协会编制了《门式刚架轻型房屋钢结构 技术 规 程》( CECS102198) ( 以 下 简 称“轻 钢 规 范”)
第一作者 :王元清 男 1963 年 7 月出生 副教授 收稿日期 :2000 04 10
车荷载) 效应标准值 ; 112 ×恒载效应标准值 + 0185 ×114 ×(活载 + 风
荷载) 效应标准值 ; 112 ×恒载效应标准值 + 0185 ×114 ×(活载 + 吊
车荷载) 效应标准值 ; 112 ×恒载效应标准值 + 114 ×吊车荷载效应标
准值 ; 112 ×恒载效应标准值 + 114 ×风荷载效应标准
213 计算控制因素 (1) 侧向变形限制
“普钢规范”的变形要求 ,规定在屋面荷载和风荷 载作用下 ,柱顶的侧向水平位移不能超过柱高的 1/ 120 ,刚架斜梁的容许挠度为 1/ 400 。
“轻钢规范”的变形要求 ,不设桥式吊车的门式刚 架 ,当采用轻型墙板时 ,柱顶的侧向水平位移与柱高 的比值为 1/ 50 ,仅支撑雪荷载或活荷载的刚架斜梁 容许挠度为 1/ 180 。
屋面板工业厂房的模数制 。
但实际一般采用有限元为主要手段的计算机计算 ,这
而对门式钢架轻型钢结构而言 ,其设计用钢量的 也是“轻钢规范”推崇的结构分析方法 。
多少是评价设计优劣的一项重要指标 ,而设计用钢量 211 计算模型和参数
和柱距的大小是密切相关的[1 ] 。由于新型的房屋体
以一榀平面刚架为计算单元 ,将刚架附属结构简
檩条和夹芯板制作 ,而墙面采用外挂夹芯板的形式 。
2 结构计算的分析比较
1 结构方案布置比较
“普钢规范”计算过程常采用手算 ,分解为两个步
111 柱网和轴线的布置
骤 :第一步在结构顶部加一个不动铰支座以阻止水平
厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合 侧移 ,求支座反力 R ;第二步撤除附加不动铰 ,将反力
钢材为建筑用 Q235 热 轧 钢 板 , 弹 性 模 量 E = 206 ×103MPa ,泊松比 μ= 013 。 212 计算工况和方法
门式刚架钢结构普钢规范和轻钢规范的设计比较研究 ———王元清等
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按照承载能力极限状态进行的内力计算 ,需要组 是“轻钢规范”,厂房的侧向刚度主要是由一台最大吊
“轻钢规范”
480 ×240 ×8 ×4 500 ×200 ×8 ×4
对有吊车的厂房来说 ,无论是采用“普钢规范”还
表 2 内力及变形值
项 次
“普钢规范”(不设加劲助) “普钢规范”(设加劲肋)
“轻钢规范”
柱中最大应力
/ MPa 150 155 190
梁中最大应力
/ MPa 188 202 210
工艺要求进行柱网的平面布置 ,按“普钢规范”过去我 R 反方向作用于结构顶部 ,叠加上述两个步骤的内
国和前苏联习惯上将 柱 距 模 数 定 为 3m ( 常 用 3m , 力值 ,得到原结构的内力值 ,较为繁琐 。
6m ,9m ,12m 等) ,这实际上是照搬了预制钢筋混凝土
“轻钢规范”虽然给出一些用于手算的简化公式 ,
桥式吊车 ,仓库总长为 6 ×12 = 72m ,宽为 48m ,檐口 造成了不必要的浪费 。而在“轻钢规范”中 ,端板连接
高度为 9m ,其中轨顶高程 715m ,是用于货物临时仓 螺栓大都分布于翼缘两侧 ,能充分利用螺栓的承载性
储及转运的建筑 ,建筑面积 3 500m2 ,屋面采用冷弯 能 ,减少螺栓用量 。
(1) 经济指标的比较 由于支撑体系的用钢量占总用钢量的极少部分 ,
由于历史原因 ,各设计院钢结构设计力量薄弱 , 工程师多年不做钢结构设计 ,所了解的钢结构知识陈 旧 ,根本从事不了轻钢设计 。即使作设计 ,但由于大
66 Industrial Construction 2000 ,Vol130 ,No19
都按照现行的《钢结构设计规范》( GBJ 17288) (以下简 称“普钢规范”) 设计 ,使得和国外生产轻钢结构相比 , 显得结构笨重 ,缺乏竞争力 。或者在没有充分理由基 础上盲目追求低用钢量 ,造成结构的安全度偏低 ,甚 至造成工程事故 。
在一般水平荷载不大的情况下 ,支撑杆件受力较 小 ,常可不作内力计算 ,杆件截面由满足极限长细比
图 1 刚架模型
“普钢规范”的计算参数为永久荷载 ,屋顶活荷载 (015kN/ m2) ,风荷载体型系数 (迎风面 018 ,背风面 015 ,屋面 - 016) ,吊车荷载 。“轻钢规范”的计算参数 为永久荷载 ,屋顶活荷载 (计算檩条屋面板等屋面系 统时取 015kN/ m2 ,计算刚架时可取 013kN/ m2 ) ,风 荷载体型系数 (迎风面 015 ,背风面 - 017 ,屋面 - 018 ～ - 014) ,吊车荷载 。
规范”和“轻钢规范”的设计 ,比较两规范的差异 ,以加
节点连接设计应满足传力可靠 ,构造合理 ,对门
深对“轻钢规范”的认识 。
式刚架大都采用高强度螺栓端板连接形式 。而在“普
某机场货运仓库是三连跨 (15m + 18m + 15m) 双 钢规范”中 ,端板连接除了要满足受力要求外 ,并由于
坡门式刚架结构 ,每跨均有一台 5t 重级工作制单梁 一定的构造要求 ,沿端板高度均匀布置高强螺栓 ,这
值。 结构分析计算使用的 AL GOR FEAS 是一个综合
性有限元软件包 ,该软件包反映了国际上 20 世纪 90 年代微型计算机图象处理和 CAD 领域的最新技术 , 是进行数值计算研究和设计的有力工具 。在进行结 构构件截面的稳定性验算时 ,考虑截面的塑性发展 , 以利用截面屈服后强度 。
(2) 截面参数控制 在“普钢规范”中 ,梁柱截面的选取一定满足局部 稳定的要求 。如采用 Q235 钢材的梁为例 ,应使截面 翼缘的宽度与厚度比值 b/ t Φ30 (弹性设计) 或 Φ26 (弹塑性设计) 。而腹板的高度与厚度比值 h0/ tw Φ 80 ,无须设置加劲肋或按构造设加劲肋 ; 当 80 Φ h0/ tw Φ170 ,应按计算配置横向加劲肋 ;当 h0/ tw > 170 , 应按计算配置横向加劲肋以及在受压区配置纵向加 劲肋 。 在“轻钢规范”中 ,工字型截面的翼缘不利用屈服 后强度 ,截面翼缘的宽度与厚度的比值 b/ t Φ30 ;工 字形截面的腹板可利用屈服后强度 ,柱腹板宽厚比限 值按现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》采 用 250 。
门式刚架钢结构普钢规范和 轻钢规范的设计比较研究
王元清 杨 威
(清华大学土木工程系 北京 100084)
摘 要 :通过对某门式刚架采用普钢规范和轻钢规范的设计计算 ,阐述了各自的设计理论 、计算和优 化方法 ,并对两者的技术和经济指标进行了分析比较 ,认为轻钢规范是可行的 。 关键词 : 轻钢结构 门式刚架 普钢规范 轻钢规范
系很少采用钢筋混凝土屋面板 ,因此不必遵守传统的 化为荷载处理 ,既突出主要的影响因素 ,又大大简化
柱距模数 ,而根据用钢量来确定较为合理的柱距 。在 了计算 。刚架计算模型示意见图 1 。
此次设计比较中 ,依然沿用通常柱距 6m 的做法 ,使
计算得以简化 。
由于钢结构的伸缩缝的距离为纵向温度区段不
大于 300m ,横向温度区段不大于 150m ,因此本工程
采用钢结构无须设置分割缝 。
112 刚架形式和截面 从刚架的截面形式来看 ,梁柱截面有实腹式和格
构式 ,变截面和等截面之分 ,还可以采用加腋的形式 。 为比较研究方便 ,采用实腹式等截面工字形 。
按“轻钢规范”规定 ,可以采用设中间摇摆柱的门 式刚架形式 ,以减小中柱截面及整体用钢量 。考虑吊 车的横向作用 ,还是采用中间柱与梁刚接形式 ,且所 有柱脚均为刚接 ,以增强刚架侧移刚度 。 113 支撑体系的选取
Abstract : The design t heory ,calculation and optimization met hod of t he codes are expounded t hrough t he design calculation of a portal frame using bot h t he normal steel structure code and t he light steel structure code. It is suggested t hat t he light steel structure code is feasible by way of analyses of technical and economic indexes of t hese codes. Keywords : light steel structure portal frame normal steel structure code light stee方案梁柱截面的优化设计计算 ,最终截面
如表 1 ,相应内力及变形值见表 2 。
表 1 梁柱最终截面( 梁柱采用统一截面) mm
项次
梁截面 柱截面
“普钢规范” “普钢规范”
(不设加劲肋) (设加劲肋) 500 ×200 ×10 ×8 500 ×240 ×8 ×6 450 ×200 ×8 ×6 450 ×200 ×8 ×6
合的可能情况有以下 6 种 :
车的横向水平荷载标准值作用下 ,框架柱在吊车梁顶
112 ×恒载效应标准值 + 0185 ×114 ×(活载 + 风 面标高处所产生的水平位移的计算值来控制 ,允许变
载 + 吊车荷载) 效应标准值 ; 112 ×恒载效应标准值 + 0185 ×114 ×(风载 + 吊
形为 HT/ 1250 ,其中 HT 为柱脚到吊车梁顶面的距 离[2] 。