鋼結(jié)構(gòu)工程剛架設(shè)計

1、 1.3.1 荷載及荷載組合 1.3.2 剛架的內(nèi)力和側(cè)移計算 1.3.3 剛架柱和梁的設(shè)計 1.3 剛架設(shè)計永久荷載：包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重和懸掛在結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構(gòu)件和剛架自重等。 可變荷載：屋面活荷載 、屋面雪荷載和積灰荷載 吊車荷載 、地震作用 、風(fēng)荷載。 1.3.1荷載及荷載組合 荷載組合原則：屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應(yīng)取兩者中的較大值； 積灰荷載應(yīng)與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮； 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； 多臺吊車的組合應(yīng)符合荷載規(guī)范的規(guī)定； 當(dāng)需要考慮地震作用時，風(fēng)荷載不與地震作

2、用同時考慮。 在進(jìn)行剛架內(nèi)力分析時，荷載效應(yīng)組合主要有：組合（1） (用于截面強度和構(gòu)件穩(wěn)定性計算): ， 永久荷載+ 活載：積灰、max屋面均布活荷載，雪荷載、風(fēng)荷載、吊車豎向及水平荷載 由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值： 由永久荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值： 組合（2）（用于錨栓抗拉計算）： 在組合（1）中，由于永久荷載對錨栓抗拔有利，其荷載分項系數(shù)取1.0，屋面活荷載、樓面活荷載、屋面積灰荷載等，因其對錨栓抗拔有利，亦不考慮，風(fēng)力對錨栓抗拔不利，應(yīng)予考慮，其分項系數(shù)取1.4。內(nèi)力計算原則： 根據(jù)不同荷載組合下內(nèi)力分析結(jié)果，找出控制截面的內(nèi)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

3、等截面?？刂平孛娴膬?nèi)力組合主要有：最大軸壓力Nmax和同時出現(xiàn)的M及V的較大值。 最大彎矩Mmax和同時出現(xiàn)的V及N的較大值。最小彎矩Mmin和同時出現(xiàn)的V及N的較大值。 最小軸壓力Nmin和相應(yīng)的M及V，出現(xiàn)在永久荷載和風(fēng)荷載共同作用下，當(dāng)柱腳鉸接時M=0。（考慮錨栓的抗拔） 1.3.2 剛架內(nèi)力和側(cè)移計算側(cè)移計算原則： 變截面門式剛架柱頂側(cè)移應(yīng)采用彈性分析方法確定。計算時荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項系數(shù)。 側(cè)移限制值：h/60.如果驗算剛架側(cè)移不滿足要求，需采用下列措施之一進(jìn)行調(diào)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。1.3.3.

4、1 梁、柱板件的寬厚比限值與腹板屈曲后強度利用 工字形截面構(gòu)件受壓翼緣板的寬厚比：工字形截面梁、柱構(gòu)件腹板的寬厚比： 1.3.3 剛架柱和梁的設(shè)計腹板屈曲后強度利用： 在進(jìn)行剛架梁、柱截面設(shè)計時，為了節(jié)省鋼材，允許腹板發(fā)生局部構(gòu)件的屈曲，并利用其屈曲后強度,規(guī)程給出了腹板屈曲后抗剪強度的計算公式。 與簡支梁的情況不同，門式剛架構(gòu)件的剪力最大處，其彎曲正應(yīng)力往往也最大，這時翼緣板對腹板沒有約束作用。當(dāng)腹板的高度變化不超過60mm/m時，工字形截面的受剪板幅的承載力設(shè)計值：腹板的有效寬度： 當(dāng)工字形截面梁、柱構(gòu)件的腹板受彎及受壓板幅利用屈曲后強度時，應(yīng)按有效寬度計算其截面幾何特性。當(dāng)腹板全部受壓時

5、：當(dāng)腹板部分受拉時，受拉區(qū)全部有效，受壓區(qū)有效寬度為：he：腹板受壓區(qū)有效寬度；：有效寬度系數(shù)；hc: 腹板受壓區(qū)高度。1.3.3.2 剛架梁、柱構(gòu)件的強度計算剛架內(nèi)力分析在橫向均布荷載作用下，剛架彎矩圖如下剛架彎矩圖剛架荷載計算簡圖在水平風(fēng)荷載作用下，剛架彎矩圖如下：荷載計算簡圖 剛架彎矩圖輕型鋼結(jié)構(gòu)是以構(gòu)件邊緣最大壓應(yīng)力達(dá)到鋼材屈服點作為臨界狀態(tài)，沒有考慮塑性發(fā)展的影響，所以門式剛架一般按彈性理論設(shè)計。考慮各種荷載組合內(nèi)力分析結(jié)果，取出最大荷載值控制設(shè)計.正應(yīng)力驗算：剪應(yīng)力驗算： 式中： 構(gòu)件有效凈截面面積； 、 對主軸x和y的有效凈截面抵抗矩； 、 對主軸x和y的彎矩。初選截面-梁柱按壓

6、彎構(gòu)件進(jìn)行驗算彎矩作用平面內(nèi)：彎矩作用平面外：當(dāng) 時 當(dāng) 時 當(dāng)截面為雙軸對稱時工形截面受彎構(gòu)件在剪力V和彎矩M作用下的強度當(dāng) 時 當(dāng) 時 當(dāng)截面為雙軸對稱時 工形截面受彎構(gòu)件在剪力V、彎矩M和軸力N作用下的強度1.3.3.3 梁腹板加勁肋的配置梁腹板應(yīng)在中柱連接處、較大固定集中荷載作用處和翼緣轉(zhuǎn)折處設(shè)置橫向加勁肋。其他部位是否設(shè)置中間加勁肋，根據(jù)計算需要確定。但規(guī)程規(guī)定,當(dāng)利用腹板屈曲后抗剪強度時，橫向加勁肋間距a宜取hw2hw。 當(dāng)梁腹板在剪應(yīng)力作用下發(fā)生屈曲后，將以拉力帶的方式承受繼續(xù)增加的剪力，亦即起類似桁架斜腹桿的作用，而橫向加勁肋則相當(dāng)于受壓的桁架豎桿。因此，中間橫向加勁肋除承受集

7、中荷載和翼緣轉(zhuǎn)折產(chǎn)生的壓力外，還要承受拉力場產(chǎn)生的壓力。拉力場 加勁肋穩(wěn)定性驗算按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行，計算長度 取腹板高度hw，截面取加勁肋全部和其兩側(cè)各 寬度范圍內(nèi)的腹板面積，按兩端鉸 接軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行計算。1.3.3.4 變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定計算: 變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定按下列公式計算：對于變截面柱，變化截面高度的目的是為了適應(yīng)彎矩的變化，合理的截面變化方式應(yīng)使兩端截面的最大應(yīng)力纖維同時達(dá)到限值。但是實際上往往是大頭截面用足，其應(yīng)力大于小頭截面，故公式左端第二項的彎矩M1，和有效截面模量We1應(yīng)以大頭為準(zhǔn)。公式第一項源自等截面的穩(wěn)定計算。根據(jù)分析，小頭穩(wěn)定承載力的小于大頭，且

8、剛架柱的最大軸力就作用在小頭截面上，故第一項按小頭運算比按大頭運算安全。 1.3.3.5 變截面柱在剛架平面內(nèi)的計算長度 截面高度呈線形變化的柱，在剛架平面內(nèi)的計算長度應(yīng)取為 ，式中 為柱的幾何高度， 為計算長度系數(shù)。 可由下列三種方法確定：查表法（適合于手算，用于柱腳鉸接的對稱剛架）一階分析法（普遍適用于各種情況，并適合上機計算)二階分析法（要求有二階分析的計算程序）查表法柱腳鉸接單跨剛架楔形柱的 可由表1-2（教材p15）查得。柱的線剛度K1和梁的線剛度K2分別按下列公式計算：表中和式中 分別為柱小頭和大頭的截面慣性矩； 梁最小截面的慣性矩； 半跨斜梁長度； 斜梁換算長度系數(shù)，見圖1-9。

9、當(dāng)梁為等截面時 在圖1-9中，1和分別為第一、二楔形段的斜率。 圖1-9楔形梁在剛架平面內(nèi)的換算長度系數(shù)柱腳鉸接楔形柱的計算長度系數(shù) ，表12 K2Kl 0.1 0.2 O.3 O.5 0.75 1.02.010.0 0.0l0.428 O.368 O.349 0.3310.320 0.318 0.315 0.3100.02 0.600 0.502 0.470 0.4400.428 0.420 O.411 O.4040.03O.729 0.599 O.558 0.5200.50l0.4920.4830.473O.050.931O.756 O.694 0.6440.6180.6060.589 0

10、.5800.071.075 O.873 0.801 0.7420.711 0.697 O.672 O.6500.101.252 1.027 0.935 0.857O.817 0.801 O.790 0.7390.151.5181.235 1.1091.021O.965O.938 O.8950.8720.20 1.7451.395 1.254 1.1401.080 1.045 1.000 0.969多跨剛架的中間柱為搖擺柱時，邊柱的計算長度應(yīng)取為 式中 放大系數(shù)； 計算長度系數(shù)，由表12查得，但公式(126)中的 取與邊柱相連的一跨橫梁的坡面長度 ，如圖1-10所示； 搖擺柱承受的荷載； 邊柱承

11、受的荷載； 搖擺柱高度； 剛架邊柱高度。 引進(jìn)放大系數(shù)的原因是：當(dāng)框架趨于側(cè)移或有初始側(cè)傾時，不僅框架柱上的荷載Pfi對框架起傾覆作用，搖擺柱上的荷載Pli也同樣起傾覆作用。這就是說，圖1-10框架邊柱除承受自身荷載的不穩(wěn)定效應(yīng)外，還要加上中間搖擺柱荷載效應(yīng)。因此需要根據(jù)比值 (Plihli)(Pfihfi)對邊柱計算長度做出調(diào)整。 圖1-10 計算邊柱時的斜梁長度 搖擺柱的計算長度系數(shù)取1.0。對于屋面坡度大于1：5的情況，在確定剛架柱的計算長度時應(yīng)考慮橫梁軸向力對柱剛度的不利影響。此時應(yīng)按剛架的整體彈性穩(wěn)定分析通過電算來確定變截面剛架柱的計算長度。框架有側(cè)移失穩(wěn)的臨界狀態(tài)和它的側(cè)移剛度有直

12、接關(guān)系?？蚣苌系暮奢d使此剛度逐漸退化，荷載加到一定程度時剛度完全消失，框架隨即不能保持穩(wěn)定。因此框架柱的臨界荷載或計算長度可以由側(cè)移剛度得出。當(dāng)剛架利用一階分析計算程序得出柱頂水平荷載作用下的側(cè)移剛度K=Hu時，柱計算長度系數(shù)可由下列公式計算：變截面剛架柱在平面內(nèi)計算長度的一階分析法對柱腳為鉸接和剛接的單跨對稱剛架(圖1-11a)當(dāng)柱腳鉸接時當(dāng)柱腳剛接時中間為非搖擺柱的多跨剛架(圖1-11b)當(dāng)柱腳鉸接時當(dāng)柱腳剛接時h為剛架柱的高度 Ic0為柱底截面慣性矩；hi、Pi、PE0i分別為第i根剛架柱的高度、豎向荷載和以小頭為準(zhǔn)的歐拉臨界荷載。（1-30a）（1-30b）（1-31）（1-29a）（

13、1-29b）圖1-11 一階分析時的柱頂位移 （a）單跨對稱剛架 （b）中間柱為非搖擺柱的多跨剛架當(dāng)采用計入豎向荷載一側(cè)移效應(yīng)(即P-u效應(yīng))的二階分析程序計算內(nèi)力時，如果是等截面柱，取=1，即計算長度等于幾何長度。對于楔形柱，其計算長度系數(shù)可由下列公式計算： 變截面柱在平面內(nèi)計算長度的二階分析法式中: 構(gòu)件的楔率； 、 分別為柱小頭和大頭的截面高度(圖1.12)。 1.3.3.6 變截面柱在剛架平面外的整體穩(wěn)定計算 應(yīng)分段按公式計算： 公式不同于規(guī)范中壓彎構(gòu)件在彎矩作用平面外的穩(wěn)定計算公式之處有兩點：截面幾何特性按有效截面計算； 考慮楔形柱的受力特點，軸力取小頭截面，彎矩取大頭截面。 1.3

14、.3.7 斜梁和隅撐的設(shè)計斜梁的設(shè)計 當(dāng)斜梁坡度不超過1：5時，因軸力很小,可按壓彎構(gòu)件計算其強度和剛架平面外的穩(wěn)定，不計算平面內(nèi)的穩(wěn)定。實腹式剛架斜梁的平面外計算長度，取側(cè)向支承點的間距。當(dāng)斜梁兩翼緣側(cè)向支承點間的距離不等時，應(yīng)取最大受壓翼緣側(cè)向支承點間的距離。斜梁不需要計算整體穩(wěn)定性的側(cè)向支承點間最大長度，可取斜梁下翼緣寬度的 倍。當(dāng)斜梁上翼緣承受集中荷載處不設(shè)橫向加勁肋時，除應(yīng)按規(guī)范規(guī)定驗算腹板上邊緣正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力共同作用時的折算應(yīng)力外，尚應(yīng)滿足下列公式的要求：隅撐設(shè)計 當(dāng)實腹式剛架斜梁的下翼緣受壓時，必須在受壓翼緣兩側(cè)布置隅撐(山墻處剛架僅布置在一側(cè))作、為斜梁的側(cè)向支承，

15、隅撐的另一端連接在檁條上。 隅撐間距不應(yīng)大于所撐梁受壓翼緣寬度的 倍。隅撐應(yīng)根據(jù)規(guī)范規(guī)定按軸心受壓構(gòu)件的支撐來設(shè)計。隅撐截面選用單根等邊角鋼，軸向壓力按下式計算：當(dāng)隅撐成對布置時，每根隅撐的計算軸壓力可取上式計算值的一半。需要注意的是，單面連接的單角鋼壓桿在計算其穩(wěn)定性時，不用換算長細(xì)比，而是對f值乘以相應(yīng)的折減系數(shù)。剛架橫梁剛度和柱頂水平位移驗算橫梁容許撓度：柱頂水平容許位移： 式中 、 分別為剛架橫梁的跨度和柱的高度。 1.3.3.8 剛架節(jié)點設(shè)計剛架橫梁與柱拼裝節(jié)點剛架橫梁屋脊拼裝節(jié)點柱腳設(shè)計牛腿設(shè)計 斜梁與柱的連接及斜梁拼接 斜梁與柱的剛接連接一般采用高強螺栓端板連接，按剛接節(jié)點設(shè)計，

16、其形式： 端板豎放端板斜放端板平放 斜梁拼接時也可采用高強度螺栓-端板連接，宜使得端板與構(gòu)件的外邊緣相互垂直。斜梁拼接應(yīng)按所受的最大內(nèi)力設(shè)計，當(dāng)內(nèi)力較小時，應(yīng)按能承受不小于被連接截面承載力的一半進(jìn)行設(shè)計。h1Me（a）端板豎放（b）端板斜放（c）端板平放（d）斜梁拼接剛架斜梁與柱的連接及斜梁間的拼接高強螺栓計算驗算最不利螺栓的拉力： 橫梁與柱在連接處傳遞的彎矩； 最遠(yuǎn)一排螺栓至承壓點的距離； 螺栓列數(shù)； 任意一排螺栓至承壓點的距離； 一個螺栓所能承受的抗拉容許承載力。 分析研究表明，外伸式連接轉(zhuǎn)動剛度可以滿足剛性節(jié)點的要求。外伸式連接在節(jié)點負(fù)彎矩作用下，可假定轉(zhuǎn)動中心位于下翼緣中心線上。上翼緣

17、兩側(cè)對稱設(shè)置4個螺栓時，每個螺栓承受下面公式表達(dá)的拉力，并依此確定螺栓直徑： 當(dāng)受拉翼緣兩側(cè)各設(shè)一排螺栓不能滿足承載力要求時，可以在翼緣內(nèi)側(cè)增設(shè)螺栓。 螺栓排列應(yīng)符合構(gòu)造要求，下圖的 ， 應(yīng)滿足扣緊螺栓所用工具的凈空要求，通常不小于35mm，螺栓端距不應(yīng)小于2倍螺栓孔徑，兩排螺栓之間的最小距離為3倍螺栓直徑，最大距離不應(yīng)超過400mm。端板的厚度t可根據(jù)支承條件按下列公式計算，但不應(yīng)小于16mm，和梁端板相連的柱翼緣部分應(yīng)與端板等厚度。 (a)伸臂類端板 (b)無加勁肋類端板(c)兩邊支承類端板當(dāng)端板外伸時當(dāng)端板平齊時(d)三邊支承類端板在門式剛架斜梁與柱相交的節(jié)點域，應(yīng)按下列公式驗算剪應(yīng)力：

18、剛架構(gòu)件的翼緣與端板的連接應(yīng)采用全熔透對接焊縫，腹板與端板的連接應(yīng)采用角焊縫。在端板設(shè)置螺栓處，應(yīng)按下列公式驗算構(gòu)件腹板的強度：當(dāng) 時，當(dāng) 時， 節(jié)點構(gòu)造設(shè)計 節(jié)點有加腋與不加腋兩種基本形式。在加腋形式中又有梯形加腋與曲線加腋之分，一般采用梯形加腋并在加腋部分的兩端設(shè)置加勁肋及側(cè)向支撐，以保證該加腋部分的穩(wěn)定性，防止側(cè)向壓屈。加腋連接可使截面的變化符合彎矩圖形的要求，并大大提高了剛架的承載能力。下圖為加腋節(jié)點圖。橫梁屋脊拼裝節(jié)點圖柱腳設(shè)計根據(jù)受力要求，柱腳分剛接柱腳和鉸接柱腳兩類，當(dāng)?shù)踯嚻鹬亓?噸時應(yīng)考慮設(shè)置剛性柱腳。本工程實例：吊車噸位20噸，柱腳形式為剛接柱腳，主要用來傳遞吊車荷載、風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)自重。柱腳形式平板式鉸接柱腳剛接柱腳一般情況當(dāng)有橋式吊車或剛架側(cè)向剛度過弱時平板式鉸接柱腳剛接柱腳柱腳的計算一、底板的計算1、底板的平面尺寸底板面積：式中 柱軸心壓力設(shè)計值； 基礎(chǔ)混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值； 錨栓孔面積。按構(gòu)造要求確定底板寬度：式中 柱截面寬度或高度； 靴梁厚度； 底板懸臂長度。再根據(jù)底板面積確定底板長度。2、底板的厚度底板的厚度決定于板的抗彎強度。式中： 為底板承受的最大彎矩值。 柱腳錨栓應(yīng)采用Q235或Q345鋼材制作。錨栓的錨固長度應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB 50007-2002)的規(guī)定，錨栓端部按規(guī)定