《荷载和荷载组合》PPT课件.ppt

1.3.1 荷载及荷载组合 1.3.2 刚架的内力和侧移计算 1.3.3 刚架柱和梁的设计 1.3 刚架设计 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。 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。 1.3.1荷载及荷载组合 荷载组合原则： 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。 在进行刚架内力分析时，荷载效应组合主要有： 组合（ 1）： 1.2 永久荷载 +0.9 1.4 积灰荷载 +max屋面 均布活荷载、雪荷载 +0.9 1.4 (风荷载 +吊车 竖向及水平荷载 ) 组合（ 2）： 1.0 永久荷载 +1.4 风荷载 组合 (1)用于截面强度和构件稳定性计算， 组合 (2)用于锚栓抗拉计算。 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。 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。 1.3.2 刚架内力和侧移计算 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。 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： 工字形截面梁、柱构件腹板的宽 厚比： yft b 235151 yw w ft h 2 3 52 5 0 1.3.3 刚架柱和梁的设计 腹板屈曲后强度利用： 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。 腹板的有效宽度： 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。 有效宽度取值： 当腹板全部受压时： 当腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区 有效宽度为： we hh ce hh he：腹板受压区有效宽度； ：有效宽度系数； hc: 腹板受压区高度。 刚架梁、柱构件的强度计算 刚架内力分析 在横向均布荷载作用下，刚架弯矩图如下 刚架弯矩图 刚架荷载计算简图 q 在水平风荷载作用下，刚架弯矩图如下： 荷载计算简图 刚架弯矩图 q 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。 正应力验算： 剪应力验算： f W M W M A N e f n y y e f n x x e f n vfth V 0 m a x 2 3 式中： 构件有效净截面面积； 、 对主轴 x和 y的有效净截面抵抗矩； 、 对主轴 x和 y的弯矩。 efnA efnxW efnyW xM yM 弯矩作用平面内： 弯矩作用平面外： f W N N M A N e f xx EX xm efx 1 fWMAN e f xb x efx 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 时 当 时 当截面为双轴对称时 21 5.0 1 d fef V VMMMM dd VVV 5.0 dVV 5.0 eMM fthAM wff 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 时 当 时 当截面为双轴对称时 dVV 5.0 dd VVV 5.0 NeMM eeeNe ANWMM 21 5.0 1 d N f N e N f V VMMMM ANfthAM wfNf 梁腹板加劲肋的配置 : 梁腹板应在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处 和翼缘转折处设置横向加劲肋。其他部位是否设置 中间加劲肋，根据计算需要确定。但 规程 规定 , 当利用腹板屈曲后抗剪强度时，横向加劲肋间距 a宜 取 hw 2hw。 当梁腹板在剪应力作用下发生屈曲后，将以拉力带 的方式承受继续增加的剪力，亦即起类似桁架斜腹 杆的作用，而横向加劲肋则相当于受压的桁架竖杆。 因此，中间横向加劲肋除承受集中荷载和翼缘转折 产生的压力外，还要承受拉力场产生的压力。 拉力场 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 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。 yw ft 2 3 515 变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算 : 变截面柱在刚架平面内的整体稳定按下列公式 计算： fWNN M A N exEx mx ex 100 1 0 0 1 2020 1.1 eEx EAN 对于变截面柱，变化截面高度的 目的 是 为了适 应弯矩的变化，合理的截面变化方式应使两端 截面的最大应力纤维同时达到限值 。但是实际 上往往是大头截面用足，其应力大于小头截面， 故公式左端第二项的弯矩 M1，和有效截面模量 We1应以大头为准。 公式第一项源自等截面的稳定计算。根据分析， 小头稳定承载力的小于大头，且刚架柱的最大 轴力就作用在小头截面上，故第一项按小头运 算比按大头运算安全。 变截面柱在刚架平面内的计算长度 截面高度呈线形变化的柱，在刚架平面内的计 算长度应取为 ，式中 为柱的几何高 度， 为计算长度系数。 可由下列三种方法确定： 查表法（适合于手算） 一阶分析法（普遍适用于各种情况，并且适 合上机计算 ) 二阶分析法（要求有二阶分析的计算程序） hh 0 h 查表法 柱脚铰接单跨刚架楔形柱的 可由表 1-2查得。 柱的线刚度 K1和梁的线刚度 K2分别按下列公式计算： 表中和式中 、 分别为柱小头和大头的截面惯性矩； 梁最小截面的惯性矩； 半跨斜梁长度； 斜梁换算长度系数，见图 1-9。当梁为等截面 时 =1。 hIK c11 sIK b 202 coI 1cI 0bI s 在图 1-9中， 1 和 分别为第一、二 楔形段的斜率。 图 19楔形梁在刚架平 面内的换算长度系数 柱脚铰接楔形柱的计算长度系数 ，表 1 2 K2 Kl 0.1 0.2 O.3 O.5 0.75 1.0 2.0 10.0 0.0l 0.428 O.368 O.349 0.331 0.320 0.318 0.315 0.310 0.02 0.600 0.502 0.470 0.440 0.428 0.420 O.411 O.404 0.03 O.729 0.599 O.558 0.520 0.50l 0.492 0.483 0.473 O.05 0.931 O.756 O.694 0.644 0.618 0.606 0.589 0.580 0.07 1.075 O.873 0.801 0.742 0.711 0.697 O.672 O.650 0.10 1.252 1.027 0.935 0.857 O.817 0.801 O.790 0.739 0.15 1.518 1.235 1.109 1.021 O.965 O.938 O.895 0.872 0.20 1.745 1.395 1.254 1.140 1.080 1.045 1.000 0.969 1 0 c cII 多跨刚架的中间柱为摇摆柱时，边柱的计 算长度应取为 式中 放大系数； 计算长度系数，由表 1 2查得，但公式 (1 26)中的 取与边柱相连的一跨横梁的坡面长 度 ，如图 1-10所示； 摇摆柱承受的荷载； 边柱承受的荷载； 摇摆柱高度； 刚架边柱高度。 s bl liP fiP lih fih 引进放大系数的原因是： 当框架趋于侧移或有初 始侧倾时，不仅框架柱上的荷载 Pfi对框架起倾 覆作用，摇摆柱上的荷载 Pli也同样起倾覆作用。 这就是说，图 1-10框架边柱除承受自身荷载的不 稳定效应外，还要加上中间摇摆柱荷载效应。因 此需要根据比值 (Pli hli) (Pfi hfi)对 边柱计算长度做出调整。 图 1-10 计算边柱时的斜梁长度 摇摆柱的计算长度系数取 1.0。 对于屋面坡度大于 1： 5的情况，在确定刚架柱 的计算长度时应考虑横梁轴向力对柱刚度的不 利影响。此时应按刚架的整体弹性稳定分析通 过电算来确定变截面刚架柱的计算长度。 框架有侧移失稳的临界状态和它的侧移刚度有 直接关系。框架上的荷载使此刚度逐渐退化， 荷载加到一定程度时刚度完全消失，框架随即 不能保持稳定。因此框架柱的临界荷载或计算 长度可以由侧移刚度得出。 当刚架利用一阶分析计算程序得出柱顶水平荷 载作用下的侧移刚度 K： H u时，柱计算长度 系数可由下列公式计算： 一阶分析法 对柱脚为铰接和刚接的单跨对称刚架 (图 1- 11a) 当柱脚铰接时 当柱脚刚接时 中间为非摇摆柱的多跨刚架 (图 1-11b) 当柱脚铰接时 当柱脚刚接时 图 1-11 一阶分析时的柱顶位移 当采用计入竖向荷载一侧移效应 (即 P-u效应 )的 二阶分析程序计算内力时，如果是等截面柱， 取 =1 ，即计算长度等于几何长度。对于楔形 柱，其计算长度系数可由下列公式计算： 二阶分析法 式中 : 构件的楔率； 、 分别为柱小头和大头的截面高度 (图 1.12)。 0d 1d 图 1-12 变截面构件的楔率 变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算 应分段按公式计算： 公式不同于规范中压弯构件在弯矩作用平面外的 稳定计算公式之处有两点： 截面几何特性按有效截面计算； 考虑楔形柱的受力特点，轴力取小头截面，弯矩 取大头截面。 fWMAN eb t ey 1 1 0 0 斜梁和隅撑的设计 斜梁的设计 当斜梁坡度不超过 1： 5时，因轴力很小可按压弯 构件计算其强度和刚架平面外的稳定，不计算平 面内的稳定。 实腹式刚架斜梁的平面外计算长度，取侧向支承 点的间距。当斜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。 斜梁不需要计算整体稳定性的侧向支承点间最大 长度，可取斜梁下翼缘宽度的 倍。 yf23516 当斜梁上翼缘承受集中荷载处不设横向加劲肋时， 除应按规范规定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外，尚应满 足下列公式的要求： yw f wm ft t ftF 23515 2 fWM em 5.1 隅撑设计 当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时，必须在受压 翼缘两侧布置隅撑 (山墙处刚架仅布置在一侧 )作、 为斜梁的侧向支承，隅撑的另一端连接在檩条上。 隅撑间距不应大于所撑梁受压翼缘宽度的 倍。 隅撑应根据规范规定按轴心受压构件的支撑来设 计。隅撑截面选用单根等边角钢，轴向压力按下 式计算： 当隅撑成对布置时，每根隅撑的计算轴压力可取 上式计算值的一半。 需要注意的是，单面连接的单角钢压杆在计算其 稳定性时，不用换算长细比，而是对 f值乘以相 应的折减系数。 yf23516 c os60 hMN 刚架横梁刚度和柱顶水平位移验算 横梁容许挠度： 柱顶水平容许位移： 式中 、 分别为刚架横梁的跨度和柱的高度。 500H l H 180l 刚架节点设计 刚架横梁与柱拼装节点 刚架横梁屋脊拼装节点 柱脚设计 牛腿设计 斜梁与柱的连接及斜梁拼接 一般采用高强螺栓端板连接，按刚接节 点设计，其形式： 端板竖放 端板斜放 端板平放 h1 M e （ a）端板竖放 （ b）端板斜放 （ c）端板平放 （ d）斜梁拼接 刚架斜梁与柱的连接及斜梁间的拼接 高强螺栓计算 验算最不利螺栓的拉力： 横梁与柱在连接处传递的弯矩； 最远一排螺栓至承压点的距离； 螺栓列数； 任意一排螺栓至承压点的距离； 一个螺栓所能承受的抗拉容许承载力。 bt i N yn My N 2 m a x M maxy n iy btN 分析研究表明，外伸式连接转动刚度可以满足 刚性节点的要求。外伸式连接在节点负弯矩作用 下，可假定转动中心位于下翼缘中心线上。上翼 缘两侧对称设置 4个螺栓时，每个螺栓承受下面公 式表达的拉力，并依此确定螺栓直径： 当受拉翼缘两侧各设一排螺栓不能满足承载 力要求时，可以在翼缘内侧增设螺栓 。 14 h MN t 螺栓排列应符合构造要求，下图的 ， 应满 足扣紧螺栓所用工具的净空要求，通常不小于 35mm，螺栓端距不应小于 2倍螺栓孔径，两排螺栓 之间的最小距离为 3倍螺栓直径，最大距离不应超 过 400mm。 fewe 端板的厚度 t可根据支承条件按下列公式计算，但 不应小于 16mm，和梁端板相连的柱翼缘部分应与 端板等厚度。 (a)伸臂类端板 (b)无加劲肋类端板 bf Net tf6 fea Net w tw 5.0 3 (c)两边支承类端板 当端板外伸时 当端板平齐时 (d)三边支承类端板 febbe Neet fsw twf 242 6 feeebe Neet wffw twf 2 6 feeebe Neet wffw twf 4 12 在门式刚架斜梁与柱相交的节点域，应按下列公 式验算剪应力： v ccb ftdd M 刚架构件的翼缘与端板的连接应采用全熔透对接 焊缝，腹板与端板的连接应采用角焊缝。在端板 设置螺栓处，应按下列公式验算构件腹板的强度： 当 时， 当 时， fte P ww 4.0 fteN ww t 2 PN t 4.02 PN t 4.02 节点构造设计 节点有加腋与不加腋两种基本形式。在加腋 形式中又有梯形加腋与曲线加腋之分，一般采用 梯形加腋 并在加腋部分的两端设置 加劲肋 及 侧向 支撑 ，以保证该加腋部分的稳定性，防止侧向压 屈。加腋连接可使截面的变化符合弯矩图形的要 求，并大大提高了刚架的承载能力。下图为加腋 节点图。 横梁屋脊拼装节点图 柱脚设计 根据受力要求，柱脚分刚接柱脚和铰接柱脚两 类，当吊车起重量 5吨时应考虑设置刚性柱 脚。 本工程实例：吊车吨位 20吨，柱脚形式为刚接 柱脚，主要用来传递吊车荷载、风荷载和结构 自重。 柱脚形式 平板式铰接柱脚 刚接柱脚 一般情况 当有桥式 吊车或刚 架侧向刚 度过弱时 平板式 铰接柱脚 刚接柱脚 柱脚的计算 一、底板的计算 1、底板的平面尺寸 底板面积： 式中 柱轴心压力设计值； 基础混凝土轴心抗压强度设计值； 锚栓孔面积。 0Af NA cc N ccf 0A 按构造要求确定底板宽度： 式中 柱截面宽度或高度； 靴梁厚度； 底板悬臂长度。 再根据底板面积确定底板长度。 ctbB b 220 0b bt c 2、底板的厚度 底板的厚度决定于板的抗弯强度。 式中： 为底板承受的最大弯矩值 。 f Mt m a x6 maxM 柱脚锚栓应采用 Q235或 Q345钢材制作。锚栓的锚固 长度应符合现行国家标准 建筑地基基础设计规范 (GB 50007-2002)的规定，锚栓端部按规定设置弯 钩或锚板。 计算风荷载作用下柱脚锚栓的上拔力时，应计入柱 间支撑的最大竖向分力，此时，不考虑活荷载 (或 雪荷载 )、积灰荷载和附加荷载的影响，同时永久 荷载的分项系数 1.0。锚栓直径不宜小于 24mm，且 应采用双螺帽以防松动。 柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水 平剪力可由底板与混凝土基础之间的摩擦力 (摩擦 系数可取 0.4)或设置抗剪键承受。 靴梁的构造与计算 (1) 靴梁的高度由靴梁与柱的连接焊缝长度决定。 (2) 靴梁厚度可取与柱翼缘的厚度相同。 (3) 靴梁与底板间的水平焊缝计算按承受全部轴 压力 N计算。 (4) 靴梁的抗弯和抗剪强度验算，按双悬臂简支 梁计算。 柱脚构造详图 铰接柱脚 刚接柱脚 加劲板 加劲板 地脚螺栓 浇入素混凝土 保护地脚锚栓 牛 腿 当有桥式吊车时，需在刚架柱上设置牛腿，牛腿 与柱焊接连接，其构造见下图。牛腿根部所受剪 力 V、弯矩 M根据下式确定： m a x4.12.1 DPV D VeM 牛腿截面一般采用焊接工字形截面，根部截面尺 寸根据 V和 m确定，做成变截面牛腿时，端部截面 高度 h不宜小于日 2。在吊车梁下对应位置应设 置支承加劲肋。吊车梁与牛腿的连接宜设置长圆 孔。高强度螺栓的直径可根据需要选用，通常采 用 M16-24螺栓。牛腿上翼缘及下翼缘与柱的连接 焊缝均采用焊透的对接焊缝。牛腿腹板与柱的连 接采用角焊缝，焊脚尺寸由剪力 V确定。 摇摆柱与斜梁的连接构造 摇摆柱与斜梁的连接比较简单，构造图如下： 刚架设计小结 刚架内力计算 变截面柱在平面内的整体稳定计算 变截面柱在平面外的整体稳定计算 斜梁的设计 刚架节点设计