第一章轻型门式刚架结构

门式刚架柱脚分为铰接和刚接两种连接形式。
柱脚形式:
变截面梁
刚接柱脚详图
刚接柱脚门式刚架
变截面梁、柱
铰接柱脚详图
铰接柱脚门式刚架
变截面
刚架梁
等截面 刚架柱
刚接柱脚工程实例
加劲板
地脚螺栓
刚接与铰接的区别
能抵抗弯矩作用的柱脚称为刚接柱脚，相反不能抵抗弯 矩作用的柱脚称为铰接柱脚，刚接与铰接的区别在于是否能 传递弯矩。 从实际上看，如果锚栓在翼缘的外侧，就是刚接，而且 一般不少于四个，如果在翼缘内侧，就是铰接，一般为两个 或四个。 这两种柱脚很明显的区别就是对侧移控制，如果结构对 侧移控制较严，则采用刚接柱脚，例如有吊车荷载的情况， 吊车荷载是动力荷载，对侧移比较敏感，而且侧移过大会造 成吊车卡轨现象，此时应把柱脚设计成刚接柱脚。
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结构形式的选取考虑生产工艺、吊车吨位及建筑
尺寸等因素。
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单跨单坡 摇摆柱
单跨双坡
多跨（中间摇摆柱）
多跨（梁柱刚结）
四坡双跨 带挑檐刚架
高低跨
带毗屋刚架 双坡双跨
门式刚架的各种结构形式
门式刚架结构的组成

主要承重骨架－门式刚架
檩条、墙梁 －冷弯薄壁型钢
屋面、墙面 －压型金属板、彩钢夹芯板
墙梁布置实例
3.屋面支撑和刚性系杆的布置原则：( P5 ) 在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别 设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。

在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向 支撑，以构成几何不变体系。 端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个 开间。

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1.1.3 门式刚架的结构体系与布置
1.刚架的建筑尺寸和布置 跨度：一般为9-36m 高度：取地坪柱轴线与斜梁轴线交点高度，宜取 4.5-9m 柱距：应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求 等因素，宜取6m、7.5m、或9m 挑檐长度：根据使用要求确定，宜为0.5—1.2m 温度分区 ：纵向温度区段<300m 横向温度区段<150m
M f Af hw t f

工字形截面受弯构件在剪力V、弯矩M和轴力N 共同作用下的强度应符合下列要求： 当 V 0.5Vd 时
M M eN
当
0.5Vd V Vd 时
M eN M e NWe Ae
M M fN M eN M fN


当截面为双轴对称时
可变荷载：屋面活荷载 、屋面雪荷载和积灰荷载
吊车荷载 、地震作用 、风荷载。
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荷载组合原则：( P7 ) 屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者 中的较大值； 积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大 值同时考虑； 施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以 外的其他荷载同时考虑； 多台吊车的组合应符合《荷载规范》的规定； 当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同 时考虑。
刚架梁、柱构件的强度计算( P13 ) 刚架内力分析 在横向均布荷载作用下，刚架弯矩图如下
q
刚架荷载计算简图
刚架弯矩图
在水平风荷载作用下，刚架弯矩图如下：
q
荷载计算简图
刚架弯矩图

轻型钢结构是以构件边缘最大压应力达到钢材 屈服点作为临界状态，没有考虑塑性发展的影响， 所以门式刚架一般按弹性理论设计。 考虑各种荷载组合内力分析结果，取出最大荷 载值控制设计，对初选截面梁柱按压弯构件进行 验算。
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4.柱间支撑的布置原则： 柱间支撑的间距应根据 房屋纵向受力情况及安 装条件确定，一般取 30~45m；有吊车时<60m

当房屋高度较大时，柱 间支撑应分层设置；
端部柱间支撑考虑温度 应力影响宜设置在第二 柱间。

§1.2
荷载及作用效应计算
目录
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永久荷载：包括结构构件的自重和悬挂在结构上 的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、 吊顶、墙面构件和刚架自重等。
腹板的有效宽度he：
当工字形截面梁、柱构件的腹板受弯及受压板幅利用屈 曲后强度时，应按有效宽度计算其截面几何特性。
有效宽度he取值：( P12 )

当腹板全部受压时： 有效宽度为：
he hw
当腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区
he hc
he：腹板受压区有效宽度；
ρ：有效宽度系数； hc: 腹板受压区高度。
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刚性系杆

如果用檩条做刚性系杆，一般用双檩条(双檩条 之间用连接板或螺栓连接，满足刚性系杆的计算 要求，不会发生整体或局部失稳等)； 在常规檩条双向受弯以外，增加檩条兼做刚性系 杆时承载的轴力。和普通檩条差别：就是多了轴 力。 也可以用方钢管等其他材料来做刚性系杆，在钢 梁上翼缘设置连接板来连接它（或焊接或螺栓连 接均可）。
主体结构采用轻钢结构框架体系。楼面板采 用钢－混凝土组合楼板。 屋面板采用压型钢板，波浪造型的轻钢结构 屋面梁轻盈、活泼，克服了工业建筑造型单一、 立面造型呆板的缺点。
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正在建设中的多层轻钢结构厂房
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压型钢板外墙板
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§1.1
1.1.1
概述
门式刚架的结构形式及特点
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门式刚架又称山形门式刚架。
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其结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨。 按屋面坡脊数可分为单坡、双坡、多坡屋面。
刚性系杆



系杆根据其能否抵抗轴心压力分为刚性系杆和柔 性系杆。 刚性系杆，基本上只承受轴力——压力或拉力。它 把力通过支撑系统，传给基础。 刚性系杆的作用：传递轴力——主要是山墙风压、 吊车纵向力。主要是提高结构的整体刚度，使结 构发挥空间作用，保证结构的几何稳定性和受压 构件的侧向稳定。
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§1.3
构件设计
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控制截面的内力组合主要有： 最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值。 最大弯矩Mmax和同时出现的V及N的较大值。 最小轴压力Nmin和相应的M及V ，出现在永久荷 载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M=0。
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参考文献
1.黄呈伟.钢结构设计[M].科学出版社，2005,8
2.魏明钟.钢结构[M].武汉工业出版社，2002,3 3.《建筑钢结构工程设计构造要点与技术规范实用 手册》李明华 4.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS1022002）.中国工程建设标准化协会标准
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屋面及墙面保温芯材 －聚苯乙烯泡沫塑料、 聚氨酯泡沫塑料、岩棉等
支撑 －屋面支撑、柱间支撑

单层轻型钢结构房屋的组成
门式刚架结构的特点

重量轻 工业化程度高、施 工周期短

柱网布置灵活
综合经济效益高
轻型门式刚架结构与一般普通钢结构相比具有以下技术 特征：
1.结构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，建筑造型美观。 2.门式刚架的刚度较好，自重轻，横梁与柱可以组装， 为制作、运输、安装提供了有利条件。 3.屋面刚架用钢量仅为普通钢屋架用钢量的1/5-1/10， 是一种经济可靠的结构形式。

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天窗架
吊车梁
山墙抗风柱
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正在建设的门式刚架工程实例 武汉大学出版社

天窗架
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工程实例二：
青岛永源体育用品有限公司加工车间，是由 韩国投资建设的2万平方米轻钢结构多层工业厂房。
刚架内力和侧移计算( P7 )
内力计算原则： 根据不同荷载组合下内力分析结果，找出控 制截面的内力组合，控制截面位置一般在柱底、 柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。
侧移计算原则： 变截面门式刚架柱顶侧移应采用弹性分析方法确 定。计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。 如果最后验算时刚架的侧移不满足要求，即需要 采用下列措施之一进行调整： 放大柱或梁的截面尺寸； 改铰接柱脚为刚接柱脚； 把多跨框架中的摇摆柱改为上端和梁刚接的节点 连接形式。
(3).当厂房横向跨度不超过15m，柱高不超过6m时， 屋面刚架梁宜采用等截面刚架形式。当厂房横向 跨度大于15m，柱高超过6m时，宜采用变截面刚 架形式。
变截面刚架与等截面刚架的对比:

柱和梁采用变截面形式时，截面形状与内力图 形附合较好，受力合理、节省材料。

变截面刚架在构造连接及加工制造方面不如等 截面方便。


工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩M共同 作用下的强度应符合下列要求：
当
V 0.5Vd
时
M Me
当 0.5Vd V Vd 时
2 V M M f M e M f 1 0.5V 1 d
当截面为双轴对称时
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能力要求
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通过对轻型门式刚架结构体系与荷载及作用效应计算的 学习和理解，认识轻型门式刚架结构，了解常用轻型门式刚 架的设计方法并掌握与之相关的计算和设计步骤。
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主要内容
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1.1 概述 1.2 荷载及作用效应计算 1.3 构件设计 1.4 连接和节点设计 1.5 围护构件设计 ◎ 习题与思考题
2.檩条和墙梁的布置 檩条：应等间距布置。在屋脊处，应沿屋脊两 侧各布置一道檩条，使得屋面板的外伸宽度不要 太长(一般<200mm)，在天沟附近应布置一道檩条， 以便于天沟的固定。确定檩条间距时，应综合考 虑屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。
屋面檁条布置 实例
屋面檁条布置实例
墙梁：墙梁的布置，应考虑设置门窗、 挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。
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1 轻型门式刚架结构
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内容提要
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目前，轻型门式刚架结构在我国得到迅速的发展，主要 用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层 建筑等。通过本章的学习，在了解门式刚架的结构形式及特 点的基础上，对门式刚架的结构体系与布置、荷载及作用效 应计算、变截面刚架柱和梁的设计、节点设计、围护构件设 计有一个大致的了解和掌握。本章的教学重点为变截面刚架 的内力、侧移计算，刚架柱、梁的设计以及节点、围护构件 的设计。教学难点为内力、侧移计算及构件和节点的设计。
门式刚架结构的应用情况
1.我国门式刚架设计规程：《门式刚架轻型房屋钢 结构技术规程》(CECS102:2002) 2.应用范围：轻型厂房、物流中心、大型超市、体 育馆、展览厅、活动房屋、加层建筑等。
1.1.2 轻型门式刚架的适用范围及截面形式：
(1).屋面荷载较小，横向跨度为9～24m，柱高为 4.5～9m，柱距一般宜取6m、7.5m或9m。 (2).没有吊车或设有中、轻级工作制吊车的厂房。
2 V 1 0.5V 1 d
M fN Af hw t f N A

加劲肋稳定性验算按规范规定进行，计算长度
取腹板高度hw，截面取加劲肋全部和其两侧各
15t w 235 f y 宽度范围内的腹板面积，按两端铰 接轴心受压构件进行计算。
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刚架柱和梁的设计 梁、柱板件的宽厚比限值：

工字形截面构件受压翼缘板 的宽厚比：
b1 235 15 t fy

工字形截面梁、柱构件腹板 的宽厚比： hw
235 250 tw fy
腹板屈曲后强度利用：( P11) 在进行刚架梁、柱截面设计时，为了节省钢材，允许 腹板发生局部构件的屈曲，并利用其屈曲后强度。
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工程实例一：
青岛南车集团，2004年4月投资新建了一座轻钢结 构生产车间，建筑面积5000平方米。于2004年7月竣工。 主体结构采用轻型单跨门式刚架形式，吊车最大起重量 为20吨，中级工作制。 为使立面效果简洁美观，屋面采用有组织内排水形 式。外墙面和屋面板均采用双层压型钢板，两层压型钢 板之间放置了耐火性能较好的岩棉保温隔热层。