(房屋钢结构设计ppt课件)第一章—刚架设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,(房屋钢结构设计课件)第一章刚架设计,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,风荷载体型系数的特殊规定,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002对风荷载作用下的体型系数有特殊规定。,对刚架、檩条、屋面板、墙梁等均有专门的规定。,房屋端区的风荷载体型系数不同于中间区,比较荷载规范：风荷载体型系数,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+0.91.4积灰荷载+max屋面均布活荷载、雪荷载+0.91.4(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。,1.3.2 刚架内力和侧移计算,内力计算原则,按弹性分析方法计算构件内力；,把刚架作为平面结构，一般不考虑蒙皮效应；,必要条件下，可考虑,屋面板的应力蒙皮效应,，提高刚架的整体刚度和承载力,。,蒙皮效应是指在建筑物的表面覆盖材料（屋面板和墙板），利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。,工作原理,：,围护板与檩条以及板与板之间通过不同的紧固件连接起来，形成了以檩条作为其肋的一系列隔板。这种板在平面内具有相当大的刚度，类似于薄壁深梁中的腹板，檩条类似于薄壁深梁中的加劲肋，板的四周连接墙梁或檩条类似于薄壁深梁中的翼缘，可以用来传递板平面内的剪力，承受板平面内的各种荷载作用。,应力蒙皮效应,蒙皮效应在工程中只将其作为一种结构上的储备,。目前在满足一定条件的压型钢板以及轻型钢框架组成的轻钢住宅和门式刚架体系中存在着较大的蒙皮效应。,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,。,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：,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,。,侧移计算原则：,如果最后验算时刚架的,侧移不满足要求，,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。,1.3.3 刚架柱和梁的设计,一）梁、柱板件宽厚比和腹板屈曲后强度的利用；,二）刚架梁、柱构件的强度计算；,三）梁腹板加劲肋的配置；,四）变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算；,五）变截面柱在刚架平面内的计算长度；,六）变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算；,七）隅撑和斜梁的设计,八）节点设计,梁、柱板件的宽厚比限值：,工字形截面构件受压翼缘板的外伸宽厚比：,工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比：,一,梁、柱板件宽厚比和腹板屈曲后强度的利用,对于,腹板高厚比,限值，建议按如下取值：,刚架柱：,无桥式吊车时，取,有桥式吊车时，取,刚架斜梁：取,腹板屈曲后强度的利用,腹板受弯及受压板幅,屈曲后强度的利用,有效宽度理论计算,受剪板幅,屈曲后强度的利用,拉力场理论计算,腹板,受剪,板幅屈曲后强度利用拉力场理论,基本假定,：屈曲后腹板中的剪力，一部分由小挠度理论算出的抗剪力承担，一部分由斜张力场作用承担；翼缘的弯曲刚度小，假定不承担腹板斜张力场产生的垂直分力的作用。,张力场带斜拉杆，,翼缘上下弦杆，,加劲肋竖杆。,腹板屈曲后的实腹梁犹如一桁架：,腹板受剪屈曲后的极限剪力=屈曲剪力+张力场剪力。,精确确定张力场剪力值需要算出张力场宽度，比较复杂，为简化计算采用了相当于下限的近似公式：,式中 w,用于抗剪计算的腹板通用高厚比,。,上式的条件是,腹板的高度变化率60mm/m,，,当60mm/m时，不宜利用腹板的屈曲后抗剪承载力。,可采取：,1）调整截面高度变化，使之满足要求；,2）加大腹板厚度，满足不考虑屈曲后强度对腹板高厚比限值的要求；,3）设置横向加劲肋。,当利用屈曲后抗剪强度时，横向加劲肋的间距宜取,2.,腹板,受弯及受压板,幅的屈曲后强度的利用有效宽度理论,当腹板 不满足要求时，在弯矩作用下腹板局部会发生弹性屈曲，因薄膜效益，梁还可以继续承载，但受压区的应力不再呈直线分布，中和轴下移，直到板边缘应力达到 才达到极限承载力。,利用腹板屈曲后强度后，构件的抗弯及抗压承载力略有降低，此时应按,有效宽度,计算截面特性，有效截面上的应力仍按直线分布。,当腹板全部受压时:,当腹板部分受拉时：,有效宽度,有效宽度系数,，与板件局部稳定的临界应力 有关，,以通用高厚比 作为参数，分为三个阶段，完全弹性、完全塑性及弹塑性，即：,腹板的有效宽度按下列规则分布：,腹板全部受压时,：,腹板部分受拉时：,二,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,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,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,：,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。,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,注意,：考虑屈曲后强度的相关公式，当剪力V大于0.5V,d,时，腹板所能承担的弯矩应乘以一个折减系数,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,三,梁腹板加劲肋的配置,与中柱连接处,较大集中荷载作用处,翼缘转折处,柱腹板与梁连接处以及用连接板与吊车梁上翼缘相连处应设置横向加劲肋,梁腹板利用屈曲后强度时，横向加劲肋的间距宜取,hw2hw,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。,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。,加劲肋的计算,腹板平均剪应力符合下表的要求时，不需要设置横向加劲肋。,通常刚架斜梁的等截面段和不受水平集中力作用的刚架柱符合这一要求，而不需设置横向加劲肋,梁腹板不需要设置横向加劲肋的条件,不需要设置横向加劲肋的条件,四,变截面柱在刚架平面内的整体稳定,计算公式仍借用了钢结构设计规范的,形式,。,轴力取小头，弯矩取大头。,等效弯矩系数按有侧移刚架取1.0,由于考虑腹板屈曲后强度，故采用有效截面几何特性。,刚架柱为楔形，其在刚架平面内的计算长度系数、不能再套用钢结构设计规范，门刚规程另有特殊规定。,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。,楔形柱在刚架平面内的计算长度取,计算长度系数 有三种确定方法：,五,变截面柱,在刚架平面内的计算长度,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）,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。,柱脚铰接楔形柱的计算长度系数 ，表12,K2Kl,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,在图1-9中，,1,和,2,分别为第一、二楔形段的斜率。,图1-9楔形梁在刚架平面内的换算长度系数,多跨刚架的中间柱为摇摆柱时，边柱的计算长度应取为,放大系数,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。,一阶分析法,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。,计算刚架柱顶水平荷载作用下的侧移刚度,K=Hu。,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,多跨刚架的中间柱为摇摆柱时，边柱的计算长度应乘以放大系数,摇摆柱的计算长度系数取1.0。,一阶分析法,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,二阶分析法,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：,六,变截面柱,在刚架平面外的整体稳定,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，弯矩取大头。,采用楔形受弯构件的整体稳定系数 ；,截面不对称时，引入,大于0.6，按规范采用,弯矩作用平面内,：,弯矩作用平面外,：,适用于等截面构件的整体稳定,七,斜梁和隅撑的设计,斜梁的设计,实腹式刚架斜梁在平面内按照压弯构件计算其强度，在平面外按压弯构件计算稳定性。,平面外的计算长度取侧向支承点间的距离。,当斜梁下翼缘受压时，必须在受压翼缘的两侧布置隅撑（端部仅布置一侧）作为斜梁的侧向支承，隅撑的另一端连接在檩条上。,斜梁不需计算整体稳定的侧向支承点间最大长度，可取斜梁受压翼缘宽度的 倍，否则应验算斜梁平面外的稳定。,当斜梁上翼缘承受集中荷载处不设置横向加劲肋时，应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；同时还要验算腹板在集中力作用下的,屈皱,：,隅撑的设计,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。,因故不能设置隅撑的，必须采取可靠措施以保证刚架的稳定。,隅撑截面选用单根等边角钢，,与刚架构件腹板的夹角不宜小于45。,隅撑按轴心受压构件设计：,当隅撑成对布置时，每根隅撑的计算轴压力可取N/2。,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。,或,刚架梁与柱的连接,刚架梁的拼接,柱脚,牛腿,摇摆柱与斜梁的连接构造,八 刚架节点设计,h,1,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,一般采用高强螺栓端板连接，按刚接节点设计,端板连接属于半刚性连接，在弹性阶段视为刚性连接，进入弹塑性工作阶段，由于连接的变形，成为半刚性连接，具有较好的延性,。,还需符合下列规定:,（1）端板连接应按,最大内力设计,。内力小时，按能承受不小于被连接截面承载力的一半设计。,（2）主刚架的连接采用,高强螺栓连接,，不得采用普通螺栓。M16M24,（3）螺栓,成对对称布置,。斜梁拼接和斜梁与钢柱连接的受拉区，宜采用,端板的外伸式连接，宜使翼缘内外的螺栓群中心与翼缘的中心重合或接近。,（4）与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚，不得切割柱腹板。,（5）螺栓排列应符合一定的构造要求。,（6）同时受拉和受剪的螺栓，应验算螺栓在拉剪共同作用下的强度。,（7）端板的厚度根据支承条件按公式计算，不得小于16mm,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：,h,1,M,e,端板外伸,压力,则由,端板承压,直接传递，端板悬伸宽度,e,满足：,受压翼缘的螺栓不宜少于两排；,当受拉翼缘两侧各设一排螺栓尚不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓，,其间距可取75mm，且不于3倍螺栓孔径。,第三排螺栓拉力,：,第三排一个螺栓承担的弯矩,节点上剪力,可以认为由除上边二排抗拉螺栓以外的螺栓承受，,第三排螺栓,拉力未用足，可以和,下面二排螺栓,共同抗剪。,对同时,受拉和受剪,的螺栓, 应验算螺栓在,拉、剪共同作用,下的强度。,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。,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,(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,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：,不满足时，增加腹板厚度,或加设斜加劲肋,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,，,腹板边缘在螺栓拉力作用下，需进行平面内拉应力验算，,并,按下列公式验算构件腹板的强度：,不满足时，可设腹板加劲肋或局部加厚腹板,N,t2,翼缘内,第二排,一个螺栓的轴向拉力设计值；,P 高强度螺栓的预拉力；,刚架柱脚,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。,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。,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,。,楔形柱下端的宽度视具体情况确定，但,不宜小于200mm,；,柱身与底板可采用角焊缝连接，对重要工程采用全熔透焊缝；,柱脚锚栓应采用Q235或Q345钢材制作，,柱脚锚栓端部应按规定设置,弯钩,，,锚栓长度不小于25d,，且d24mm；并采用双螺帽以防松动。,计算锚栓直径时，,设计内力宜乘以1.3的系数。,底板上焊接垫板，锚栓与柱底板一般是不接触的，,故柱脚锚栓不宜用于传递柱脚底部的水平剪力,。此水平剪力由底板与混凝土基础间的摩擦力承受，或设置,抗剪件,承受。,计算在风荷载下锚栓的上拔力，要计入柱间支撑产生的最大竖向分立，,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,。,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,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，其构造见图。牛腿根部所受剪力V、弯矩M根据下式确定：,牛腿,弯矩M由根部的上下翼缘承担，剪力V由腹板承受。,摇摆柱与斜梁的连接,作业,一单跨门式刚架，柱子是楔形柱，梁为分段变截面梁，截面尺寸与几何尺寸如图所示。材料为Q345B.F。柱子小头内力：N,0,=,101KN，V,0,=55.4KN；柱子大头内力：N,1,=95.76KN，V,1,=55.4KN， M,1,=442.9KN.m。验算刚架柱的强度和整体稳定性。,13500,8000,（350-820）*200*6*8,（850-520）*160*6*8,520*150*4*6,820 5500 7180,提示：,楔形梁的换算长度系数按照线性插值法计算,刚架设计小结,刚架内力计算,刚架的强度计算,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,