(房屋钢结构设计课件)第一章—刚架设计

Wefnx 、Wefny—对主轴x和y的有效净截面抵抗矩；
M x 、M y —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 V 0.5Vd 时 M M e
当 0.5Vd V Vd 时
M
Mf
Me M f
1
V 0.5Vd
2
1
当截面为双轴对称时 M f Af hw t f
注意：考虑屈曲后强度的相关公式，当剪力V大于0.5Vd时，腹板
所能承担的弯矩应乘以一个折减系数
1
V 0.5Vd
2 1
▪ 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 V 0.5Vd 时
M
M
N e
M
N e
Me
NWe
Ae
当 0.5Vd V Vd 时
1.3 刚架设计
❖ 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
1.3.1荷载及荷载组合
➢ 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。
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。
加劲肋的计算
▪ 加劲肋稳定性验算按规范规定进行，计算长度取腹板高度
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
▪ 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。
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
直到板边缘应力达到 f y 才达到极限承载力。
有效宽度
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: he hw 当腹板部分受拉时： he hc
有效宽度系数，与板件局部稳定的临界应力 cr 有
关，以通用高厚比 p f y / cr 作为参数，分为三个阶
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
一 梁、柱板件宽厚比和腹板屈曲后强度的利用
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，λ1和 λ2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
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
hw 2hw
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
h0 tw
当腹板 h0 不满足要求时，在弯矩作用下腹板局 部会发生弹tw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，
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：
1. 最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值。 2. 最大弯矩Mmax和同时出现的V及N的较大值。 3. 最小轴压力Nmin和相应的M及V，出现在永久荷
▪ 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
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
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
M
M
N f
M
N e
M
N f
1
V 0.5Vd
2
1
当截面为双轴对称时
M
N f
Af
hw
t f
N
A
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
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：
b1 15 235
t
fy
▪ 工字形截面梁、柱构件腹板的宽
厚比：
hw 250 235
tw
fy
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
hw ≤160 235
tw
fy
有桥式吊车时，取 hw ≤140 235
tw
fy
刚架斜梁：取
hw ≤180 235
tw
fy
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
受剪板幅屈曲后 强度的利用
有效宽度 理论计算
拉力场理 论计算
1. 腹板受剪板幅屈曲后强度利用——拉力场理论 腹板屈曲后的实腹梁犹如一桁架：
基本假定：①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；②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：
Vd
hwtw
f
v
w≤0.8时，
fv fv
0.8＜w＜1.4时，
f
v
1 0.64w 0.8
fv
w≥1.4时，
五 变截面柱在刚架平面内的计算长度
楔形柱在刚架平面内的计算长算） •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：
载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M=0。
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。
➢ 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。
hw，截面取加劲肋全部和其两侧各 15tw 235 fy 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。
不需要设置横向加劲肋的条件
• 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
h0 tw
段，完全弹性、完全塑性及弹塑性，即：
p 0.85时， 1.0
0.8 p 1.2时, 1 0.9(p 0.8)
p 1.2时，
0.64 0.24(p 1.2)
p
fy
hw / tw
cr 28.1 k 235 f y
腹板的有效宽度按下列规则分布：
腹板全部受压时： he1 2he / 5
K1 Ic1 h
K2 Ib0 2s
表中和式中
Ico、Ic1 —分别为柱小头和大头的截面惯性矩； Ib0 —梁最小截面的惯性矩；
s —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1—2
K2／Kl
0.1
0.2
O.3