轻型门式刚架钢结构设计(配pkpm4.1实操)

恒荷载 轻型钢板屋面恒荷载一般为0.2~0.3 kN/M2
活荷载（与屋面雪荷载不同时考虑）
风荷载（一般为控制性荷载）

风对屋面、墙体的压力、吸力 山墙采用抗风柱抵抗风载
雪荷载（积雪不均匀系数）
地震荷载作用
一般来讲，对于门式轻钢结构，低烈度区，地震不起控制作 用。
钢结构的阻尼比取0.03~0.05，比混凝土结构要小。
方管或角钢做成，也可采用钢管内设拉条的做法，其长细
内容纲要
• 内容

一、钢结构基本知识回顾 二、门式刚架结构设计分析 三、设计实例分析 四、总结
一、钢结构基本知识回顾
1.材料性质 2.钢结构的主要荷载 3.构件设计
4.钢结构的连接
1.材料性质
钢结构的特点：
优点：轻质高强，材质均匀，工业化生产，施工
工期短；钢结构抗震性能好。
缺点：耐腐蚀性较差，耐火性差，造价较高。
钢材种类及规格
（1）碳素结构钢 常用Q-235，质量等级A、B、C、D （2）低合金高强度钢 常用Q345、Q390、Q420，质量等级A、B、C、D、E
设计指标
钢材的规格
1.钢板
热轧钢板有厚钢板（厚度4.5~60mm），薄钢板（厚度0.35~4mm），
刚性系杆
柱间支撑
基础
（3）支撑构件的计算
①门式刚架结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计
（认为受压斜杆不受力），非交叉支撑中的受压杆件及刚
性系杆按压杆设计。 ②柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向荷载（如风、 吊车制动力）按支承于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算。 ③对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道
缺点：需要在板件上开孔和拼装时对孔，增加制造工作量，且对制造的
精度要求较高；螺栓孔还使构件截面削弱，且被连接件常需相互搭接或增设 辅助连接板（或角钢），因而构造较繁且多费钢材。
普通螺栓连接的构造
普通螺栓的形式和规格 钢结构采用的普通形式为大六角头型，其代号用字母M与公称 和直径（mm）表示。工程中常用M18，M20，M22，M24。按国际 标准，螺栓统一用螺栓的性能等级来表示，如“4.6级”、“8.8级” 等。小数点前数字表示螺栓材料的最低抗拉强度，如“4”表示 400N/mm2，“8”表示800N/mm2。小数点后的数字（0.6、0.8）表示 螺栓材料的屈强比，即屈服点与最低抗拉强度的比值。
轴心受力构件的强度及整体稳定:
轴心受力构件的刚 度: 《钢规》：
《门规》：
受压构件的局部稳定:
2.受弯构件
计算内容:强度、整体稳定、局部稳定、刚度
强度：
整体稳定：
局部稳定：
腹板：通过加劲肋保证局部稳定
翼缘：通过限制翼缘宽厚比防止局部失稳
强度：
拉弯或压弯构件
稳定性：
刚度： 主要由梁的挠度和柱的侧移控制
柱间支撑时，山墙风力应有最靠近山墙的一道支撑承受。
支撑的设计与构造
支撑的节点荷载： W 1.4wk H a la
wk ——风荷载标准值； H a ——山墙平均高度的一半； la ——屋面支撑系统中刚性撑杆间的距离。
（4） 隅撑布置 为保证刚架梁下翼缘和柱内翼缘的平面外稳定性，可在梁与 檩条或柱与墙梁之间增设隅撑。隅撑间距不应大于13b（对 Q345钢）或16b （对Q235钢），b为刚架梁受压翼缘的宽度。
2、 门式刚架结构的应用情况
国家标准的制定情况： 《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002） 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（GB 51022-2015）
显著特点
质量轻 工业化程度高，施工周期短 综合经济效益高 柱网布置比较灵活
结构形式：分为单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带 毗屋的刚架等形式。
高强度螺栓的受力特点（钢结构连接节点通常采用高强螺栓）
高强度螺栓连接按设计和受力要求可分为摩擦型和承压型两种。 摩擦型连接在承受剪切时，以外剪力达到板件间可能发生的最大摩阻力 为极限状态；当超过时板件间发生相对滑移，即认为连接已失效而破坏。 承压型连接在受剪时，则允许摩擦力被克服并发生板件间相对滑移，然 后外力可以继续增加，并以此后发生的螺杆剪切或孔壁承压的最终破坏为极 限状态。 两种形式螺栓在受拉时没有区别。 高强度螺栓和普通螺栓连接受力的主要区别是：普通螺栓连接的螺母拧 紧的预拉力很小，受力后全靠螺杆承压和抗剪来传递剪力。而高强度螺栓时 靠拧紧螺母，对螺杆施加强大而受控制的预拉力，此预拉力将被连接的构件 夹紧。靠构件夹紧而由接触面间的摩阻力来承受连接内力是高强度螺栓连接 受力的特点。
还有扁钢（厚度4~60mm，宽度30~200mm），符号“ -长度×宽度×厚度） 2.热轧型钢 H型钢、角钢、工字钢、槽钢 具体规格可查阅型热轧钢规格表 3.冷弯薄壁型钢 由薄钢板经模压或弯曲而制成，其壁厚一般为1.5~5mm，包括C型，Z型， 压型钢板等。
建筑钢结构主要荷载： 恒、活荷载 风荷载 雪荷载（下雪地区） 地震作用 吊车荷载
指引线 ：一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头指向图形相应焊缝处， 横线上方和下方用来标注基本符号和焊缝尺寸等。
焊缝符号
（二）螺栓连接
螺栓连接是通过螺栓这种紧固件把连接件连接成为一体。 螺栓连接分普 通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。
优点：施工工艺简单、安装方便，特别适用于工地安装连接，也便于拆
卸，适用于需要装拆结构和临时性连接。
门式刚架特点及应用情况 1、结构特点
（1）刚架梁、柱采用轻型H型钢（等截面或变截面）组成； （2）刚架梁与柱刚接，柱脚与基础宜采用铰接；当设有桥式吊车、 檐口标高较高或对刚度要求较高时，柱脚和基础可采用刚接； （3）刚架构件的刚度较好，为制造、运输、安装提供了便利； （4）用C形、Z形薄壁型钢做檩条、墙梁，以彩钢板或夹芯板做屋 面、墙面； （5）和屋架结构相比，整个构件的横截面尺寸较小，可以有效地 利用建筑空间，降低房屋的高度，减小建筑体积。
柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内，形成抵抗纵向荷载 的支撑桁架；
刚性系杆可由檩条兼作，此时檩条应满足对压弯构件的刚度和承 载力要求。若不满足，应另设刚性系杆； 交叉支撑可采用张紧的圆钢，屋盖横向水平支撑可仅设在靠近上 翼缘处，
• 支撑系统的传力途径：
山墙墙板
墙梁
墙架柱
屋盖水平支撑系统
调整。
钢板檩托
檩条
檩条 角钢檩托 檩条
檩条
刚架梁 刚架梁 刚架梁
角钢檩托 刚架梁
（a）钢板檩托
（b）角钢檩托 檩条连接构造
拉条与撑杆 拉条和撑杆是提高檩条侧向稳定性的重要构造措施，拉 条仅传递拉力，撑杆主要承受压力，和拉条共同作用，将 檩条沿屋面坡度方向的分力传给梁或柱。 拉条一般采用直径8～16mm的圆钢，撑杆可采用钢管、
紧装置的圆钢做成交叉型的拉杆。也可采用角钢或槽钢。 ②在高大的建筑中柱间支撑的交叉杆除用角钢外，也可采 用钢管。 ③柱间支撑的上端与水平压杆必须与柱中心交于一点；柱
间支撑下端应尽可能与柱中心交于柱脚底面，避免出现偏
心受力。
（3）屋面水平支撑
屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间，端部 支撑设在第二开间时，第一开间相应位置宜设置刚性系杆； 在刚架转折处（柱顶和屋脊）应沿房屋全长设置刚性系杆； 由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑
支撑与构件的夹角应在30°～60°范围内，宜接近45°；
柱间支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑，当桥式吊 车起重量大于5ｔ时，宜采用型钢支撑；
当房屋高度相对柱距较大时，柱间支撑宜分层设置；
不允许设置交叉柱间支撑时，可设置其他形式的支撑。
（2）柱间支撑
①柱间支撑在建筑物跨度小、高度低的情况下，可用带张
实腹式檩条 热轧型钢 H型钢 冷弯薄壁型钢 适用于荷载较大的屋面 适用于压型钢 板的轻型屋面
直卷边和斜卷边Z形檩条适用于屋面坡度i＞1/3的情况。卷边C形檩 条适用于屋面坡度 i≤1/3的情况，其截面在使用中互换性大，用钢量省。
适用于屋面坡度>1/3
适用于屋面坡度≤1/3
檩条的布置和连接 （1）优先选用冷弯卷边槽钢C形和冷弯卷边Z形钢等简支或
钢结构的连接方法
钢结构的连接方法有焊缝连接、 螺栓连接和铆钉连接三种。
焊缝连接
螺栓连接
铆钉连接
（一）焊缝连接
焊缝连接是通过电弧产生的热量使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成 焊缝，从而将焊件连接成为一体。
优点：不削弱构件截面，节约钢材，构造简单，制造方便，连接刚度
大，密封性能好，在一定条件下易于采用自动化作业，生产效率高。
支撑的设计与构造
1、支撑构件的设计 （1）屋盖水平支撑 屋盖水平支撑
交叉斜杆
刚性系杆
圆钢、角钢
钢管、双角钢
杆件必须交于节点的中心
（2）柱间支撑
无吊车时柱间支撑的间距宜取30～45m；当有吊车时宜设在 温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处，且间距 不宜大于60m； 当建筑物宽度大于60m时，内柱列宜适当增加柱间支撑；
钢结构抗震方面的优势主要是从材料较轻，承载力高，地 震过程中弹塑性变形较大，基本不会发生断裂，即钢结构 允许的变形能力大。
吊车荷载（厂房中经常见）
吊车梁一般设计成简支梁。
钢结构构件设计计算（强度、刚度、稳定性）
1.轴心受力构件
承载能力极限状态：强度、整体稳定、局部稳定（型钢不必验算）
正常使用极限状态：刚度（对于轴心受力构件，主要由长细比控制）
（a）单跨刚架
（b）双跨刚架
（c）多跨刚架
（d）带挑檐刚架
（e）带毗屋刚架
（f）单坡刚架
门式刚架的尺寸
跨度：横向刚架柱轴线间的距离，一般为9~36m； 高度：地坪至柱轴线与横梁轴线交点的高度。无吊车时， 高度一般为4.5～9m；有吊车时应根据轨顶标高和吊车净空要 求确定，一般为9～12m。 柱距：通常介于4.5～9m之间。 檐口高度：地坪至房屋外侧檩条上缘的高度； 最大高度：地坪至房屋顶部檩条上缘的高度； 屋面坡度：宜取1/8～1/20，在雨水较多地区可取较大值。
a)
柱 双螺母及垫板
b)
柱 双螺母及垫板
底板
底板
锚栓
锚栓
铰接柱脚
a) 柱 加劲板 底板 锚栓
b)
柱 锚栓支承托座 加劲板 底板 锚栓
刚接柱脚
次梁与主梁连接示意，a，b，c为铰接连接，d为固结连接
（a）
（b）
（c）
（d）
二、门式刚架结构设计分析
吊车梁
天窗架
山墙抗风柱
正在建设的门式刚架工程实例
结构形式及布置
隅撑构造
隅撑应按轴心受压构件设计，轴压力按下式计算
Af N 60cos
fy 235
A—— 实腹式横梁被支承翼缘的截面面积； f—— 实腹式横梁钢材的强度设计值； fy—— 实腹式横梁钢材的屈服强度；
—— 隅撑与檩条轴线间的夹角。
Байду номын сангаас
檩条的构造与设计
檩条的截面形式 檩条一般设计成单跨简支构件，有实腹式和桁架式两大 类，实腹式檩条也可以设计成连续构件。
缺点：焊缝附近钢材因焊接高温作用形成的热影响区可能使某些部位
材质变脆，对结构的承载力、刚度和使用性能有一定影响；焊缝连接的塑性 和韧性较差，施焊时可能产生缺陷，使疲劳强度降低。
焊缝符号集及标注方法
《焊缝符号表示法》规定：焊缝符号一般由基本符号与指引线组成，必 要时还可加上补充符号和焊缝尺寸。 基本符号：表示焊缝的横截面形状，如用“ ”表示角焊缝,用“V”表示V 形坡口的对接焊缝； 补充符号：补充说明焊缝的某些特征，用“ “ ”表示焊件三面带有焊缝； ”表示现场安装焊缝，用
连续实腹式檩条；
（2）C形和Z形檩条，宜将上翼缘肢尖（或卷边）朝向屋脊 方向；
（3）屋脊檩条应采用双檩条方案，并应在高度1/3处用圆钢
或钢管相互拉结； （4）檩条跨度由主刚架柱距决定；
（5）檩条间距应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、天沟、
屋面材料、檩条规格等因素，一般应等间距布置，但在屋脊 和檐口处，为便于屋脊盖板和天沟收边，檩条布置应做局部
钢柱柱脚的构造
柱脚的作用是将柱身的压力均匀的传给基础，并和基础牢固的连 接起来。在整个柱中，柱脚是比较费钢费工的部分。设计时应力求简 明，并尽可能符合结构的计算简图，便于安装固定。 柱脚按其与基础的连接方式的不同可分为铰接和刚接两类，轴 心受压柱、框架柱或压弯构件，这两种形式均有采用铰接柱脚不能抵 抗弯矩，刚接柱脚可以抵抗弯矩。柱脚通过锚栓固定于基础，锚栓的 直径一般为24~32mm。