刚架柱和梁的设计.docx

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刚架柱和梁的设计

刚架柱和梁的设计

1.3.1荷载及荷载组合

Ø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。

Ø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。

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。

Ø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。

Ø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。

Ø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。

1.3.3刚架柱和梁的设计

Ø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。

Ø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。

Ø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

在水平风荷载作用下，刚架弯矩图如下

▪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。

Ø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。

Ø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：

▪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。

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Σ（Pli／hli）／Σ（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。

Ø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。

▪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：

图1-11一阶分析时的柱顶位移

Ø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μ=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：

Ø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。

Ø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。

▪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：

▪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。

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：

刚架斜梁与柱的连接及斜梁间的拼接

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。

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。