门式刚架轻型钢结构设计浅析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 1 年第 1 O 期 总第 1 6 0期 门式刚架轻型钢结构设计浅析 彭功生 ， 董红丽 I 中交第三航务工程勘察设计院有限公司． 上海2 0 0 0 3 2 【 摘要】 门式刚架轻型钢结构由于具有 自 重轻、 耗材少 、 基础造价低 ， 施工速度快 、 环境污染少等优点， 在 实际工程中的应用十分广泛。结合门式刚架轻型钢结构体系以及作者在工程设计中经常遇到的一些常见问题， 本文对门式刚架轻型钢结构设计进行简单的总结和探讨。 【 关键词】 轻钢结构； 计算长度； 抗剪键 【 中图分类号】 T U 3 9 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 1 1 0 0 O 6 4 0 2 由于具有强度高、 构件尺寸小、 自 重轻、 施工速度快， 抗 震性能好及工业化程度高的特点， 门式刚架轻型钢结构在 现代建筑中得到广泛发展和应用， 特别在工业厂房和仓库 等的建设中更是占据重要的地位。由于传统观念及其他原 因， 多年以来钢结构的发展及应用较钢筋混凝土结构迟缓， 许多业主甚至设计人员对钢结构建筑多方面的优越性认识 还不够， 因此 ， 为了更好的适应新形势下钢结构建筑发展的 要求， 设计人员更需要不断充实对钢结构设计思维。 结合钢结构设计规范和作者从事轻型门式刚架结构的 设计经验， 本文归纳和总结 了门式刚架轻型钢结构体系在 工程设计中常见问题 ， 抛砖引玉， 供各位同行共同探讨。 1 刚架梁计算长度 门式刚架的梁柱构件一般为实腹式焊接工字钢或轧制 H型钢， 中柱为摇摆柱时， 中柱截面也可用箱形截面。为减 少用钢量， 降低工程造价， 构件截面通常采用变截面形式。 梁柱截面通常是尽量采用较大高度， 减小腹板厚度 ， 以便实 现截面最大抗弯承载能力。因此 ， 在门式刚架的实际设计 中， 刚架梁的截面通常是由整体稳定控制 ， 计算长度的选取 对结构设计的经济性起到重要的作用。例如， 以一双轴对 称工字型截面刚架梁为例， 钢材材质选用 Q 2 3 5 B钢， 平面外 回转半径 i 5 e m， 稳定系数按下式计算 b 1 ． 0 7 一 A - f ／ 4 4 0 0 2 3 5 A ≤1 2 0 当平面外计算长度 L 3 m时， A 6 0 ， 0 ． 9 2 ； 当平 面外计算长度 L 6 m时， A --1 2 0 ， 0 ． 6 7 。由此可见， 平 面外计算长度取值对稳定应力计算的影响。 在门刚设计中， 有的设计人员对刚架梁平面外计算长 度取隅撑间距或两倍隅撑间距 ， 实际上， 由于隅撑都是采用 普通螺栓连接， 且与隅撑上端相连的檩条也是通过普通螺 栓与刚架粱上翼缘连接， 因此， 只有梁下翼缘发生一定的侧 向位移时 ， 隅撑才能起到侧向支撑点的作用， 考虑到梁上翼 缘同时也会发生侧向移动， 梁上翼缘侧向支撑点中部位置 的隅撑作为支撑点的作用将进一步削弱。因此， 如考虑隅 撑作为下翼缘侧向支撑点。 应取靠近系杆所在位置的隅撑。 2 系杆设计 在一般的轻钢结构中， 屋面支撑多采用带张紧法兰的 圆钢 ， 只能承受拉力， 如果不设置能传递压力的系杆， 屋面 支撑就无法形成有效传递水平力的平面桁架结构。系杆一 般单独设置， 并与柱间支撑布置相配合。截面选择多采用 热轧无缝钢管， 有时也可由檩条或屋面钢天沟兼作， 此时檩 条或屋面钢天沟及其连接节点应满足对压弯杆件的刚度、 承载力和构造要求， 并且， 连接位置应与柱问支撑位置相一 致， 以便于传力直接。 常用的设计软件中， 对系杆的设计时， 通常是与屋面支 撑同时进行， 将总的风荷载除以一列柱的柱间支撑数后， 作 为节点集中荷载施加到屋 面支撑与系杆组成的水平桁架 上。这种处理对屋面支撑设计没有什么问题， 但对系杆来 说， 值得商榷。由于风荷载是 由柱间支撑共同承受传递到 基础上， 在每一列系杆中， 沿纵向方向是一个水平力逐渐分 配的过程 ， 每经过一个柱间支撑所在位置 ， 轴力便分配一 次， 所以， 对所有的系杆统一取一荷载进行设计， 势必对房 屋端部位置的系杆偏于不安全， 而对中间位置的系杆又偏 于保守。建议在对系杆设计时， 对不同位置的系杆采用不 同的风荷载系数进行设计， 以-y q 柱布置三道柱间支撑为 例， 风荷载总体形系数为 1 ． 3 ， 迎风面为 0 ． 8 ， 背风面为 一 0 ． 5 。从迎风面开始， 抗风柱至第一个柱间支撑间 包括柱 间支撑所在的柱问 承担的风荷载比例为0 ． 8 。第一列柱间 支撑至第二列柱间支撑间 包括柱问支撑所在的柱问 承担 的风荷载比例为 0 ． 81 ． 3 ／ 3 0 ． 3 7 ， 以此类推得到所有系 杆风荷载分配系数， 设计时， 应考虑左风和右风的分别作 用。 3 抗剪键的设计 由于门刚结构 自重较轻， 在风荷载较大地区的工程设 计中， 有时会出现剪力较大， 而竖向力较小， 甚至会出现拔 力的情况， 此时， 单单靠柱底板与基础顶面的摩擦力难以抵 抗水平力 ， 因而， 需要设置抗剪键来分担水平剪力。抗剪键 一 般采用截面刚度较大的槽钢或工字钢等型钢来制作 ， 型 钢的长度方向与水平剪力的方向平行， 并采用角焊缝与柱 底板连接。抗剪键的截面和连接焊缝应进行计算确定 ， 焊 缝设计计算一般只考虑正面角焊缝的作用， 计算公式如下 L ． 一 0 ． 4 N ／ 0 ． ， IB 4 O 式中， 为正面角焊缝总长度 ； 为最不利组合时柱 底最大剪力； N为对应 时柱底轴力； 为角焊缝设计 彭功生等 门式刚架轻型俐结构驶汁浅析 6 5 值 ； 届 为正面角焊缝强度设计值增大系数， 可取 1 ． 2 2 基础施工时， 需预留抗剪键槽 ， 抗剪键槽的平面尺寸较 抗剪键截面尺寸稍大， 具体以方便二次灌浆为宜。 4工程实例 某仓库结构形式为双跨 门式刚架轻型钢结构， 单跨跨 度为4 5 m， 柱距 7 ． 2 m， 边柱柱顶标高 8 ． 7 3 0 m， 中柱为摇摆 柱。仓库屋面为压型钢板屋面， 四周为砌体围护结构。每 列柱 。 沿纵向共布置四道柱间支撑 ， 为门式支撑。工程所在 地地震设防烈度为 6 度 ， 设计地震分组为第二组 ， 基本风压 为 1 ． 0 k N ／ m 。刚架设计时， 屋面恒载取 0 ． 3 k N ／ m ， 活载取 0 ． 3 k N ／ m ， 结构设计软件采用 S T S计算 软件。 由于风荷载和刚架跨度较大 ， 为了减少基础造价， 降低 对地基承载力要求 ， 刚架柱柱底均采用铰接。根据各榀刚 架受荷面积， 以及风荷载体型系数的不同， 所有刚架沿纵向 分为三个标准刚架， 两榀端刚架为 G J 1 ， 两端第二榀刚架为 G J 2 ， 其余各榀为 G J 3 。以G J 3为例， 钢构件除中间摇摆柱为 箱形截面以外 ， 其余构件截面形式均为变截面焊接工字钢。 结构设计时， 刚架梁平面内计算长度按程序默认取值， 平面 为计算长度取系杆间距 5 ． 0 r n 。刚架柱平面内计算长度按程 序默认取值， 平 面计算长度取 3 ． 0 m 。所用钢 材材质 为 Q 3 4 5 B钢 结合弯矩包络图， 剐架梁共分为十一个分段， 考 虑运输方便， 最大分段长度为 1 2 ． 5 m。根据计算结果 ， 刚架 柱断面尺寸为 6 0 0一 l 1 0 0 3 0 0 X 8 X 1 4 ， 两侧与刚架柱相 连接的刚架粱分段截面为 9 0 0～1 5 0 0 x 2 7 0 X 8 x 1 4 ， 跨中 刚架梁最大截面为 1 6 0 03 0 0 81 4， 中柱柱顶刚架梁最 大截面为 1 5 0 0 2 7 0 8 X1 4 。 屋面系杆结合山墙抗风柱布置 ， 间距 5 m， 沿纵向方向分 别取两种截面形式， 第一道柱间支撑与第二道柱间支撑问 系杆哉面为 1 4 o X 4 ． 5热轧无缝钢管， 第二道柱间支撑与 第三道柱问支撑间系杆截面为 1 0 8 X 4 ． 0热轧无缝钢管， 第三道柱间支撑与第四道柱间支撑间系杆截面为 b 1 4 0 4 ． 5 热轧无缝钢管， 各系杆截面均满足强度 、 构造要求， 系杆 布置图如图 1 所示。柱脚底部抗剪键计算采用 1 4 轻型槽 钢 ， 长度 1 5 0 m m ， 与柱底端板周边角焊缝连接。基础顶面相 应位置预留抗剪键槽 ， 深 1 5 0 由于柱底端板与基础顶面问 有 5 0 m m后浇混凝土， 抗剪键槽实际深度为 2 0 0 m m ， 抗剪 键槽平面尺寸为2 0 01 4 0 ra m， 如图2所示。 VV VV 器5 o 7 2 0 0 7 2 0 0 7 2 0 0 7 2 0 0 7 2 0 0 7 2 0 0 7 2 0 0 7 2 0 0 7 2 o 0 ◎ ⑧ ④ ⑩ ⑩ ⑩ ⑩ ⑧ ⑤ ⑨ 图1 系杆布置图 的问题， 以供同行参考。 图2柱脚详 图 5结语 随着我国经济的高速发展和建筑规模的不断扩大， 门式 刚架轻型钢结构在我国的应用 13益广泛。但由于许多设汁 人员和施工单位对这种结构了解不多， 很多设计细节问题还 需要广大的设计人员在实际工作中不断地完善 不仅要对 刚架本身进行设计， 作为一个结构体系， 还应埘结构布置、 支 撑系统 、 构件的连接及节点构造做详细综合的考虑 只有充 分理解该类结构的设计概念 ， 才能使设计的结构 更经济 、 更 安全。结合作者进行门式刚架轻型钢结构的工作经验， 本文 介绍了门式刚架轻型钢结构体系特点和一些没计时常遇到 7 0 0 6 ． 4 5 0 0 ． 0 O O 参考文献 杨风第， 周永麟 ．轻型钢结构房屋柱基础设计的探讨[ J ] ． 钢 结构， 2 0 0 5 ， 5 ． 何天森， 李闺强 ．平端板连接组合节点忡能研究[ J ] ． 建筑钢 结 构进 展， 2 0 0 4， 6 ． G B 5 0 0 1 1 ． ． 2 0 1 0 建筑抗震设汁规范[ S ] ． 钢结构没i t 手册 上册 [ M] ． 第三版． 北京 中国建筑工业 } { J 版社 ， 2 0 0 4 ． 收稿 日期] 2 0 1 1-一 0 5一I 3 [ 作者简介] 彭功 1 9 7 9 一 ， ， 安徽庐江人， 工学硕士， I 程帅， 从事结构设计工作。 、j 1 』 n 键