门式刚架轻型钢结构图文PPT课件

主要内容 概述（特点、形式、维护材料等） 结构布置 计算模型与荷载效应 刚架内力与侧移计算 刚架主构件设计 次构件设计 主要节点设计第1页/共147页1.概述 体系构成及适用范围 主要承重骨架：门式刚架-平面 纵向支撑体系：屋面水平支撑、柱间支撑 檩条和墙梁：增加整体性 维护结构 ： 轻型屋面板/轻型墙面板第2页/共147页第3页/共147页1.概述 体系构成及适用范围 各类工业厂房 仓储车间 小型体育场馆、会议厅 超市第4页/共147页1.概述 门式刚架结构的特点n质量轻，用钢量省；n结构布置灵活，不受模数限制；n工业化程度高，施工周期短；n综合经济效益好。优点第5页/共147页1.概述 门式钢架结构的特点结构整体刚度小： 整体工作前应防止构件变形；杆件壁薄，锈蚀及局部变形影响大；制作、运输及安装要求高。缺点第6页/共147页第7页/共147页第8页/共147页第9页/共147页1.概述 结构形式跨数/单坡或双坡（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）单坡刚架第10页/共147页 结构体系刚架主构件形式构件截面：变截面焊接H形钢截面（腹板）高度：楔形；腹板厚度/翼缘宽度/翼缘厚度；等截面焊接H形钢或轧制H形钢塑性设计设有桥式吊车时柱截面1.概述第11页/共147页 结构体系构件划分及连接构件单元划分钢柱一般为单独单元；斜梁可划分为多个单元：根据运输条件构件单元连接构件单元内焊接连接；构件单元间高强螺栓/端板连接；1.概述第12页/共147页 结构体系柱脚约束形式刚架柱铰接柱脚刚接柱脚设有5t以上桥式吊车时1.概述摇摆柱与横梁、基础均铰接第13页/共147页 结构体系屋面墙面系统檩条/墙梁设置于斜梁、钢柱外侧；双向受弯构件；冷弯薄壁型钢，C或Z/C；跨度较大时，可使用轻型桁架；檩条设置应考虑天窗、采光带、屋面材料等；墙梁设置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等；1.概述第14页/共147页 结构体系维护材料屋面和墙面设计彩色镀锌或镀铝锌压型钢板，t=0.4mm；夹心压型复合钢板；开孔洞后应适当加强；1.概述屋面材料考虑坡度因素外墙面考虑抗震设防烈度第15页/共147页 结构体系支撑系统柱间支撑：n柔性支撑：20圆钢/交叉支撑/张紧装置n刚性支撑：角钢等，设有桥式吊车时3060度/约45度；刚架较高时，分层设置n其它形式的支撑或纵向刚架；1.概述第16页/共147页 结构体系支撑系统屋面水平支撑：柔性支撑：20圆钢/交叉支撑/张紧装置3060度/约45度刚性系杆：柱顶及刚架转折处可由檩条/墙梁兼作1.概述第17页/共147页 结构体系门式刚架建筑尺寸1.概述跨度：横向刚架柱轴线间的距离；高度：地坪至柱轴线与横梁轴线交点的高度，根据使用要 求的室内净高确定。无吊车时，高度一般为4.59m；有吊车时应根据轨顶标高和吊车净空要求确定，一般为912m。柱距：宜为6m，通常介于4.59m之间。第18页/共147页 结构体系门式刚架建筑尺寸1.概述檐口高度：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；房屋宽度：房屋侧墙墙梁外皮之间的距离；房屋长度：房屋两端山墙墙梁外皮之间的距离；屋面坡度：宜取1/81/20，在雨水较多地区可取较大值。 第19页/共147页 结构体系其它构件托架抗风柱吊车梁1.概述第20页/共147页 温度缝温度区段长度 纵向300米，横向150米2.结构布置温度缝构造 檩条(吊车梁等)连接螺栓用长圆孔 设置双柱第21页/共147页 支撑布置n每个温度区段应设置独立、稳定支撑系统；n屋面水平支撑及柱间支撑位于同一柱间；n支撑间距3045米；n 分期建设区段。2.结构布置第22页/共147页 支撑布置n隅撑 保证刚架横梁下翼缘、刚架柱内翼缘的面外稳定，按轴压构件设计2.结构布置第23页/共147页 隅撑2.结构布置第24页/共147页 隅撑2.结构布置第25页/共147页3.计算模型与荷载效应 计算模型受力最大的单榀刚架-平面计算梁柱轴线的定义第26页/共147页 荷载及荷载组合 永久荷载： 结构自重；屋面；吊挂荷载等 屋面活荷： 标准值 0.5kN/m2; (不上人屋面，0.3 kN/m2); 施工或检修集中荷载： 设计屋面板和檩条时，1.0 kN 3.计算模型与荷载效应第27页/共147页 荷载及荷载组合 雪荷载 设置女儿墙时，应考虑女儿墙内侧积雪 积灰荷载 与屋面活荷、雪荷载较大者同时考虑 吊车荷载3.计算模型与荷载效应第28页/共147页 荷载及荷载组合 风荷载：标准值0kszww n基本风压：1.05；n高度系数，体形系数；q地震作用n底部剪力法；阻尼比0.05；n一般7度及以下，可不考虑地震作用3.计算模型与荷载效应第29页/共147页 荷载及荷载组合 目前两种风荷载体型系数共存建筑结构荷载规范 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程风荷载体型系数3.计算模型与荷载效应第30页/共147页 荷载及荷载组合全国民用建筑工程设计技术措施2003(结构)第1816条规定：跨高比Lh小于等于4的门式刚架应按“规范”(GB 500092001)计算风荷载标准值及体型系数，跨高比大于4时宜按“规程”(CECS 102：2002)取用。关于风荷载体型系数3.计算模型与荷载效应第31页/共147页 荷载及荷载组合 非地震组合： 1.2x永久荷载 （积灰荷载+max雪荷载，屋面活荷）（吊车荷载+风荷载） 1.0 x永久荷载 + 1.4x风荷载 地震组合： 1.2x重力荷载代表值 + 1.3x水平地震作用3.计算模型与荷载效应第32页/共147页4.刚架内力与侧移计算 门式刚架内力分析分析方法变截面门式刚架可能几个截面同时出现塑性铰弹性分析方法等截面门式刚架弹性或第33页/共147页 门式刚架内力分析分析模型按平面结构进行内力分析主刚架平面模型按空间结构进行内力分析主刚架+支撑系统+屋、墙面体系（）空间整体模型4.刚架内力与侧移计算第34页/共147页 门式刚架内力分析地震作用 一般采用基底剪力法，对无吊车且高度不大的刚架可采用单质点简图；当有吊车荷载时，可采用2质点简图。4.刚架内力与侧移计算（a）单质点 （b）两质点第35页/共147页 门式刚架内力分析控制截面/控制内力柱顶/柱底/梁端/梁跨中/牛腿控制内力组合：Nmax+M+VMmax+N+VNmin+M+V（锚栓抗拔）4.刚架内力与侧移计算第36页/共147页 门式刚架侧移分析侧移按弹性分析方法计算精确计算方法有限元法/矩阵位移法/直接刚度法近似计算方法-初选截面时增大侧向刚度、减小侧移的措施增大梁柱截面/刚接柱脚/梁柱刚接4.刚架内力与侧移计算第37页/共147页5.门式刚架构件设计 设计方法、设计过程弹性设计方法设计过程计算模型-梁、柱计算长度作用效应计算内力组合截面初选截面验算第38页/共147页5.门式刚架构件设计 刚架梁、柱计算长度 横梁平面内计算长度 坡度1:5,轴力很小 坡度1:5，考虑N影响，则RCCRRcCRNINIll梁面内计算长度系数柱面内计算长度系数柱轴向长度、梁换算长度第39页/共147页5.门式刚架构件设计 平面外按压弯构件计算稳定 计算长度L：受压翼缘最大侧向支撑点间距 隅撑 LL0时，可不计算斜梁稳定性 刚架梁、柱计算长度016235/yLBf所撑梁受压翼缘宽度第40页/共147页5.门式刚架构件设计 刚架梁、柱计算长度 柱平面内计算长度 横梁水平， 横梁折线型+等截面柱，则 柱脚铰接 柱脚刚接HH0KC45. 025 . 1)07. 01 . 0(1KIICRCRRCHIlIK 10/1210/1iSiLlR柱、梁线刚度比第41页/共147页5.门式刚架构件设计 刚架梁、柱计算长度 柱平面内计算长度 截面高度呈线性变化的柱楔形柱HHC0C可按以下三种方法确定查表法，一阶分析法，二阶分析法借助程序第42页/共147页5.门式刚架构件设计刚架梁、柱计算长度-楔形柱第43页/共147页5.门式刚架构件设计 截面初选 实腹式门式刚架 梁截面高度：(1/30-1/45)l 柱截面高度：(1/12-1/28)H或与梁截面等高q格构式门式钢架 梁截面高度： (1/15-1/25)l 柱截面高度与梁截面高度相协调第44页/共147页5.门式刚架构件设计 截面验算 刚架横梁（水平或折线）n有效截面计算n强度验算n整体稳定验算n局部稳定验算n刚度验算 刚架横梁截面验算第45页/共147页5.门式刚架构件设计 腹板屈曲后，按有效宽度计算截面特性 腹板受拉区全部有效 腹板受压区有效宽度ewhh 有效宽度系数； 有效截面计算cehh或第46页/共147页5.门式刚架构件设计有效高度的分布第47页/共147页5.门式刚架构件设计 有效宽度系数0.81.21 0.9(0.8) 0.81 1.20.640.24(1.2) 有效截面计算第48页/共147页5.门式刚架构件设计 反应腹板受压时稳定性的参数/28.1235/wwyhtkf 有效截面计算第49页/共147页5.门式刚架构件设计 板件在正应力下屈曲系数2216(1)0.112(1)(1)k其中21/ 有效截面计算第50页/共147页5.门式刚架构件设计 有效宽度的分布12102/(5)eeeeehhhhh 1200.40.6eeeehhhh 有效截面计算全部受压部分受压第51页/共147页5.门式刚架构件设计 抗剪强度&板件失稳 腹板抗剪承载力dw wvVh t fhw - 腹板平均高度；hw 35mm ） 高强螺栓-端板节点设计高强螺栓第71页/共147页第72页/共147页6.门式刚架节点设计 高强螺栓-端板节点设计高强螺栓bvvbvfdnN42bcbctfdN抗剪承载力设计值承压承载力设计值btebtfdN42抗拉承载力设计值单个螺栓（承压型高强螺栓）：第73页/共147页6.门式刚架节点设计 高强螺栓群设计：M/V/N（螺栓群受力） 计算方法：端板塑性分析/端板弹塑性分析/端板刚性分析 上下翼缘两侧各布置两对螺栓时，每个螺栓所受拉力可简化计算为： 高强螺栓-端板节点设计高强螺栓11/(4 )MtNMh上下翼缘中距第74页/共147页6.门式刚架节点设计 高强螺栓-端板节点设计高强螺栓221111VMNvttbbvtNNNNN1/1.2VbvcNN同时受剪、受拉的螺栓应满足相关公式为避免螺栓孔壁承压破坏，螺栓所受剪力还应满足第75页/共147页6.门式刚架节点设计 端板大小 梁柱截面 高强螺栓布置 端板厚度 按端板塑性分析方法确定 厚度不宜小于16mm 高强螺栓-端板节点设计端板设计第76页/共147页6.门式刚架节点设计 端板塑性分析方法 以螺栓拉力作用下端板屈服为极限状态； 根据平衡原理进行计算； 端板的屈服线分布由端板支承条件及螺栓布置确定； 端板厚度应根据各区域支承条件计算 高强螺栓-端板节点设计端板设计第77页/共147页6.门式刚架节点设计端板屈服线第78页/共147页6.门式刚架节点设计 端板厚度计算公式 悬臂类端板 高强螺栓-端板节点设计端板设计n无加劲肋类端板第79页/共147页6.门式刚架节点设计 端板厚度计算公式 两边支承类端板，端板外伸时 高强螺栓-端板节点设计端板设计n两边支承类端板，端板平齐时第80页/共147页6.门式刚架节点设计 端板厚度计算公式 三边支承类端板， 高强螺栓-端板节点设计端板设计第81页/共147页6.门式刚架节点设计 高强螺栓-端板节点设计 梁柱刚接节点域腹板抗剪验算端板设计vf bc cMd d t q不满足要求时，应加厚腹板或设置斜加劲肋hbhc第82页/共147页第83页/共147页6.门式刚架节点设计 铰接柱脚 无吊车，楔形边柱 摇摆柱，等截面柱 刚接柱脚 有吊车，等截面柱 柱脚节点第84页/共147页铰接柱脚第85页/共147页第86页/共147页刚接柱脚第87页/共147页第88页/共147页6.门式刚架节点设计 柱脚底板 大小（A*B）：混凝土抗压； 厚度（t）：底板受弯； 肋板 连接焊缝 柱脚节点第89页/共147页6.门式刚架节点设计 锚栓设计 材料：Q235/Q345; 直径不小于24mm，双螺帽； 锚固长度：设置弯钩/锚板； 应考虑柱间支撑传至柱脚的拉力； 单个锚栓的抗拉承载力： 柱脚节点btebtfdN42第90页/共147页6.门式刚架节点设计 抗剪键设计 锚栓不抗剪; 剪力由摩擦力和抗剪键承担; 柱脚节点第91页/共147页第92页/共147页6.门式刚架节点设计 摇摆柱与斜梁连接节点第93页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条檩条 墙梁 柱间支撑 屋面水平支撑 抗风柱隅撑第94页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条间距 根据屋面板跨度确定，1.5m左右 檩条截面形式 一般采用实腹式构件，C形和Z形冷弯薄壁型钢； 跨度大于9m时，可采用格构式构件； 檩条及节点设计第95页/共147页第96页/共147页7.其它构件及节点设计 拉条/撑杆设置 跨度4m，宜在跨中设置一道拉条/撑杆； 跨度6m，应在三分点各设置一道拉条/撑杆； 每道拉条/撑杆应通过斜拉条与刚性檩条连接； 拉条由圆钢制作，直径=10mm； 撑杆采用钢管/钢，按压杆刚度选择截面； 拉条/撑杆尽量设在距檩条受压翼缘1/3腹板高度范围内； 檩条及节点设计第97页/共147页第98页/共147页第99页/共147页第100页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条设计 檩条为双向受弯构件 檩条可以设计为简支梁或连续梁 檩条设计应考虑的荷载及荷载组合： 1.2*永久+1.4*max（屋面活荷，雪荷） 1.2*永久+1.4*施工检修集中荷载 1.0*永久+1.4*风荷载（吸力） 檩条及节点设计第101页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条设计 檩条内力计算 Mx,Vx:简支梁（对接）/连续梁（搭接） My,Vy:拉条为侧向支撑点，按简支梁/连续梁 不考虑荷载不均匀分布 檩条及节点设计第102页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条设计 檩条截面验算屋面板能阻止檩条的失稳和扭转时，仅需进行强度验算 檩条及节点设计yxenxenyMMfWWq截面特性均按有效净截面计算按冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）计算第103页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条设计 檩条截面验算屋面板不能阻止檩条的失稳和扭转时，应进行整体稳定性验算 檩条及节点设计q截面特性均按有效净截面计算yxbxexeyMMfWW第104页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条设计 檩条截面验算整体稳定系数按GB50018的规定计算 檩条及节点设计2124320235()()bxyyxAhfW 22/aeh 20240.156()tyyIIlIhh I 第105页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条设计 檩条截面验算 风吸力使檩条下翼缘受压时，因根据屋面能否阻止上翼缘失稳按规程附录E验算檩条稳定性。 檩条及节点设计第106页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条设计 檩条变形验算：验算垂直于屋面方向的挠度 檩条及节点设计41cos5 384kxqlvvEI檩条允许挠度: l/150; l/240; l/360仅支撑压型钢板；有吊顶；吊顶+抹灰第107页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条节点构造：对接节点 檩条及节点设计（也可用角钢，见教材）第108页/共147页7.其它构件及节点设计 檩条节点构造：搭接节点 檩条及节点设计第109页/共147页7.其它构件及节点设计 墙梁间距 根据墙面板跨度确定，1.5m左右 墙梁截面形式 一般采用C形冷弯薄壁型钢 墙梁布置应考虑门窗设置的要求 可以设置拉条减小墙梁竖向挠度 墙梁及节点设计第110页/共147页7.其它构件及节点设计 墙梁设计 墙梁为双向受弯构件 水平风荷载+竖向永久荷载 墙面板一般直接落地与基础或防撞墙相连，此时竖向荷载仅为墙梁自重。 墙梁设计及节点构造参见檩条相关内容 墙梁及节点设计第111页/共147页7.其它构件及节点设计 柔性柱间支撑 20圆钢/交叉支撑/张紧装置 刚性柱间支撑 型钢，设有桥式吊车时采用 角度3060度/约45度；刚架较高时，可分层设置或采用其它形式的支撑或纵向刚架； 柱间支撑设计第112页/共147页第113页/共147页第114页/共147页第115页/共147页7.其它构件及节点设计 柱间支撑的内力计算 纵向荷载：风/吊车/地震 计算模型：支承于柱脚基础的悬臂桁架 纵向荷载由多道柱间支撑共同分担 柱间支撑的截面验算 交叉支撑按拉杆设计 非交叉支撑按压杆设计 柱间支撑设计第116页/共147页7.其它构件及节点设计 屋面水平支撑一般为柔性支撑： 20圆钢/交叉支撑/张紧装置； 角度3060度/约45度 屋面水平支撑设计第117页/共147页7.其它构件及节点设计 屋面水平支撑的内力计算 纵向荷载：风/地震 计算模型：支承于柱顶的水平桁架 纵向荷载由多道屋面水平支撑共同分担 屋面水平支撑的截面验算 交叉支撑按拉杆设计 屋面水平支撑设计第118页/共147页7.其它构件及节点设计 抗风柱一般采用等截面H形钢构件 抗风柱承受的荷载： 竖向永久荷载：自重+山墙的墙板重（山墙落地则无） 水平荷载：山墙风荷载 抗风柱柱脚：铰接柱脚 抗风柱与刚架连接：一般为柔性连接 只传递水平力，不传递竖向力 抗风柱设计第119页/共147页横梁第120页/共147页7.其它构件及节点设计 抗风柱内力计算： 两端简支； 抗风柱截面设计： 压弯构件/受弯构件 抗风柱设计第121页/共147页7.其它构件及节点设计 隅撑的作用： 为斜梁的受压下翼缘提供侧向支承 隅撑通常采用单角钢截面构件 隅撑的间距 隅撑设计23516yLBf第122页/共147页7.其它构件及节点设计 隅撑内力： 隅撑设计/60cosM hN *成对布置时，每根隅撑为计算值的一半q隅撑截面验算：n按轴心受压构件设计n单角钢单面连接稳定性验算梁负弯矩隅撑与檩条轴线的夹角梁截面高度第123页/共147页第124页/共147页第125页/共147页第126页/共147页8.制作与安装第127页/共147页8.制作与安装第128页/共147页8.制作与安装第129页/共147页8.制作与安装第130页/共147页8.制作与安装第131页/共147页8.制作与安装第132页/共147页8.制作与安装第133页/共147页8.制作与安装第134页/共147页8.制作与安装第135页/共147页9.事故分析 前言 2005年12月,烟台、威海等地连日多雪,据调查,由于雪荷载作用而发生屋盖大变形、个别构件破坏、结构局部倒塌的轻钢工程达到100余栋,发生整体倒塌的也有20余栋,而其他类型的建筑则没有一例发生损坏或倒塌。第136页/共147页9.事故分析 实例 某厂房为30 m跨双跨轻钢门式刚架厂房,柱距9 m,总建筑面积约5400 m2。 2005年12月21日, 该厂房发生突然整体倒塌， 发生倒塌时屋面雪厚约800 mm (折算降水量, 相当于约0.4kN /m2 的屋面均布活荷载)。第137页/共147页9.事故分析 实例整体倒塌、C型钢檩条、门式刚架梁、刚架柱等典型破坏情况见图1第138页/共147页9.事故分析 破坏特征n几乎所有的檩条都发生了侧向失稳破坏,见图1；n由于平面外屈曲,部分檩条的截面形状发生显著改变,见图2； n据厂方介绍,在该厂房倒塌的前两天,已发现部分檩条有较大的弯曲变形,并有明显的侧向变形现象；n破坏调查中,还发现部分檩条与主刚架梁的连接螺栓破坏或檩条螺栓孔端部撕裂破坏。第139页/共147页9.事故分析 破坏特征n刚架梁平面外失稳。 在厂房整体倒塌前大部分门式刚架梁都发生了平面外的失稳破坏,见图3。第140页/共147页9.事故分析 破坏特征n由于较大侧向变形导致节点的变形和刚架柱较大的侧向变形,见图4。第141页/共147页9.事故分析 破坏特征n刚架柱破坏。n大部分中间刚架柱发生较大的侧向和扭曲变形；n边跨的刚架柱向中间对称倒塌,没有发生侧移失稳,中间的厂房柱有较大变形和破坏,但没有完全倒塌,见图5；n调查中没有发现在较大的扭曲变形情况下,梁柱节点的高强螺栓连接发生破坏。第142页/共147页9.事故分析 破坏分析n根据破坏情况分析,该工程倒塌的过程为: 檩条发生较大的弯曲和侧曲变形,使刚架梁的上翼缘受到了较大的侧向拉力,在较大竖向荷载和侧向拉力共同作用下,刚架梁也发生了较大的弯曲和侧曲破坏,导致刚架梁整体失稳,最终使刚架柱破坏,结构整体对称倒塌。第143页/共147页9.事故分析 破坏分析n根本原因：檩条的不利作用 由于门式刚架的跨度大,刚架梁截面高度比较大,上下翼缘宽度比较窄,腹板比较薄,使得梁比较容易发生失稳破坏。 一般认为屋面梁上翼缘由于与檩条和屋面板有可靠连接,可以保证其平面外稳定。 檩条在雪荷载下会有较大的挠度, 不但不能给梁上翼缘以有力支撑,而且对梁产生了侧向拉力,降低了梁的平面外稳定性能,从而加速了结构的破坏与倒塌。第144页/共147页9.事故分析 破坏分析n受压翼缘失稳引起门式刚架梁破坏 一般刚架梁上翼缘平面外稳定由梁与檩条和屋面板可靠连接来保证,而刚架梁下翼缘的出平面稳定则通过设置隅撑来解决，隅撑是保证刚架梁平面外稳定的有利构造措施。 但对于大跨度门式刚架,屋面的荷载比较大,刚架梁某些截面的弯距很大,所需的梁截面也比较大,此时檩条、隅撑与刚架梁相比其强度和刚度就比较弱。 在这种情况下,隅撑作为刚架梁受压下翼缘的平面外侧向支撑也就变得不安全了。第145页/共147页9.事故分析 经验教训n重视次要构件（檩条、隅撑）的设计和构造处理。n大跨度门式刚架轻型钢结构要尽量提高屋面的刚度（采用双层夹心彩钢屋面）。 n设计方法有待改进。 目前门式刚架的整体稳定性，通过计算长度系数法计算柱的稳定性来保证。认为只要柱子的稳定满足要求,则刚架满足要求,不考虑斜梁上轴力和弯距对结构稳定产生的影响,也不从整体上考虑结构的稳定性。 实际工程破坏倒塌表明,结构的整体破坏和倒塌是梁的失稳造成的。屋面出现较大竖向荷载时, 刚架可能发生对称失稳,而不是有侧移失稳, 此时按规范分析刚架不安全。第146页/共147页感谢您的观看！第147页/共147页