第二章轻型门式钢刚架设计的基本理论

第二章 轻型门式钢刚架设计的基本理论

第一节结构布置和材料选用

一、结构组成

轻型门式钢刚架的结构体系包括以下组成部分： （1） 主结构：横向刚架（包括中部和端部刚架） （2） 次结构：屋面檩条和墙面檩条等； （3） 围护结构：屋面板和墙板； （4） 辅助结构：楼梯、平台、扶栏等； （5） 基础。

图2-1给出了轻型门式钢刚架组成的图示说明。

、楼面梁、托梁、支撑体系等;

图2-1轻型钢结构的组成

平面门式刚架和支撑体系再加上托梁、 楼面梁等组成了轻型钢结构的主要受力骨架，

又为主结构梁柱提供了部分侧

即

主结构体系。屋面檩条和墙面檩条既是围护材料的支承结构，

向支撑作用，构成了轻型钢建筑的次结构。屋面板和墙面板起整个结构的围护和封闭作用， 由于蒙皮效应事实上也增加了轻型钢建筑的整体刚度。

外部荷载直接作用在围护结构上。 其中，竖向和横向荷载通过次结构传递到主结构的横 向门式刚架上，依靠门式刚架的自身刚度抵抗外部作用。 纵向风荷载通过屋面和墙面支撑传 递到基础上。

二、结构布置

轻型门式钢刚架的跨度和柱距主要根据工艺和建筑要求确定。

结构布置要考虑的主要问

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题是温度区间的确定和支撑体系的布置。

考虑到温度效应，轻型钢结构建筑的纵向温度区段长度不应大于

不应大于150m。当建筑尺寸超过时，应设置温度伸缩缝。温度伸缩缝可通过设置双柱，或 设置次结构及檩条的可调节构造来实现。

支撑布置的目的是使每个温度区段或分期建设的区段建筑能构成稳定的空间结构骨架。 布置的主要原则如下：

（1） 柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内形成抵抗纵向荷载的支撑桁架。支撑

桁架的直杆和单斜杆应采用刚性系杆，

交叉斜杆可采用柔性构件。刚性系杆是指圆管、H型

截面、Z或C型冷弯薄壁截面等， 柔性构件是指圆钢、 拉索等只受拉截面。 柔性拉杆必须施 加预紧力以抵消其自重作用引起的下垂；

（2） 支撑的间距一般为 30m-40m，不应大于60m ；

（3） 支撑可布置在温度区间的第一个或第二个开间，当布置在第二个开间时，第一开 间的相应位

置应设置刚性系杆；

（

4）

300m，横向温度区段

45 -的支撑斜杆能最有效地传递水平荷载，当柱子较高导致单层支撑构件角度过 大时应考虑设置

双层柱间支撑；

（5） 刚架柱顶、屋脊等转折处应设置刚性系杆。结构纵向于支撑桁架节点处应设置通 长的刚性系

杆；

（6） 轻钢结构的刚性系杆可由相应位置处的檩条兼作，刚度或承载力不足时设置附加 系杆。 除了结构设计中必须正确设置支撑体系以确保其整体稳定性之外， 过程中的整体稳定性。 安装时应该首先构建稳定的区格单元， 定单元上直至完成全部结构。 架部分。

还必须注意结构安装

然后逐榀将平面刚架连接于稳

在稳定的区格单元形成前， 必须施加临时支撑固定已安装的刚

三、材料选择

1、材料类型

钢结构常用类型有：碳素结构钢、低合金结构钢、高强度钢、耐火耐侯钢等。其中，轻 型钢结构一般采用碳素结构钢和低合金结构钢。

（1） 碳素结构钢

按含碳量的大小，碳素结构钢可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。一般而言，含碳量为

0.03— 0.25%的称为低碳钢；含碳量在0.26— 0.60%之间的称为中碳钢；含碳量在0.60— 2.00% 的称为高

碳钢。含碳量越高钢材强度越高，建筑结构中主要使用低碳钢。按钢材质量，

碳素

结构钢可分为A、B、C、D四个等级，由A到D表示质量由低到高。不同质量等级对冲 击韧性（夏

比 V型缺口试验）的要求有区别。 A级无冲击功的规定；B级要求提供20 C

时冲击功Ak - 27J （纵向）；C级要求提供0C时冲击功Ak - 27J （纵向）；D级要求提供

-20 C时冲击功Ak >27J （纵向）。按冶炼中的脱氧方法，钢材可分为沸腾钢（

钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ）四类。碳素结构钢的牌号和表示方式见表

F）、半镇静 2-1所示。

表2-1碳素结构钢的表示方法 牌号 质量等级 脱氧方法 说明 钢材牌号由代表屈服 点的字母Q屈服点、 质量等Q195 Q215 A F、b、Z F、b、Z 35

B Q235 级和脱氧方法 四个部分顺A F、b、Z 序组成。 36

B C D A B 如： Z TZ Z Z Q235-A? F Q235- B ? b Q255 Q275 （2） 低合金结构钢

低合金钢是在碳素结构钢中添加一种或几种少量的合金元素（钢内各合金元素的总含 量小于5%），从而提高其强度、耐腐蚀性、耐磨性或低温冲击韧性。低合金结构钢的含碳 量一般较低（少于 0.20%），以便于钢材的加工和焊接。低合金结构钢

质量等级分为 A、B、

C、D、E五级，由A到E表示质量由低到高。不同质量等级对冲击韧性（夏比 V型缺 口试验）的要求有区别。A级无冲击功要求；B级要求提供20C°时冲击功Ak> 34J（纵 向）；C级要求提供0C°时冲击功Ak >34J （纵向）；D级要求提供—20C。时冲击功Ak >34J （纵向）;E级要求提供—40C。时冲击功Ak >34J （纵向）。不同质量等级对碳、 硫、磷、铝的含量的要求也有区别。低合金钢的脱氧方法为镇静钢（ （TZ ）

表2-2低合金结构钢的表示方法 Z）或特殊镇静钢

牌号 Q295 Q345 质量等级 A B A B C D E 脱氧方法 Z TZ、Z 说明 钢材牌号由代表屈服 点的字母Q屈服点、 质量等级和脱氧方法 四个部分顺序组成。 如： Q390 A B C D E TZ、Z Q420 A B C D TZ、Z Q460 E C D E Q345B屈服强度 345N/mm, B级镇静 钢； Q390D屈服强度 390N/mrn, D 级特殊 镇静钢； Q345C屈服强度 345N/mm, C级特殊 镇静钢； Q390A屈服强度 390N/mrri, A 级镇静 钢。 TZ 碳素结构钢用于一般受弯构件可以充分利用钢材的强度，而挠度和稳定的潜力很难充 分发挥；而低合金结构钢构件的强度、挠度和稳定三个主要控制指标较易均衡地得以发展, 同碳素结构钢相比可以节约 20%左右的钢材用量。

2、钢材规格 钢结构所用的钢材主要为热轧成型的钢板和型钢、冷弯成型的薄壁型钢等。

（ 1） 钢板 钢板主要有厚钢板、薄钢板和扁钢（带钢） 。

厚钢板：厚度 4.5— 60mm，宽度600 — 3000mm，长度4— 12m； 薄钢板：厚度 1.0— 4mm，宽度500— 1500mm，长度0.5 — 4m； 扁 钢：厚度 3— 60mm，宽度10— 200mm，长度3—

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9m。

厚钢板主要用于焊接梁柱构件的腹板和翼缘及节点板， 薄钢板主要用于制造冷弯薄壁型 钢，扁钢可作为节点板和连接板等。

（ 2） 热轧型钢

钢结构常用热轧型钢为角钢、槽钢、 圆管、 工字钢和宽翼缘工字型截面等。宽翼缘工字 型截面可用于轻型钢结构中的受压和压弯构件， 其他型钢截面在轻型钢结构中一般用于辅助 结构或支撑结构构件。

（ 3） 薄壁型钢 薄壁型钢的截面尺寸可按合理方案设计， 能充分发挥和利用钢材的强度、 节约钢材。 薄 壁型钢的壁厚一般为 1.5— 5mm，但承重构件的壁厚不宜小于

2mm。常用薄壁型钢截面有槽

形、卷边槽形（C形）、Z形等。轻型钢结构中的次结构构件如檩条等一般采用薄壁型钢。

3、钢材选用 钢材选用的原则是既使结构安全可靠地满足使用要求，又尽量节约结构钢材和降低造 价。

一般而言，轻型钢结构设计中钢材的选择应考虑以下方面：

（ 1 ） 结构类型及其重要性

结构可分为重要、 一般和次要三类。 重级工作制吊车梁和特别重要的轻型钢结构主结构 及次结构构件属于重要结构；普通轻型钢结构厂房的主结构梁柱和次结构构件属于一般结 构；而辅助结构中的楼梯、平台、栏杆等属于次要结构。重要结构可选用

—C或D ;一般结构可选用 Q235 — B ;次要结构可选用 Q235 — B ? F。

（ 2）荷载性质 荷载可分为静力荷载和动力荷载两种， 动力荷载又有经常满载和不经常满载的区别。

直 接承受动力荷载的结构一般采用

16Mn 钢或 Q235

Q235—B、 Q235—C、 Q235—D 及 16Mn 钢，对于环境温

Q235— B ? F。承受静力荷

Q235 — B和Q235 — B ? F。

-20 C时宜选用 Q235- C

度高于-20C、起重量 Q<50t的中、轻级工作制吊车梁也可选用 载或间接承受动力荷载的结构可选用

（ 2） 工作温度

根据结构工作温度选择结构的质量等级。例如，工作温度低于 或Q235- D;高于-20 C时可选用 Q235- B。

第二节 结构设计的一般原则

一、背景

建筑结构的设计方法有容许应力设计法和极限状态设计法两类。

容许应力设计法是建立

在经验和近似假定基础上的设计方法。 极限状态设计法是将荷载和材料强度处理为随机变量 的建立在概率理论基础上的设计方法， 目前在国际上已被广为应用。 我国自 《钢结构设计规 范》（GBJ17-87 ）⑹和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》

（GBJ18-88 ） [5]起已经采用了极限状态

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