轻型门式刚架——计算原理和设计实例

轻型门式刚架——计算原理和设计实例 <1>　

轻型门式刚架

——计算原理和设计

绪 言

铁曾经在西方工业革命中起了十分重要的作用。由生铁冶炼为钢材的思想始于1855年，到1879年钢材冶炼技术逐渐成熟。金属结构的应用历史大致可分为三个时期[1]：（一）、1780—1850年的铸铁时期；（二）、1850—1900年的锻铁时期；（三）、1880至今的钢结构时期。

1880—1900年代，钢结构主要由热轧截面和铆接连接构成，结构体系大多为静定结构，其稳定性主要由支撑来保证，设计计算主要针对构件采用弹性理论和容许应力设计法；1930年代起，焊接技术带来了钢结构制造业的根本性变革，实截面的焊接框架代替了精致的铆接结构，梁柱刚性节点替代了支撑以保障结构的稳定性，设计计算逐渐针对整个框架采用弹塑性理论和极限状态方法；冷弯薄壁型钢自1940年代起在钢结构建筑中得到了广泛的应用，考虑板件局部失稳后极限强度的设计方法以及考虑板材与框架体系共同作用的设计方法逐渐得到发展。

我国钢结构体系的发展大致经过了这样的时期：1990年以前，钢结构建筑在工业领域中的主要应用是重型厂房中的排架结构体系，在民用领域中的主要应用是螺栓球或焊接球网架结构；自1990年代起，钢结构在我国进入了快速的全面的发展和应用时期。门式钢刚架结构被大量应用于工业厂房、超市、仓库中；钢框架在多高层建筑中也得到了越来越多的应用；薄壁彩钢板已大量应用于各类结构的维护体系和无梁无柱穹顶中；钢管直接汇交焊接结构及其与高强度拉索的组合结构已推广应用于各类体育、文化等公共建筑中；冷弯薄壁型钢截面除广泛应用于檩条等维护结构构件外也开始作为结构的主要受力构件或其组成部件得到应用。

现代钢结构体系由热轧截面、焊接截面和冷弯薄壁型钢截面构件组成。人们往往将钢结构划分为普通钢结构和轻型钢结构两大类。但是，究竟如何定义或区分这两类结构，却存在着很多不同的标准。例如，结构跨度的标准，结构层数的标准，结构用途的标准，吊车吨位的标准等。这些标准都有一定的合理性，但是都是建立在结构体系外在因素或特征基础上的。事实上，轻型钢结构体系的本质是“轻”，实现这一本质的条件是截面板件要“薄”，设计时必然要考虑板件局部失稳后的极限强度。所以，从结构工作机理和设计计算原理的角度出发，轻型钢结构体系是指“结构构件采用较薄板件，设计时考虑板件局部失稳后的后继强度的钢结构体系”。

门式钢刚架是典型的轻型钢结构，也是目前国内应用最为广泛的轻型钢结构。早期典型的门式钢刚架是1910年布鲁塞尔世博会的德国机械工程展厅，采用了多层阶形钢框架结构；1932年建成的德国埃森煤矿税收协会采用了门式钢框架结构[30]。现代轻型门式钢刚架体系是由国外钢结构专业公司引入我国的，它包括主结构系统（刚架、支撑、抗风柱等）、次结构系统（屋面和墙面檩条等）、辅助结构体系（挑檐、雨蓬、女儿墙、楼梯、吊车梁等）、围护板材体系、柱脚和基础等。

近几年来，已有若干轻型门式钢刚架结构及薄壁型钢结构的设计规程规范编写出版[1]-[5]，有的经数年的应用和实践正在修订中，也有一些轻型钢结构的设计手册及专著出版发表[8]-[17]。但是，现有的轻型钢结构方面的出版物还不能满足广大设计人员的需求。本书按照轻型门式钢刚架各组成部分，力求通俗易懂地阐述其受力特点、计算理论、设计思想、连接节点和构造细节。本书的特点之一是简洁地叙述了轻型钢结构计算和设计的理论及原理，而不仅仅满足于向读者简单描述公式和方法；特点之二是结合近年来国内工程的实践经验，对于支撑、檩条和屋面板材采用3D3S软件进行了参数化分析，给出了可供用户直接选用的表格和规格；特点之三是对于轻型门式刚架的各个组成部分都给出了典型的设计和计算例子，并在全书最后给出了整体结构完整的设计例子和相应的设计施工图，可供读者参照使用。本书第一、第五和第七章由黄明鑫、钱卫军、张莉撰写；第二章由张其林、吴杰、于贵景撰写；第三章由龚铭、刘沈如、刘振华撰写；第四章由罗晓群、刘沈如、王忠全撰写；第六、八、九章由刘沈如、刘振华、于贵景、王忠全撰写。杨冰、姜峰、程立新、周骥、秦雅菲等参与了本书例题的计算和整理。全书由张其林修改审定。本书可供设计单位、钢结构工程公司设计人员、大专院校学生和研究生作工程设计和教学学习参考用书。









目录

绪言

第一章 轻型门式刚架加工制造的基本知识

第一节 H型钢的制作及其设备 1

第二节 围护系统的制作及其设备 10

第三节 钢结构防腐处理 15

第四节 钢结构防火处理 24

第二章 轻型门式刚架设计的基本理论

第一节 结构布置和材料选用 34

第二节 结构设计的一般原则 37

第三节 计算模型和计算理论 40

第四节 稳定设计的基本知识 45

第四节 优化设计的基本知识 55

第三章 主结构及其支撑体系

第一节 主刚架的设计和构造 62

第二节 山墙刚架的设计和构造 77

第三节 伸缩缝处刚架的构造 81

第四节 托梁及屋面单梁设计 82

第五节 结构支撑体系 86

第六节 主刚架工程设计实例 94

第四章 次结构及其连接构造

第一节 冷弯薄壁型钢的一般特点 125

第二节 有效宽度法的基本概念 126

第三节 屋面檩条的构造和计算 130

第四节 墙面檩条的构造和计算 141

第五节 若干问题讨论 142

第六节 檩条计算设计实例 150

第七节 檩条规格选用附表 153

第五章 辅助结构系统

第一节 雨篷和挑檐 170

第二节 吊车梁和牛腿 173

第三节 楼梯和栏杆 189

第四节 检修平台和女儿墙 192

第六章 围护材料及其连接构造

第一节 金属屋面的主要类型 216

第二节 压型钢板的构造和规格 220

第三节 复合保温板的构造和规格 224

第四节 金属屋面板的连接 226

第五节 金属屋面板的设计 235

第六节 加气混凝土屋面ALC板 247

第七节 墙面板 250

第八节 保温隔热 256

第九节 门窗 257

第十节 采光和通风 258

第七章 连接件和密封材料

第一节 螺栓 259

第二节 锚栓 262

第三节 自攻螺丝 269

第四节 密封带条和密封膏 270

第八章 基础设计

第一节 基础设计的特点 273

第二节 基础设计的特殊处理措施 275

第三节 典型柱基础细部详图 281

第四节 柱底板和锚栓 283

第五节 基础设计实例 287

第九章 应用实例 291

参考文献 307






第一章 轻型钢结构加工制造的基本知识

轻型钢结构工程是一个系统工程，它包括设计、加工制造和施工安装三个过程；包含的具体内容有：主结构系统、次结构系统和围护系统三大方面。了解轻型钢结构各个组成部分的加工制造过程对于工程师而言是十分必要的。

主结构系统包括主刚架和支撑体系。支撑体系包括水平支撑、柱间支撑和刚性系杆等部分。由于支撑体系采用的构件大多为圆钢、角钢和钢管等，构件简单、制作方便，且支撑体系节点多为标准节点，因此这部分产品大多为各公司的标准产品。

本章仅从轻型钢结构的主刚架和围护系统两方面介绍轻型钢结构的加工制造；同时介绍钢结构的防腐处理和防火处理的相关知识。

第一节 H型钢的制作及其设备

轻型钢结构的主刚架包括门式刚架和山墙抗风柱等部分。主刚架作为建筑结构的骨架，支承整个建筑结构系统，承受和传递着各类荷载。根据跨度、高度及荷载的不同，门式刚架的梁、柱一般采用变截面或等截面的实腹式焊接H型截面或轧制H型截面。变截面构件通常改变腹板的高度做成楔形形状，必要时也可改变腹板的厚度。结构构件在运输单元内一般不改变翼缘截面，邻接的运输单元可采用不同厚度和宽度的翼缘截面。因受加工设备限制，H型钢截面高度一般不能超过2m。下面将按焊接H型钢生产工艺流程的顺序介绍焊接H型钢的制作机器设备。

一、 板材下料切割

板材下料切割的方法有：机械切割法、气割法、等离子切割法等。

在钢结构制造厂中，一般情况下，钢板厚度在12～16mm以下的直线型切割，采用剪切下料。常用的剪切机械有剪板机。

气割多用于带曲线的零件和厚钢板的切割。气割能切割各种厚度的钢材，设备灵活、费用经济、切割精度较高，是目前使用最广泛的切割方法。气割按切割设备可分为：手工气割、半自动气割、仿型气割、多头气割、数控气割和光电跟踪气割。焊接H型钢生产线的下料设备一般配备数控多头切割机或直条多头切割机，此类切割设备是高效率的板条切割设备，纵向割矩可根据要求配置，可一次同时加工多块板条。（见图1-2）

各类型钢以及钢管等的下料通常采用锯割。常用的锯割机械有：弓形锯、带锯、圆盘锯、摩擦锯和砂轮锯等。

等离子切割主要用于熔点较高的不锈钢材料及有色金属的切割。

二、 板材矫正整平

H型钢在组立焊接之前，先要对原材料（钢板）进行矫正、整平。常用的机械设备有板条矫平机（见图1-3）。

三、 H型组立、焊接

矫平的钢板（翼缘板、腹板）进入H型钢自动组立机，在组立生产线上，将未焊接的翼缘板和腹板先工作组立器具定位好，进行头部定位焊。此类设备一般都采用PLC可编程序控制器，对型钢的夹紧、对中、定位点焊及翻转实行全过程自动控制，速度快、效率高。（见图1-4）组立好的H型钢进入焊接机，H型钢生产配备的焊机一般为埋弧自动焊机，从类型上可分为门式焊接机（见图1-5）及悬臂式焊接机两种类型。焊机一般都配备有焊缝自动跟踪系统、焊剂自动输送回收系统及快速返程功能。

四、 H型矫正

轻型钢结构构件的翼缘、腹板通常采用较薄的钢板，焊接容易产生比较大的焊接变形，且翼缘板与腹板的垂直度也有偏差，这时需要通过矫正机对焊接后的H型钢进行矫正。（见图1-6）。

五、 钻孔、锁口、抛丸、涂装

钢结构的连接节点多采用高强螺栓，因此孔加工在钢结构制造中占有一定的比重。制孔

通常有钻孔和冲孔两种方法。钻孔是钢结构制造中普遍采用的方法，几乎能用于任何规格的钢板、型钢的孔加工。钻孔的精度高，对孔壁损伤较小。冲孔一般只用于较薄钢板和非圆孔的加工且孔径不小于钢材厚度的加工。冲孔生产效率虽高，但由于孔的周围产生冷作硬化，孔壁质量差等原因，通常只用于檩条、墙梁端部长圆孔的制备。

常用的边缘加工方法有：铲边、刨边、铣边、碳弧气刨、气割和坡口机加工等。H型钢端面铣床，用于焊接或轧制成型的H型钢、箱形截面梁柱的两端面铣削加工。铣边机利用滚铣切削原理，对钢板焊前的坡口、斜边、直边、U形边可一次同时铣削成形，耗能少操作维修方便。

钢构件在涂刷之前应进行除锈处理，构件表面的除锈方法分为喷射、抛射除锈和手工或动力除锈。喷射、抛射除锈设备的种类很多，如图1-7抛丸机适用于各种型材和板材的表面清理。

制做好的H型钢需要防腐，即涂刷油漆。详见第三节钢结构防腐处理。

图1－1给出了焊接H型钢的生产工艺流程。






图1－1 焊接H型钢的生产流程


制作好的焊接H型钢需经检查合格后方可编号打包发运，焊接H型钢的允许偏差见表１－１。

表1－1 焊接H型钢的允许偏差

项　　　　目 允许偏差 图　　　　例

截面高度（h） h<500 ±2.0

500≤h≤1000 ±3.0

h>1000 ±4.0

截面宽度（b） ±3.0

腹板中心偏移 2.0

翼缘板垂直度(Δ) b/1003.0

弯曲矢高 l/10005.0

扭曲 h/2505.0

腹板局部平面度（f） t<14 3.0

t≥14 2.0

部分H型钢的生产设备如图1-2～1－8所示。

图1－2 ESAB六米数控切割机




图1－3 W43-24X1000板条矫平机





图1－4 HG-1500组立焊




图1－5 ME-1-1000门型自动埋弧焊




图1－6 精工-Ⅲ型矫正机




图1－7 美国潘邦八抛头抛丸机

在H型钢的制做过程中，板材切割下料、矫正整平，拼装点焊、焊接及焊后翼缘矫正，按常规工艺是由多台设备来完成的。将以上工序集于一身的H型钢生产线具有结构紧凑、占地省、生产效率高等优点。下面介绍两条生产线：单面焊生产线（见图1-8）和通用H型钢生产线。

单面焊H型钢生产线采用低合金高强度钢板以卧式焊接机单面焊接，采用美国林肯公司的单弧双自动埋弧焊机。该生产线包含目前钢结构行业中规格最大的12m×8m大型剪板机，H型钢的腹板和翼缘板可用此剪板机一次性剪切下料，超过12mm厚的钢板采用等离子切割机进行切割。对于平整度不符合要求的钢板用9辊矫平机整平。整平后的翼缘板进入翼缘板生产线，经过对接、冲孔、切断而成为翼缘板半成品，进入焊接生产线。半成品经组立及头部定位焊后进入卧式焊接机，一次性焊接完成。

通用H型钢生产线由直条火焰切割机和12m×8m剪板机将钢板切割下料成腹板和翼缘板，经组立机到门型自动埋弧焊机焊接，再经翼缘矫正机矫正后成为焊接H型钢。矫正后的H型钢通过抛丸除锈处理后，涂底漆、编号发运。




图1－8 美国林肯单面焊生产线

钢结构的主刚架制作加工中，工作量最大的是节点的加工制作，包括节点处的开孔、端板的定位焊接、加劲板的定位焊接等工作。对梁柱上四个面都有加劲板的情况，梁柱还需要翻转焊接，构件的翻转需要采用特殊的翻转设备。翻转机如图1－9所示。

图1－9 钢结构节点加工用的翻转机

第二节 围护系统的制作及其设备

轻钢结构的围护系统包括檩条、墙梁、墙面及屋面彩板、楼面板、通风采光系统、排水系统和收边系统等。围护系统的制造是轻钢结构加工制造中技术含量最高的一部分，它直接决定了整个建筑的产品质量。下面通过相关设备来介绍围护系统的加工制造过程。

一、冷弯薄壁型钢檩条的加工制造

在轻型门式刚架结构中，檩条和墙梁通常采用卷边槽形（或称C型）和带斜卷边的Z型冷弯薄壁型钢。冷弯薄壁型钢一般由薄钢板通过檩条机冷弯辊压成型而成。对Z、C型冷弯薄壁型钢，钢板厚度一般为1.5～3mm，材质为Q235钢板、Q345钢板或G450高张力连续热浸镀锌钢板三种。檩条上的孔可采用冲孔。冷弯薄壁型钢檩条的制作偏差应符合表1－2。图1-11为众多檩条机中的一种。

表1－2 檩条尺寸的允许偏差

项目 符号 允许偏差（mm） 项目 符号 允许偏差（mm）

截面高度 h ±５ 翼缘孔中心至腹板外缘距离 A5 ±3

翼缘高度 b ±５-２ 腹板横向孔中心线距离 S1 ±1.5

斜卷边或直卷边长度 A1 ＋6-3 腹板纵向孔中心线距离 S2 ±1.5

翼缘不平度 θ１ ±3o 两端螺栓群中心距离 S3 ±3

斜卷边角度 θ２ ±5o 檩条构件的长度 l ±3

腹板孔中心至构件边缘距离 A2 ±3 弯曲矢高 c L/500

腹板孔中心至构件端部距离 A3 ±3 最小厚度 t 设计值t的0.95倍

翼缘孔中心至构件端部距离 A4 ±3

注：符号含义见图1-10。

图1－10 檩条的尺寸偏差

图1－11 HG-Ⅲ型檩条机

二、压型金属板的制作

彩色钢板建筑制品分为单层彩色压型钢板和复合夹芯板两类轻型建筑预制板材。

单层彩色压型钢板和复合夹芯板的原材料普通的彩色钢板（钢带）是由金属基材经过表面处理（热镀锌、热镀锌铝合金、热镀铝及电镀锌和热镀锌合金化钢板），再在其上覆盖彩色涂层（聚酯涂料、有机硅改性聚酯涂料、聚偏氟乙烯涂料，也可无涂层）制成。彩色钢板按其基板的用途不同、镀层不同、涂层不同可分为若干类别，彩板的选择要对金属基材、镀层、涂层分别进行确定。比较高级的彩板有以铝镁合金材料为基板的铝镁板。

单层彩色压型钢板的制作是采用压型机将彩钢卷通过连续完成的开卷、辊压、剪切而成的。

复合夹芯板的制作是采用两层彩板做面层，中间注入液体聚氨脂(PU)、聚苯乙烯（EPS）或岩棉，再固化加压一次成型制成。这种复合板具有承力、保温、装修、防水的综合功能。

成型后的压型钢板及泛水板、包角板的基板不得有裂纹；漆膜应无裂纹、剥落和擦痕等现象。表1－3为压型金属板的尺寸偏差项目。

表1－3 压型金属板的尺寸偏差项目

项 目 尺寸偏差（mm）

波 距 ±2.0

波 高 压型钢板 h≤70mm ±1.5

h>70mm ±2.0

压 型 铝 板 ±2.0

侧向弯曲 在测量长度l的范围内 压型钢板 20.0

压型铝板 25.0

注：（1）h为压型金属板截面高度。

（2）l为测量长度，系指板长扣除两端0.5m后的实际长度（小于10m）或扣除后人选的10m长度。

单层彩色钢板压型机是采用多道成型辊将彩色钢板连续冷弯成型的原理设计的。它由开卷机（架）、送料台、成型机、切断机和成品辊架五部分组成，当加工曲板时还需曲面冲压机。图1－12～1－13列出了一些彩色压型钢板的生产设备。

图1－12 H-450压型机

图1－13 H-475压型机

三、排水和收边系统

轻型钢建筑中，天沟、落水管、包边板等的制造质量对于防水功能至关重要。很多轻型钢建筑在这些地方都存在泛水、渗水现象，其中一个重要原因就是其包边板是手工折成而不是采用机械加工的，这些对建筑的排水效果及建筑外观效果都不利，而采用折弯机折弯的收边板产品质量较好。下图的折边机可以针对一定形状的包边，适应不同的彩色压型钢板的板型，对包边板进行折弯加工。这样加工出来的包边板与彩色压型钢板贴合紧密，防水性能好。图1－14为浙江精工科技有限公司开发研制的JZW800折边机。

图1－14 JZW800折边机

四、通风采光系统

衡量轻型钢建筑质量好坏的另一很重要的标准就是其屋面采光通风及防水系统产品的质量，它直接关系到轻型钢建筑的使用性能。这部分产品大多为专利产品，由钢结构公司或各相关专业厂家开发生产。

(a)采光天棚 (b)防水细部 (c)通风气楼

图1－15 屋面采光通风及防水

图1－15所示分别为采光天棚、防水细部做法和通风气楼，一般通风气楼或通风器有主动和被动排风两种形式，其型号、布置位置和布置数量与建筑的具体通风要求有关，可以根据通风器的排风能力进行计算。

第三节 钢结构的防腐处理

由于建筑钢材强度高、塑性韧性好、自重轻，加上钢结构具有制作简便、施工工期短，适用于跨度大、高度高、承载重的结构等优点，使钢材在建筑业中得到了广泛应用。

但是钢材耐腐蚀性和耐锈蚀性差。据发达国家的不完全统计，每年由于腐蚀造成的经济损失约占国民经济总产值的４％。钢结构的腐蚀不仅造成经济损失，也给结构的安全带来隐患，由于钢锈蚀而导致的工程事故也屡见不鲜。因此钢结构（特别是薄壁钢构件）的防腐处理具有重要的经济和社会意义。

一、 钢结构防锈与涂装的一般规定

１、钢结构的防锈及涂装设计应遵守《工业建筑防腐蚀设计规范》GB500046与《钢结构管道涂装技术规程》YB/T9256的有关规定；凡在钢结构工程设计中，均应有防锈涂装设计的内容。

２、钢结构防锈及涂装设计应综合考虑结构的重要性、环境侵蚀条件、维护条件及使用寿命，以及施工条件与工程造价等因素，合理的选用或确定钢材表面原始锈蚀等级、除锈方法与等级（《涂装前钢材表面锈蚀等级和涂装等级》GB8923）、涂料与涂装要求以及涂装施工的质量检验要求（《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205）等。

３、轻型钢结构构件应按表1-4所示外界条件对结构的侵蚀作用分类选择表面处理方法及配套涂料。

表１－４　　　　　　　　　　外界条件对轻型钢结构的侵蚀作用分类

序号 地区 相对湿度（％） 对结构的侵蚀作用分类

室内（采暖房屋） 室内（非采暖房屋） 露天

１ 农村，一般城市的商业区及住宅区 干燥，＜60 无侵蚀作用 无侵蚀作用 弱侵蚀作用

２ 普通，60～70 无侵蚀作用 弱侵蚀作用 中等侵蚀作用

３ 潮湿，＞７５ 弱侵蚀作用 弱侵蚀作用 中等侵蚀作用

４ 工业区，沿海地区 干燥，＜60 弱侵蚀作用 中等侵蚀作用 中等侵蚀作用

５ 普通，60～70 弱侵蚀作用 中等侵蚀作用 中等侵蚀作用

６ 潮湿，＞７５ 中等侵蚀作用 中等侵蚀作用 中等侵蚀作用

注：１　表中的相对湿度系指当地的年平均相对湿度，对于恒温恒湿或有相对湿度指标的建筑物，则按室内相对湿度采用。

　　２　一般城市的商业区及住宅区泛指无侵蚀性介质的地区，工业区则包括受侵蚀介质影响及散发轻微侵蚀性介质的地区。

二、 钢结构腐蚀的主要原因

防止钢结构腐蚀首先要了解钢材腐蚀的原因。

1. 常温下（100℃以下）钢材的腐蚀机理

常温下钢铁的腐蚀主要是电化学腐蚀。钢结构在常温大气环境中使用，钢材受大气中水分、氧和其他污染物（未清理干净的焊渣、锈层、表面污物）的作用而被腐蚀。大气的相对湿度在60％以下时，钢材的腐蚀是很轻微的；但当相对湿度增加到某一数值时，钢材的腐蚀速度突然升高，这一数值称为临界湿度。常温下，一般钢材的临界湿度为60％～70％。

当空气被污染或在沿海地区空气中含盐时，临界湿度都很低，钢材表面容易形成水膜。此时焊渣和未处理干净的锈层（氧化铁皮）作为阴极，钢结构构件（母材）作为阳极在水膜中发生电化学腐蚀。大气中的水分吸附在钢材表面形成的水膜是造成钢材腐蚀的决定因素；大气的相对湿度和污染物的含量是影响大气腐蚀程度的重要因素。

2. 高温下（100℃以上）钢材的腐蚀机理

高温下钢铁的腐蚀主要是化学腐蚀。高温状态下，水以气态存在，电化学作用很小，降为次要因素。金属和干燥气体（如O2、H2S、SO2、Cl2等）相接触，表面生成相应的化合物（氯化物、硫化物、氧化物），形成对钢材的化学腐蚀。

三、 钢结构腐蚀的防护方法

根据钢材腐蚀的电化学原理，只要防止或破坏腐蚀电池的形成或强烈阻滞阴、阳极过程的进行，就可防止钢材的腐蚀。采用防护层方法防止钢结构腐蚀是目前通用的方法，常用的保护层有以下几种：

１、金属保护层：金属保护层是用具有阴极或阳极保护作用的金属或合金，通过电镀、喷镀、化学镀、热镀和渗镀等方法，在需要防护的金属表面形成金属保护层（膜）来隔离金属与腐蚀介质的接触，或利用电化学的保护作用使金属得到保护，从而防止腐蚀。

２、化学保护层：通过化学或电化学方法使钢材表面生成一种具有耐腐蚀性能的化合物薄膜，以隔离腐蚀介质与金属的接触，来防止对金属的腐蚀。

３、非金属保护层：用涂料、塑料、搪瓷等材料，通过涂刷和喷涂等方法，在金属表面形成保护膜，使金属与腐蚀介质隔离，从而防止金属的腐蚀。

四、 钢材表面处理

钢材加工后到出厂之前，构件表面会不可避免的沾有油污、水分、灰尘等污染物以及存在毛刺、氧化铁皮、锈层等表面缺陷。由前面钢结构腐蚀的主要原因我们知道，污染物的含量是影响大气腐蚀程度的重要因素，且表面污物会严重影响涂料在钢材表面的附着力，并使漆膜下的锈蚀继续扩展，导致涂层失效或破坏，无法达到预期的防护效果。因此，钢材表面处理质量的好坏对涂层的防护效果及寿命的影响，有时甚至比涂料本身品种性能差异的影响更大，应予以重视。 《防蚀技术》中认为影响涂装质量的诸多因素所占的比例见表1-5。

表１－５　　　　　　　　　防腐涂装个因素对涂层质量的影响

影响质量的因素 影响程度（％）

表面处理（除锈质量） 49.5

涂层厚度（涂装道数） 19.1

涂料品种 4.9

其他（施工与管理等） 26.5

钢结构表面处理方法：手工工具除锈、滚动钢丝轮除锈、酸洗除锈、喷砂（丸）除锈、

化学转化膜、热浸镀、电镀、表面合金化以及射流控制真空除锈、激光除锈等。

　　在中等侵蚀作用环境中的承重钢构件，当其形状较复杂或体型较特殊时，可选用酸洗除锈方法。酸洗应有专门的工艺控制保证（不宜用盐酸），应附加缓蚀剂，并清洗到位，确保角、凹部位不致积酸，引起材质氢脆变异。

各类构件的物理除锈方法与等级可按表1-6选用。

表１－６　　 　　　　　　　各类构件的物理除锈方法与等级

构件种类 除锈方法 除锈等级

无侵蚀作用的一般构件 手工及动力工具除锈 （彻底）级或 级（非常彻底）

弱侵蚀作用的承重构件 喷射（丸、砂）除锈 （彻底）级或 级（非常彻底）

中等侵蚀作用的承重构件 喷射（丸、砂）除锈 级（非常彻底）

注：１　对使用期内很难维修的承重构件，其除锈等级宜适当提高（最高不超过 级）。

２　除锈前后应仔细消除油垢、毛刺、药皮、飞溅物及氧化铁皮等。

３　除锈及涂装工程的质量验收应符合《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205的规定。

五、 防腐涂料

钢构件的防腐涂层可根据具体情况采用不同的方式,如金属保护层(镀锌等)、油漆涂层、复合保护层（即一、二项同时使用）。目前通常的钢结构防腐做法就是刷防腐涂料。涂料是一种含油的或不含油的胶体溶液，将它涂敷在钢材表面上，可结成一层薄膜来保护钢结构。

防腐涂料一般由底漆和面漆组成。底漆中粉料多，基料少，成膜粗糙，底漆的功能是使漆膜与基层和面漆结合牢固，即就是要有好的附着力；底漆有阻蚀性颜料，可以阻止锈蚀的发生，有的还能对金属起钝化和电化学保护作用，防止金属生锈。而面漆则粉料少，基料多，成膜后有光泽，主要功能是保护下层底漆，故要对大气和湿度具有不渗透性，要能抵抗由风化引起的物理和化学分解。目前的趋势是使用合成树脂来提高介质的抗风化性能。耐大气性能的防腐涂料一般只能耐大气中的气相腐蚀。对于受酸碱等介质侵蚀的地方，必须用耐酸碱的涂料。

防腐漆按保护功能可分为底漆，中层漆和面漆，各层油漆均有其特性，各负其责，各层组合起来，形成复合涂层，提高防腐性能，延长使用寿命。

1、底漆

底漆层常用的防腐涂料有富锌底漆和环氧铁红底漆，富锌漆是由大量的微细锌粉与少量的成膜机料组成。锌的电化学性比钢铁高，在受到腐蚀时，有“自我牺牲”的作用，使钢铁被保护。腐蚀产物氧化锌又填充了孔隙，使涂层更加致密。常用的富锌底漆有以下三种：

(1) 水玻璃无机富锌底漆，它是以水玻璃为基料，加入锌粉，混合后涂刷，固化后要用水冲洗，施工工艺复杂，工艺条件苛刻，表面处理必须在Sa2.5以上，另外对环境温度、湿度都有要求，形成的涂膜易开裂、脱皮、目前已很少采用。

(2) 溶性无机富锌底漆，该底漆是以正硅酸乙酯为基料，以酒精为溶剂，经部分水解聚合，加入锌粉混合均匀后涂覆成膜。

(3) 富锌底漆，它是以环氧树脂为成膜基料，加入锌粉，固化形成涂层。环氧富锌底漆不但防腐性能优良，而且附着力强，并与下道涂层环氧云铁中层漆均有良好的粘结型。主要用于一般大气中的钢架结构和石油化工设备的防腐。

环氧铁红底漆是分罐装的双组份涂料，甲组份（涂料）由环氧树脂、氧化铁红等防锈颜料增韧剂、防沉剂等制成，乙组份为固化剂，施工时按比例调配。氧化铁红是一种物理性防锈颜料，其性质稳定、遮盖力强、颗粒细微、能在漆膜中起到很好的屏蔽作用，有很好的防锈性能。环氧铁红底漆对钢板及上层环氧面漆均有很好的粘结力，常温干燥快，对上层面漆不渗色，较普遍的用于钢质管道、贮罐、钢结构防腐工程，作防锈底漆使用。

2、中涂层

中涂层一般为环氧云铁和环氧玻璃鳞片漆或环氧厚浆漆。环氧云铁漆是以环氧树脂为基料加入云母氧化铁制成，云母氧化铁的微观结构像片状云母，其厚度仅为数微米，而直径为数十微米到一百微米。它耐高温、耐碱、耐酸性、无毒，片状结构可阻止介质渗透，增强了防腐性能，而且收缩率低，表面有粗糙度，是一种优良的中层防腐漆。环氧玻璃鳞片漆是以环氧树脂为基料，以薄片状的玻璃鳞片为骨料，再加各种添加剂组成的厚桨型防腐漆。玻璃鳞片厚度仅为2～5微米。由于鳞片在涂层中上下多层排列，形成独特的屏蔽结构。

3、面漆

用于面漆的涂料按其价位可划分为三种等级：

(1) 普通级为环氧漆、氯化橡胶漆、氯磺化聚乙烯其等；

(2) 中等级为聚氨酯漆；

(3) 高等漆为有机硅改性聚氨酯漆、有机硅改性丙烯酸面漆、氟涂料等。

环氧漆经化学固化后，化学性质稳定，涂层致密，有很强的粘结力，很高的机械性,它耐酸、碱、盐，能抵抗多种化学介质的腐蚀。

氯化橡胶漆以氯化橡胶为成膜物，氯化橡胶是用天然橡胶与氯气反应制成，他属惰性树脂，成膜后密封性能非常好，水汽、氧气对漆膜的渗透率极低，而且耐酸、耐碱、耐水、耐氧化剂、耐各种腐蚀性气体的腐蚀，在用醇酸树脂改性后，耐候性好，在使用过程中，漆膜理化性能变化很小，可以说是一种经济耐用的防腐材料。其它面涂层材料因价格较高，使用很不普遍，本文不再详述。

六、 防腐油漆（涂料）的选择

一般的涂料选择应考虑以下几点：

1、要考虑结构所处的使用条件及选用涂料的范围的一致性，根据腐蚀介质的情况（种

类、温度和浓度）气相或液相，湿热地区或干燥地区等条件进行选用。对于有酸性介质，可采用耐酸性能较好的酚醛树脂漆，而对于碱性介质，则应采用耐碱性较好的环氧树脂漆。

2、要考虑施工条件的可能性。有的宜刷涂，有的宜喷涂，有的自然干燥成膜等等。对于一般情况，宜用干燥、便于喷刷的冷固型涂料。

3、要考虑涂料的正确配套。由于大部分涂料是有机胶状物质为基料，涂料每涂一层结成薄膜后，难免有许多异常细小的微孔，腐蚀介质仍有可能渗入侵蚀钢铁。因此，目前涂料的施工都不是涂单层，而是涂多层，目的在于将微孔减少到最低限度。底漆和面漆之间应有良好的适应性。如过氯乙烯漆与磷化底漆或铁红醇酸底漆配套使用， 才能得到很好的效果，而不能与油性底漆（如油性红丹漆）配套使用。因为过氯乙烯漆中含有强溶剂，会破坏底漆漆膜。

防腐涂料底漆、中间漆、面漆必须配套。选用面漆时，除遵守底漆说明书的要求外，一般底漆、中间漆、面漆配套组合要求可参照下表1-7进行。

表１－７　　　　　　　　钢结构用底漆、中间漆与面漆的配套组合

序号 底漆与中间漆 面漆 最低除锈底漆 适用环境构建

１ 红丹系列（油性防锈漆、醇酸或酚醛防锈漆）底漆２遍铁红系列（油性防锈漆、醇酸底漆、酚醛防锈漆）底漆２遍云铁醇酸防锈漆底漆２遍 各色醇酸磁漆２～３遍 无侵蚀作用构件

２ 氯化橡胶底漆1遍 氯化橡胶面漆２～４遍 １、室内、外弱侵蚀作用的重要构件；２、中等侵蚀环境的各类承重结构

３ 氯磺化聚乙烯底漆2遍＋氯磺化聚乙烯中间漆１～２遍 氯磺化聚乙烯面漆２～３遍

４ 铁红环氧酯底漆１遍＋环氧防锈漆２～３遍 环氧清（彩）漆１～２遍

５ 铁红环氧底漆１遍＋环氧云铁中间漆１～２遍 氯化橡胶漆２遍

６ 聚氨酯底漆１遍＋聚氨酯磁漆２～３遍 聚氨酯清漆１～３遍

７ 环氧富锌底漆１遍＋环氧云铁中间漆２遍 氯化橡胶面漆２遍

８ 无机富锌底漆１遍＋环氧云铁中间漆１遍 氯化橡胶面漆２遍 需特别加强防锈蚀的重要结构

９ 无机富锌底漆２遍＋环氧中间漆２～３遍（７５～100μm）～（７５～125μm） 脂肪族聚氨酯面漆２遍（50μm）

注：１　第４项匹配组合（环氧清漆面漆）不适用于室外爆晒环境。

２　当要求较厚的涂层厚度（总厚度＞150μm）时，第２、５及６项组合的中间漆和面漆宜采用厚浆型涂料。

３　第８、９项无机富锌底漆要求除锈等级及施工条件更为严格，一般较少采用。

4、要考虑结构的主次关系。即根据构件的重要性，是主要承重构件还是次要承重构件来进行考虑，分别选用不同的涂料，或用相同的涂料而对涂层厚度加以区别。

选择涂料时，除考虑结构使用功能、经济性和耐久性外，还应考虑施工过程中的稳定性、干燥、速度、毒性以及需要的温度条件等。

要达到良好的防腐效果，在选择恰当、高性能涂料的同时，对于涂料的厚度亦有一定的要求。如果涂层厚度薄或不均匀，钢材表面毛刺的高峰会露出涂层，涂层就会有针孔，这时水中的氧、氯离子、水分子等会穿过这些薄弱的地方，使钢铁生锈腐蚀，腐蚀产物体积膨胀，形成锈包，逐渐扩大，最后涂层起泡脱落。如果涂层过厚，虽然可增强防护能力，但附着力和机械性能都要降低，而且要增加费用。

对于一般涂装要求的构件，并采用手工及动力工具除锈时，可采用两道底漆、两道面漆的做法；对涂装要求较高的构件，并采用喷射除锈时，宜采用2遍底漆，1～2遍中间漆及2遍面漆的做法。涂层干漆膜总厚度不宜小于120μm（弱侵蚀）及150μm（中等侵蚀）、200μm（较强侵蚀的重要构件）。需加重防腐的部位，可适当增加涂层厚度20～60μm。厚度要均匀、连续完整、无针孔，方可取得良好的防腐效果。根据有关文献，钢结构涂层厚度可参考表１－８。

表１－8　　　　　　　　　　　　　钢结构涂装涂层厚度

基　本　涂　层　和　防　护　涂层 附加涂层

城镇大气 工业大气 海洋大气 化工大气 高温大气

醇酸漆 100～150 125～175 25～50

沥青漆 180～240 150～210 30～60

环氧漆 175～225 150～200 150～200 25～50

过氯乙烯漆 160～200 20～40

丙烯酸漆 100～140 140～180 120～160 20～40

聚氨酯漆 100～140 140～180 120～160 20～40

氯化橡胶漆 120～160 160～200 140～180 20～40

氯磺化聚乙烯漆 120～160 160～200 140～180 120～160 20～40

有机硅漆 100～140 20～40

表１－9　　　　　　　　　　 　常 用 防 锈 底 漆

名 称 型 号 标 准 号 性 能 用 途 涂 施 方 法 配 套 要 求

红丹油性防锈漆 Y53-1 HG 2-581-74 防锈性能好，漆膜坚固，附着力强，但干燥较慢 适用于钢结构表面防锈打底，但不能用于铝、锌表面，因红丹与铝、锌起电化学作用 刷涂为主 与酯胶磁漆、酚醛磁漆、醇酸磁漆配套使用

铁红油性防锈漆 Y53-2 HG 780-74 附着力强，防锈性较好，但次于红丹油性防锈漆 适用于防锈要求不高的钢结构表面防锈打底 刷涂为主 与酯胶磁漆、酚醛磁漆配套使用

红丹酚醛防锈漆 F53-1 HG 2-782-74 防锈性能好，漆膜坚固，附着力强，干燥较快 同红丹油性防锈漆 刷涂为主 与酚醛磁漆、醇酸磁漆配套使用

铁红酚醛防锈漆 F53-3 HG 2-583-74 附着力强，漆膜较软，耐磨性差，防锈性能次于红丹酚醛防锈漆 适用于防锈要求不甚高的钢结构表面防锈打底 刷涂或喷涂 与酚醛磁漆配套使用

铁红、灰酚醛底漆 F06-8 HG 2-579-74 漆膜有良好的附着力和一定的防锈性能 适用于防锈要求不甚高的钢结构表面防锈打底 刷涂或喷涂 与醇酸磁漆纯酚醛磁漆配套使用

铁红纯酚醛底漆 F06-9 HG 2-580-74 有一定的防锈性能，耐水性好 适用于防锈要求不甚高的钢结构表面防锈打底 刷涂或喷涂 与醇酸磁漆纯酚醛磁漆配套使用

各色硼钡酚醛防锈漆 F53-9 HG 2-1020-77 具有良好的抗大气锈蚀性能，干燥快，施工方便。逐步代替一部分红丹防锈漆使用，节约铅、无毒 适用于钢结构表面防锈打底 刷涂或喷涂 与酚醛磁漆、醇酸磁漆配套使用

铁红灰酯胶底漆 T06-5 HG 2-570-74 漆膜坚硬，易打磨，并有良好的附着力 适用于防锈要求不甚高的钢结构表面防锈打底 刷涂或喷涂 与调和漆、酚醛磁漆配套使用

红丹醇酸防锈漆 C53-1 HG 2-25-74 防锈性能好，漆膜坚硬，附着力强，干燥较快 同红丹油性防锈漆 刷涂或喷涂 与醇酸磁漆、酚醛磁漆、酯胶磁漆配套使用

铁红醇酸底漆 C06-1 HG 2-113-74 具有良好的附着力和一定的防锈能力，在一般气候条件下耐久性好，但在湿热带气候和潮湿条件下耐久性差一些 适用于一般钢结构表面防锈打底 刷涂或喷涂 与醇酸磁漆、硝基磁漆、沥青漆、过氯乙烯漆配套使用

乙烯磷化底漆 X06-1 HG 2-27-74 对钢材表面附着力极强，漆料中的磷酸盐可使钢材表面形成磷化膜，延长有机涂层的寿命 适用于钢结构表面防锈打底，可省去磷化或钝化处理，但不能代替一般底漆，不适用于碱性介质环境中 刷涂或喷涂 其它防锈漆、底漆和面漆配套使用

铁红过氯乙烯底漆 G06-4 HG 2-263-74 有一定的防锈性及耐化学性，但对钢材的附着力不太好，若与磷化底漆配套使用，能耐海洋性及湿热带气候 适用于沿海地区和湿热带气候的钢结构表面打底 刷涂或喷涂 与磷化底漆和过氯乙烯防锈漆配套使用

铁红环氧酯底漆 H06-2H06-19 HG 2-605-74HG 2-789-75 漆膜坚硬耐久，附着力良好，若与磷化底漆配套使用时，可提高漆膜的耐潮、耐盐雾和防锈性能 适用于沿海地区和湿热带气候的钢结构表面打底 刷涂或喷涂 与磷化底漆和环氧磁漆、环氧防锈漆配套使用

云母氧化铁底漆 具有良好的热稳定性、耐碱性，防锈性能超过红丹和硼钡防锈漆，无毒，而且价廉和原料来源丰富 适用于热带气候和湿热条件下的钢结构表面防锈打底 刷涂或喷涂 与各类面漆配套使用

无机富锌底漆 具有较好的耐水性、耐油性、耐溶剂性、耐热性及耐干湿交替的盐雾的性能，有阴极保护作用，长期曝晒不老化 适用于水塔、水槽、油罐及海洋钢构筑物表面防锈打底 刷涂或喷涂 可兼作面漆，如与环氧磁漆、乙烯磁漆配套使用，效果更好

表１－10　　　　　　　　　　 　常 用 面 漆

名 称 型 号 标 准 号 性 能 用 途 涂 施 方 法 配 套 要 求

各色油性调和漆 Y03-1 HG 2-567-74 耐候性较酯胶调和漆好，但干燥时间较长，漆膜较软 适用作室内一般钢结构面漆 刷涂为主

各色酯胶调和漆 T03-1 HG 2-781-80 干燥性能比油性调和漆好，漆膜较硬，有一定的耐水性 适用作一般钢结构面漆 刷涂或喷涂

各色酚醛磁漆 F04-1 HG 2-575-80 漆膜坚硬、光泽、附着力较好，但耐候性差 适用作室内一般钢结构面漆 刷涂或喷涂 与酯胶底漆、红丹防锈漆、灰防锈漆和铁红防锈漆配套使用

各色纯酚醛磁漆 F04-11 HG 2-578-74 漆膜坚硬，耐水性好、耐候性较好 适用作防潮和干湿交替的钢结构面漆 刷涂或喷涂 与各种防锈漆、酚醛底漆配套使用

各色醇酸磁漆 C04-42 HG 2-591-74 具有良好的耐候性和较好的附着力，但干燥较慢 适用作钢结构的面漆 刷涂或喷涂 先涂1～2道C06-1铁红醇酸底漆，再涂C06-10醇酸两道底漆，最后涂该漆

灰酚醛防锈漆 F53-2 HG 2-582-74 耐候性较好，有一定的防水性和防锈性能 适用作钢结构的面漆 刷涂或喷涂 与红丹或铁红类防锈漆配套使用

表１－11　　　　　　　　　　 常用防腐蚀面漆

名 称 型 号 标 准 号 性 能 用 途 涂 施 方 法 配 套 要 求

各色过氯乙烯 G52-1 HG 2-625-74 具有良好的耐腐蚀性和耐潮性。但附着力较差，如配套的好，可以弥补。若经60～65C0烘烤1～3小时，其各种机械性能比硝基漆优越 适用于钢结构防酸雾介质腐蚀的面漆 刷涂或喷涂 与X06-1乙烯磷化底漆、G06-4铁红过氯乙烯底漆配套使用

各色环氧硝基防腐漆 H04-2 HG 2-603-75 耐候性良好，有较好的物理机械强度，耐油性良好 适用于湿热气候的钢结构防工业大气腐蚀的面漆 刷涂或喷涂 与环氧底漆配套使用

沥青清漆 L01-6 HG 2-584-74 具有良好的耐水、耐潮、耐腐蚀性能，但机械性能差，耐候性不好 适用于钢结构防酸气腐蚀的打底和作面漆 刷涂或喷涂 底漆兼作面漆，一般涂两道

沥青耐酸漆 L50-1 HG 2-587-74 具有耐硫酸腐蚀的性能，并有良好的附着力 适用于钢结构室内防腐蚀的打底和作面漆 刷涂或喷涂 底漆兼作面漆，一般涂两道

第四节 钢结构的防火处理

钢结构具有独特的优越性，它适用于各种工程结构，因而在工业与民用建筑中得到了广泛的应用。但钢结构耐火性能差早已为人们所熟知，钢材虽为非燃烧材料，但却易导热、怕火烧，其耐火极限仅为15～20分钟。在火灾的温度下，钢结构的强度是温度的函数。未加防火保护的钢结构，当结构温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别下将1/3、1/2、2/3，当结构温度达到600℃以上时，将完全丧失承载能力。因此，在火灾作用下，钢结构不可避免地扭曲变形，最终导致垮塌毁坏。

钢结构发生火灾后，结构垮塌快，给消防灭火工作带来极大的困难同时减少了受困人员的逃生时间；且垮塌后的钢结构变成“麻花状”或“面条状”的废物，很难修复使用，往往带来重大人员伤亡和经济损失。国内外钢结构遭火灾倒塌的例子不胜枚举。如1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌；1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾，造成3600㎡的库房倒塌；2001年的美国纽约世界贸易大厦双塔遭恐怖分子飞机袭击，航空煤油爆炸后引发高温燃烧，两幢420m高的钢结构摩天建筑先后轰然倒塌，造成近4000人死亡和1000多亿美元的经济损失。因此钢结构防火的研究、设计和运用应受到特别的重视。

钢结构的防火包括结构的防火设计和结构的防火保护措施。

钢结构防火设计的实质是：选定保护材料及所需厚度，从而使结构在火灾中的升温不超过其临界温度而确保耐火稳定性。防火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。

一、钢结构防火设计的一般规定

1　钢结构的防火设计应符合国家《建筑设计防火规范》GBJ16、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045及《石油化工企业设计防火规范》GB50160、《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99等的有关规定。建筑师应慎重并合理地确定工业建筑的防火类别与建筑物的防火等级，必要时应与消防部门共同商定设防标准。

２　钢结构构件的防火设计原则，是在设计所采用的防火措施的条件下，能保证构件在所规定的耐火极限时间内，其承载力仍不小于各种作用和组合效应。建筑物等级所要求承重构件耐火极限如表１－12。

表１－12　　　　　　　　　　　　建筑构件的耐火时限（h）

规范 耐火等级 耐火时限（h）

柱 梁 楼板 屋顶承重构件

支撑多层的柱 支撑单层的柱

建筑设计防火规范 一级 3.0 2.5 2.0 1.5 1.5

二级 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

三级 2.5 2.0 1.0 0.5

高层民用建筑设计防火规范 一级 3.0 2.0 1.5

二级 2.5 1.5 1.0

二、常用的防火措施

1、 单面屏蔽法。在钢结构的迎火面设置阻火屏障，将构件与火焰隔开。当发生火灾时，屏障的阻隔使得钢构件避免了急速升温。如果在钢结构所有的构件外表面设置防火屏障，结构造价势必会大幅度增加，而且这种做法也不现实，但在特殊部位设置防火屏障不失一种既方便又较经济的钢结构防火方法。

2、 用耐火轻质板作为防火外包层。

办公与居住建筑等的钢结构，当同时有防火与装饰要求时，可在钢结构表面做除锈及涂底漆（粘贴面不可涂底漆）后，采用防火板（如ALC板）等专用的、可模制定型的装饰性板材外包防火构造。无装饰要求的工业与民用建筑钢结构，可根据造价、施工条件等因素采用防火板材外包防火构造。钢结构防火用板材分为两类：一类为密度大、强度高的薄板，如短纤维增强的各种水泥压力板（包括TK板、FC板等）、纤维增强普通硅酸钙板、纸面石膏板、以及各种玻璃布增强的无机板（俗称无机玻璃钢）；另一类是密度较小的厚板，如轻质（或超轻质）硅酸钙防火板（如KB板）及膨胀蛭石防火板。板材不同厚度与不同构造的耐火性能、时限等，均应有国家检测机构的检测认定。防火板由工厂加工，它的表面平整，装饰性好，施工为干作业。用于钢结构防火具有占用空间少、综合造价低的特点。各种防火板主要技术性能指标见下表1-13。

表１－13　　　　　　　　　　　　各种防火板主要技术性能

项目 外形尺寸长×宽×厚（mm） 密度（kg/m3） 标准构件试验耐火极限小时（h） 最高使用温度（CO） 导热系数（W/(mk)）

纸面石膏板 1800～3600×1200×9～12 800 0.15（9mm）0.25(12mm) 600 0.194

TK板 1200×3000×800～1200×4～8 1700 ＜0.25（8mm） 600 0.35

FC板 3000×1200×4～6 1800 ＜0.25（6mm） 600 0.35

纤维增强硅酸钙板 1800×900×6～10 1000 0.25(10mm) 600 0.28

无机玻璃钢板 1000×2000×2～12 1500～1700 / 600 0.24～0.45

蛭石板（英国icuclad） 1000×610×20～65 430 1 (20mm)2 (30mm)3 (50mm) 1000 0.113（250CO时）

超轻硅酸钙板（ KB板） 1000×610×25～50 400 2 (25mm)3 (35mm) 1000 0.06

超轻硅酸钙板（上海XT板） 600×300×20～60 400 3 (40mm) 1000 0.05

3、 浇筑混凝土或耐火砖。采用混凝土或耐火砖完全封闭构件，这种做法的优点是强度高、耐冲击，但缺点是要占用的空间较大，例如，用200号混凝土保护钢柱，其厚度为5～10cm才能达到1.5～3小时的耐火极限。

4、 水冷却法。既在呈空心截面的柱内注入水，与设置的水箱相连，形成一个循环系统。当发生火灾时，热量被水吸收，从而保证了钢柱温度不会升温过高而丧失承载能力。为了防止钢柱生锈，需在水中加入专门的防腐剂。冬天为了防冻还需加入防冻剂，这种方法目前较少采用。

5、 涂抹防火涂料。这是目前通常采用的防火措施。将防火涂料涂抹在构件表面，这种方法施工方便，重量轻、耐火时间长，可以涂抹于构件的任何位置，不受截面形状的限制，具有较好的经济性和实用性。

下面将重点介绍钢结构的防火涂料。

三、防火涂料

１、钢结构防火涂料的分类

钢结构防火涂料的类型可根据不同的方法来定义：从所用溶剂来分，可分为溶剂型和水基型钢结构防火涂料；从使用范围分，可分为室内和室外钢结构防火涂料；根据防火机理分，可分为非膨胀型和膨胀型钢结构防火涂料；根据涂层厚度来分，可分为厚型、薄型、超薄型钢结构防火涂料。钢结构防火涂料的技术性能应符合下表1－14

表１－14　　　　　　　　　　　　钢结构防火涂料技术性能要求

项目 指标

薄型（B类） 厚型（H类）

在容器中的状态 经搅拌后呈均匀液态或稠厚流体，无结块 经搅拌后呈均匀稠厚流体，无结块

干燥时间·表干·h ≤12 ≤24

初期干燥抗裂性 一般不应出现裂纹。如有1～3条裂纹，其宽度应不大于0.5mm 一般不应出现裂纹。如有1～3条裂纹，其宽度应不大于1mm

外观与颜色 外观与颜色同样品相比应无明显差别

粘结强度，MPa ≥0.15 ≥0.04

抗压强度，MPa ≥0.3

干密度，kg/m3 ≤500

热导率，W／（m·k） ≤0.116

抗振性 挠曲l/200，图层不起层、脱落

抗弯性 挠曲l/100，图层不起层、脱落

耐水性，h ≥24 ≥24

耐冻融循环性，次 ≥15 ≥15

耐火性能 涂层厚度 3.0 5.5 7.0 8 15 20 30 40 50

标准梁耐火极限不低于，h 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

注：1 本表所列防火涂料性能仅适用于建筑物及构筑物室内使用的各类钢结构防火涂料，不包括室外钢结构防火涂料的技术要求。

2 超薄型钢结构防火涂料比普通膨胀性防火涂料涂层更薄，其装饰性和耐火性能更好，其涂层外观完全类同于一般饰面型涂料，既可喷涂也可手工涂刷。由于国内目前处于起步阶段，尚无正式标准。通常将3mm涂层厚，耐火极限不低于90分钟的膨胀型防火涂料称之为超薄型钢结构防火涂料。

２、几种常用的钢结构防火涂料

厚型钢结构防火涂料：所谓厚型钢结构防火涂料是指涂层厚度在8～50毫米的涂料，这类钢结构防火涂料的耐火极限可达0.5～3小时。在火灾中涂层不膨胀，依靠材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性，延缓钢材的温升，保护钢件。这类钢结构防火涂料是用合适的粘结剂，再配以无机轻质材料，增强材料组成。与其他类型的钢结构防火涂料相比，它除了具有水溶性防火涂料的一些优点之外，由于它从基料到大多数添加剂都是无机物，因此它还具有成本低廉这一突出特点。该类钢结构防火涂料施工采用喷涂，一般多应用在耐火极限要求2小时以上的室内钢结构上。但这类产品由于涂层厚，外观装饰性相对较差。

　　薄型钢结构防火涂料：涂层使用厚度在3～7毫米的钢结构防火涂料称为薄型钢结构防火涂料。该类涂料受火时能膨胀发泡，以膨胀发泡所形成的耐火隔热层延缓钢材的温升，保护钢构件。这类钢结构涂料一般是用适当的乳胶聚合物作基料，再配以阻燃剂、添加剂等组成。对这种类型防火涂料，要求选用的乳液聚合物必须对钢基材具有良好的附着力，耐久性和耐水性好。该类钢结构防火涂料在生产过程中一般都分为三步：第一步先将各种阻燃添加剂分散在水中，然后研磨成规定细度的浆料，第二步再用基料(乳液)进行配漆，第三步在浆料中配以无机轻质材料、增强材料等搅拌均匀。该涂料一般分为底层(隔热层)和面层(装饰层)，其装饰性比厚型好，施工采用喷涂，一般使用在耐火极限要求不超过2小时的建筑钢结构上。

　　超薄型钢结构防火涂料：超薄型钢结构防火涂料是指涂层厚度不超过3毫米的钢结构防火涂料，这类钢结构防火涂料受火时膨胀发泡，形成致密的防火隔热层，是近几年发展起来的新品种。它可采用喷涂、刷涂或滚涂施工，一般使用在要求耐火极限2小时以内的建筑钢结构上。与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比，超薄型膨胀钢结构防火涂料粘度更细、涂层更薄、施工方便、装饰性更好是其突出优点。在满足防火要求的同时又能满足高装饰性要求，特别是对裸露的钢结构，这类涂料是目前备受用户青睐的钢结构防火涂料。为了赶上或超过国外同类产品，满足市场的需要，研制和开发高耐候性的室外超薄型钢结构防火涂料是今后发展的方向。

３、钢结构防火涂料的选择及注意事项

(1) 实际工程中选用的防火涂料必须有国家检测机构对其耐火性能认可的检测报告及生产许可证。

(2) 民用建筑及大型公用建筑的承重钢结构宜采用防火涂料防火，一般应由建筑师与结构工程师按建筑物耐火等级及耐火时限，根据《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS24，选用涂料的类别（薄涂型或厚涂型）及构造做法。

(3) 选用时宜优先选用薄涂型防火涂料，选用厚涂型涂料时，其外需做装饰面层隔护。装饰要求较高的部位可选用超薄型防火涂料。

(4) 防火涂料的厚度，宜直接采用实际构件的耐火试验数据。当构件的截面尺寸或形状与试验标准构件不同时，应按现行《钢结构防火涂料应用技术规程》CECS24附录三的方法，推算所需防火涂层厚度。

(5) 室外环境的钢结构，一般不考虑防火保护。但石化企业的室内、外应按《石油化工企业设计防火规范》的规定进行防火防护设计。当室外钢结构需防火保护时，应采用专用的露天用防火涂料，并以防锈底漆打底。

(6) 不得将饰面型防火涂料（适用于基材为可燃材料的木结构）用于钢结构的的防火保护。

(7) 重要的钢柱构件采用防火涂料保护时，一般应采用厚涂型防火涂料，且节点部位宜做加厚处理。当所用防火涂料的粘接强度小于0.05Mpa时，涂层内应设置与钢构件相连接的钢丝网。

(8) 承重钢梁构件采用厚涂型防火涂料时，其重要节点部位宜加厚处理。当为下列任意中情况时，涂层内应设与钢梁相连接的钢丝网。

①　受振动作用的钢梁；

②　涂层厚度大于或等于40mm的梁；

③　梁用防火涂料粘接强度小于或等于0.05Mpa时；

④　梁腹板高度超过1.5m时。

(9) 当有技术经济依据时，重要的承重构件可采用耐火钢外加防火涂料的防火做法，其防火设计及对材料性能、构造施工等方面的技术要求，可参照上海市地方标准《钢结构防火技术规范》的规定。

(10) 防火涂料的施工应由专业队伍承担，并按《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205及《钢结构防火涂料应用技术规程》CECS24检查验收。

各类防火涂料的特性及适用范围见表1-15。

表１－15　　　　　　　　　　防火涂料的类别及适用范围

类别 特型 厚度（mm） 耐火时限（h） 适用范围

薄涂型防火涂料 附着力强，可以配色，一般不需要保护层 ２～７ １.５ 工业与民用建筑楼盖与屋盖钢结构，如LB型、SG-１型、SS-1型

超薄型防火涂料 附着力强，干燥快，可以配色，有装饰效果，不需要保护层 ３～５ ２.０～１.５ 工业与民用建筑梁、柱等钢结构，如SB-2型、BTCB-１型、ST1-A型

厚涂型防火涂料 喷涂施工，密度小，物理强度及附着力低，需装饰面层隔护 ８～50 １.５～３.０ 有装饰面层的民用建筑钢结构柱、梁，如LG型、ST-1型、SG-2型

露天用防火涂料 喷涂施工，有良好的耐候性 薄涂３～１０厚涂２５～４０ ０.５～２.０３.０ 露天环境中的框架、构架等钢结构，如STI-B型、SWH型、SWB型（薄涂）

表1-16列出国内钢结构防火涂料生产厂家及其产品情况，可供设计人与选用。

表１－16　　　　　　　国内钢结构防火涂料生产厂家及产品情况汇总表

生产厂家 型号 类别 主 要 技 术 性 能 参考价格（元／t） 检测日期 备注

耐火极限 密度（kg/m3） 抗压强度（MPa） 粘结强度（MPa） 导热系数（W/m·k）

（mm） (min)

福建福日特种材料有限公司 FR-958ALG BH 2.927 37180 /332 /0.3 0.320.08 /0.123 12 1代表检验日期为1995-19962代表检验日期为1996-1997

上海腾申防火建筑材料有限公司 TS-B B 6.1 89 / / 0.15 / 1

洛阳广夏防水防火材料有限公司 ML-A B 2.27 38 / / 0.38 / 1

上海汇丽（集团）二厂 HJ-1SJ-2SJ-2SJ-1 BHHH 5.323.81121 72155108183 /483439637 /0.560.381.3 0.210.06/0.14 /0.102/0.191 13,0004,4004,400 1122

浙江嵊州市防火涂料厂 CT-1 B 5.2 70 / / 0.18 / 12500 1

江苏兰陵化工（集团）涂料厂 LGSC-1SC-1SF-1 HBBB 27.65.55.72.07 180143109150 262/// 0.4/// 0.060.270.191.77 0.075/// 1222

大连海防新型防火涂料厂 SD-1SD-2 BH 5.327.6 97136 /456 /0.5 0.090.07 0.102 1

上海吕巷云母防火材料厂 SJ-1SJ-2SJ-2 HHH 24.919.424.3 150150195 685452452 2.01.21.2 0.210.060.06 0.1620.1040.104 440044004400 111

山东淄博消防器材厂 LB B 5.3 60 / / 0.36 / 1

山东临沂市东方化工厂 SLB B 5.9 95 / / 0.17 /

中原油田第七化工厂 SDX-1 B 3.4 58 / / 0.11 /

北京城建天宁消防责任有限公司 TN-LGTN-LB HB 39.55.8 162121 448 0.331 0.050.39 0.108 10500 12

德国Herberts（贺柏兹）公司 3832038091 BB 0.640.892.630.680.902.42 4559635167124 0.190.15

成都都江防火涂料厂 LBLBLFLFLF BBBBB 7.45.41.592.01.74 2.0575759465 0.190.180.240.190.19 15003500 12122 包玻璃布

**消科所试验厂 SCBSWBSWH BBBBH 1.661.712.696.525 386914799219 580 1.2 0.190.520.520.310.09 0.18 20,000140009000 12222 包玻璃布

**内江协安防火材料有限公司 NXGB-60A B 5.2 92 0.89 1

英国Nullifire Ltd S605 B 0.222.243.6 33106168 0.55 1

昆山市防火材料厂 A60-501GJ-1 BB 2.35.2 100137 0.170.42 包玻璃布包玻璃布

广州泰堡防火材料有限公司 KFR-1 B 1.77 0.62 2

福建晋江华强防火涂料厂 BGW-90 B 6.0 0.22 19800 2

北京追龙防火材料厂 BS-2 B 6.0 0.38 2

上海梧柏特种涂料厂 GJ60-SW B 3.8 0.21 2

杭州灯塔防火材料有限公司 LB B 5.9 0.17 2

洛阳宝生防火材料厂 SJ-1 H 20.7 671 1.36 0.25 0.214 2 包钢丝网

中电宜兴节能工程公司 SJ-1GJ-B HB 235.9 613 1.3 0.210.37 0.223 2

乌鲁木齐市安顺产业公司 XW B 6.4 98 0.20 2

北京市建筑涂料厂 SB-2 B 5.8 66 0.24 19800 2 包玻璃布

北京环航表面技术工程合同 GJ-1 B 5.8 190 0.3 18000 2 包玻璃布

成都双流消防器材厂 GFGF BB 2.622.49 9033 0.080.08 2

江苏建湖轻化厂 SJ-1 H 27.9 167 652 0.08 0.189

注：1 本表所列厂家、产品、主要技术性能取自国家防火建筑材料质量监督检验中心汇编1997年、1998年产品技术手册，均为合格产品。

2 类别中B代表薄涂型（膨胀型），H代表厚涂型（隔热型）

3 表中所列部分产品参考价主要依据中国消防协会所编消防产品目录中所提供的数字。

第五章 辅助结构系统

轻型钢结构的辅助结构系统包括挑檐、雨篷、吊车梁、牛腿、楼梯、栏杆、检修平台和女儿墙等，它们构成了轻型钢结构完整的建筑和结构功能。

第一节 雨篷和挑檐

一、雨篷

钢结构雨篷同钢筋混凝土结构雨篷一样，按排水方式可分为有组织排水和自由落水两种。钢结构雨篷的主要受力构件为雨篷梁，其常用的截面形式有轧制普通工字钢、槽钢、H型钢、焊接工字形截面等，当雨篷的造型为复杂的曲线时亦可选用矩形管或箱形截面等。

在轻型门式刚架结构中，雨篷宽度通常取柱距，即每柱上挑出一根雨篷梁，雨篷梁间通过C型钢连接形成平面。挑出长度通常为1.5m或更大，视建筑要求而定。雨篷梁可做成等截面或变截面，截面高度应按承载能力计算确定。通常情况下雨篷梁挑出的长度较小，按构造做法，其截面做成与其相连的C型钢截面同高：当柱距为6m时，连接雨篷梁的C型钢为16＃，雨篷梁亦取16＃槽钢；当柱距为9m时，连接雨篷梁的C型钢为24＃，雨篷梁取25＃槽钢；

有组织排水的雨篷可将天沟设置在雨篷的根部或将天沟悬挂在雨篷的端部，雨篷四周设置凸沿，以便能有组织的将雨水排入天沟内。

图5-1～5-3为几种常见雨篷的做法。

（a）　　

(b)　

图5-1 自由落水雨篷

(a)

(b)

(c)

图5-2 有组织排水雨篷　

（a）A-A （b）B-B

（c）C-C

图5-3 雨篷节点详图

二、 挑檐

在轻型门式刚架厂房结构中，通常将天沟（彩钢或不锈钢）放置在挑檐上，形成外天沟。挑檐挑出构件的间距取柱距，即挑出构件作为主刚架的一部分，挑出构件之间由C型钢檩条连接，。图5-4所示为典型的挑檐构造。

图5-4 典型的挑檐构造 　

挑檐柱承受C型钢墙梁传递轻质墙体的竖向荷载和风荷载，挑檐梁主要承受考虑天沟积水满布荷载或积雪荷载。挑檐各构件（挑檐柱、挑檐梁）截面通常采用轧制工字钢或高频H型钢，截面大小由承载力计算确定。挑檐计算简图如图5-5所示，将挑檐柱和挑檐梁示作一个整体，端部与刚架柱固接，即作为悬臂构件计算。通常情况下轻钢厂房结构的挑檐所承受的荷载较小，截面多选择200高的高频焊接H型钢。

（a） （b）

图5-5挑檐结构计算简图

第二节 吊车梁和牛腿

一、 吊车梁概述

直接支承吊车轮压的受弯构件有吊车梁和吊车桁架，一般设计成简支结构。吊车梁有型钢梁、组合工字形梁及箱形截面梁等（见图5-6）；吊车桁架常用截面形式为上行式直接支承吊车桁架和上行式间接支承吊车桁架（见图5-7）。

（a） （b） （c） （d） （e） （f） （g）

（a）、（b） 型钢梁 （c）、（d）、（e）焊接工字形梁 （f）、（g）焊接箱形梁

图5-6 实腹吊车梁的截面形式

（a）上行式直接支撑吊车桁架 （ b）上行式间接支撑吊车桁架

图5-7 吊车桁架结构简图

吊车梁系统一般由吊车梁（吊车桁架）、制动结构、辅助桁架及支撑（水平支撑和垂直支撑）等组成（见图5-8）。

（a）边列吊车梁 （b）中列吊车梁

（1）轨道 （2）吊车梁 （3）制动结构 （4）辅助桁架 （5）垂直支撑 （6）下翼缘水平支撑

图5-8 吊车梁系统构件的组成

吊车梁（或吊车桁架）的设计，应首先考虑吊车工作制的影响，一般将吊车工作制分为轻、中、重和特重四级，在进行吊车梁设计时，应根据工艺提供的资料确定其相应的级别。吊车梁（或吊车桁架）均应满足强度、稳定和容许挠度的要求；对重级工作制吊车梁和重、中级工作制吊车桁架尚应进行疲劳验算。当进行强度和稳定计算时，一般按两台最大吊车的最不利组合考虑。进行疲劳验算时，则按一台最大吊车考虑（不计动力系数）。

本节主要介绍额定起重量Q≤20t的吊车梁（或吊车桁架）。

二、 常用的几种吊车梁简介

1、型钢吊车梁用热轧型钢制成，制作简单、运输及安装方便，一般用于跨度≤6m，吊车起重量Q≤10t的轻、中级工作制的吊车梁。

2、焊接工字形吊车梁截面一般由三块板焊接而成。当吊车梁的跨度与吊车起重量不大，并为轻、中级工作制时，可采用上翼缘加宽的不对称截面，此时一般可不设制动结构。当吊车梁的跨度与吊车起重量较大或吊车为重级工作制时，可采用对称或不对称工字形截面，但需设置制动结构。不对称工字形截面能充分利用材料强度使截面更趋合理。

工字形吊车梁一般设计成等高度等截面的形式，根据需要也可设计成变高度（支座处梁高缩小）变截面的形式。

3、吊车桁架有桁架式、撑杆式、托架—吊车桁架合一式等。一般设计成上承式简支桁架，由劲性上弦、腹杆和下弦组成。常用的几何形式为带中间竖杆的三角形腹杆体系平行弦桁架，其支座设于上弦平面内。上弦为劲性连续梁，适用吊车轨道直接铺设在上弦上，吊车桁架跨度L≥18m且吊车为轻、中级工作制的情况。

吊车桁架杆件截面宜优先选用轧制型钢或其它组合截面，并尽可能选用具有较大刚度的截面。对受压杆件，应采用在桁架平面内、外两个方向长细比接近的截面。桁架的劲性上弦宜选用具有较大垂直刚度的工字形截面；桁架下弦截面采用轧制H型钢截面；桁架腹杆的轴线可交汇于上弦杆的下边缘线上，在上弦节点处，上弦杆的腹板均应设置横向加劲肋。

4、箱形吊车梁由上下翼缘板与两侧各一块腹板组成。箱型吊车梁具有较大的整体抗弯和抗扭刚度，梁的截面高度相对较小和具有较高的安全度的优点，但用钢量可能较多且制作和安装的难度较大。一般可用作扭矩较大的中列柱、大跨度及较大起重量的吊车梁或环形吊车梁等。

箱形吊车梁可分为窄箱形梁和宽箱形梁。前者为两块腹板共同承受一条吊车轨道的荷重，后者为两块腹板各自分别承受一条吊车轨道的荷重（中列吊车梁），或两块腹板各自分别承受一条吊车轨道及屋盖（或墙架支柱）传来的荷重（边列吊车梁）。

5、壁行吊车梁是承受一种可移动的悬挂吊车的梁，一般可分为分离式壁行吊车梁和整体式壁行吊车梁（即箱形梁）两种。由承受水平荷载的上梁及同时承受水平和竖向荷载的下梁组成分离型式的壁行吊车梁较为经济，但需严格控制上、下梁的相对变形。为了增加刚度亦可将上、下梁组合成箱形梁，但是这样不太经济。

6、悬挂式吊车梁包括悬挂单梁和轨道梁，由轧制工字钢制成，悬挂于屋盖及楼盖承重结构下或特设的支柱、支架下。单轨吊车梁可分为直线梁和弧线梁，直线梁可根据材料、安装及支承等条件设计为简支、双跨或三跨连续梁，弧线梁在弧线段及弧线与直线交接处均应设计为连续构造。单轨吊车梁所选用的工字钢型号、行驶范围、弧线梁的曲率半径、吊车起重量、吊车台数均应现由工艺设计人员提供。单轨吊车梁上的吊车荷载一般只考虑一台吊车的作用，可简化为一个集中荷载作用在梁上计算。

在轻型钢结构体系中，最常见的吊车支承结构形式为焊接工字形简支吊车梁，以下介绍该形式的计算和构造要求。

三、 吊车梁计算

假定吊车支承结构形式为焊接工字形简支吊车梁。

1、荷载计算：

（1）吊车荷载

1）横向水平荷载标准值

（5-1）

2）纵向水平荷载标准值

（5-2）

3）竖向水平荷载标准值

吊车竖向荷载标准值按工艺资料所提吊车的最大轮压采用，当缺少轮压资料时，也可按吊车桥架及小车重量、吊钩极限位置等计算最大轮压。

（2）其它荷载

作用于吊车梁或吊车桁架走道板上活荷载一般取2.0kN/m&sup2;，有积灰荷载时一般取0.3～1.0kN/m&sup2;。

式（5-1）和（5-2）中， 取决于不同额定起重量Q（单位t）。对于软钩吊车的额定起重量，Q≤10t时 ；Q≤15～50t时 ；Q≥75t时 。对于硬钩吊车的额定起重量， 。 为小车重量（单位t），由吊车资料确定；当无明确的吊车资料时，软钩吊车的小车重量可近似地确定为：当Q≤50t时， =0.4Q；当Q＞50t时， =0.3Q。 为作用于一侧轨道上所有制动轮最大轮压标准值之和，当缺少制动轮数资料时，一般桥式吊车可取此侧大车车轮总数的一半。 为吊车一侧轮数。

当吊车梁还承受屋盖、墙架以及侧墙分荷载或其他荷载时，应按实际计算，并考虑应力叠加。

2、作用力计算：

计算吊车梁的内力时，应按结构力学中影响线的方法确定各内力所需吊车荷载的最不利位置，在按此求出吊车梁的最大弯矩及其相应的剪力、支座最大剪力、横向水平荷载作用下在水平方向所产生的最大弯矩，当为制动桁架时需计算横向水平荷载在吊车梁上翼缘所产生的局部弯矩。

简支梁在行动轮压和横向水平力的作用下，产生的竖向弯矩、水平弯矩和剪力，应按可能排列于梁上的轮数、轮序及最不利位置进行计算。当制动结构为桁架时，尚应计算横向水平力对翼缘产生的弯矩。

（1）最大竖向弯矩及支座反力

当梁上有2个或2个以上轮压作用时，轮子的排列应使所有梁上轮压的合力作用线与最近一个轮子间的距离被梁中心线平分，则此轮所在位置既为梁最大弯矩截面位置。最大剪力 可按梁反力影响线来求得。

当梁上作用有2个、3个、4个轮时，梁最大内力 、 可按下表计算。计算前应先于梁上排列轮数及轮序，判断并选择最不利轮位后，在按下表5－1～5－3计算。

表5-1 作用于梁上两个轮时简支吊车梁最大竖向弯矩、剪力计算公式

简 图 算 式

最大弯矩

最大剪力


表5-2 作用于梁上三个轮时简支吊车梁最大竖向弯矩、剪力计算公式

简 图 算 式

最大弯矩 合力作用线在梁中左侧 ， ， 合力作用线在梁中右侧 ， ，

最大剪力

表5-3 作用于梁上四个轮时简支吊车梁最大竖向弯矩、剪力计算公式

简 图 算 式

最大弯矩 合力作用线在梁中左侧 ， ， 合力作用线在梁中右侧 ， ， 若 大于 很多，合力线进入两个 轮之间时， 及 分别改为按下式计算： ，

最大剪力

（2） 最大水平弯矩及支座反力

①当制动结构为制动板时，在横向力作用下，其最大水平弯矩 和支座反力 可按在竖向轮压下梁最大弯矩和反力的相同轮位进行计算，应注意此时横向力须考虑横向水平力增大系数 。

②当为制动桁架时，其计算简图如图5－9所示，由 在吊车梁上翼缘（或制动桁架外弦）产生的附加轴力 N按下式计算：

图5-9 制动桁架计算简图

这里， 为制动桁架弦杆重心线间距离。

制动桁架腹杆内力计算可按车轮横向力作用下桁架杆件影响线来求得，对中列制动桁架还应考虑相邻跨吊车水平力同时作用的不利组合。

制动桁架在吊车横向水平力作用下，吊车梁上翼缘（即制动桁架弦杆）同时还产生节间弯矩 ，可按以下方式近似计算。

轻、中级工作制吊车的制动桁架：

重级工作制吊车的制动桁架：

这里， 为桁架节间距离。

3、吊车梁及制动结构的强度和稳定

（1）吊车竖向荷载设计值

（5-3）

上式中， 为最大轮压标准值。 为动力系数，对悬挂吊车（包括电动葫芦）以及轻、中级工作制的软钩吊车， 取1.05；对中级工作制的软钩吊车、硬钩吊车以及其它特种吊车， 取1.1。 为附加荷载增大系数。

（2）吊车横向水平荷载设计值

对于轻、中级吊车：

（5-4）

对于重、特重级吊车：

（5-5）

这里， 为横向荷载增大系数。

（3）弯曲正应力

1）上翼缘正应力

I.无制动结构时

（5-6）

II.有制动梁时

（5-7）

III.有制动桁架时

（5-8）

2)下翼缘正应力

（5-9）

这里， 为吊车竖向荷载对x轴产生的最大竖向弯矩； 为对上翼缘或下翼缘与制动梁组合截面y轴的水平弯矩； 当为制动桁架时，上翼缘在桁架节间内的水平局部弯矩；可近似按下式计算：

（5-10）

上式中，T为作用于一个吊车轮上的横向水平荷载或摇摆力； 为制动桁架节间长度。 为上翼缘及制动桁架组成的水平桁架中由 作用在上翼缘（弦杆）产生的轴心力； 为梁上部参与制动结构的有效净面积； 为对吊车梁截面强轴（x轴）净截面抵抗矩； 为吊车梁上翼缘截面（包括加强板、角钢或槽钢）对y轴的净截面抵抗矩； 为梁上翼缘与制动梁组合成水平受弯构件对其竖向轴（y1轴）的净截面抵抗矩；

（4）剪应力

1）一般截面

（5-11）

这里， 为梁计算截面承受的剪力； 为计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩； 为计算截面对 轴的毛截面惯性矩； 为腹板厚度； 为分别为钢材抗弯、抗剪强度设计值； 为系数；

2）突缘支座截面

（5-12）

这里， 为腹板高度。

（5）吊车梁腹板计算高度上边缘受集中荷载局部压应力

1）重级吊车梁

（5-13）

2）其它吊车梁

（5-14）

（5-15）

（5-16）

这里， 为轨顶至腹板上边缘的距离； 为荷载分项系数，取1.4； 为腹板的高度； 为腹板的厚度； 为动力系数。

（6）吊车梁腹板计算高度边缘折算应力

1）简支梁

（5-17）

2）连续梁

（5-18）

（7）端支承加劲肋截面强度

1）受压短柱

（5-19）

这里， 为支座反力； 为由长细比 决定的轴心受压构件稳定系数； 为将支座加劲肋视为轴心受压构件时的计算面积，包括支座加劲肋和加劲肋两侧或一侧 范围内的腹板面积；

2）端面承压

（5-20）

这里， 为端面承压面积（支座加劲肋与下翼缘或柱间梁顶面接触处的净面积）。

4、吊车梁腹板及横向加劲肋强度补充验算

（1） 扭矩T及附加弯曲应力

（5-21）

（5-22）

这里，e为轨道偏心可取15mm； 为轨道高度。

(5-23)

（5-24）

这里， 为轨道抗扭惯性矩；b、t分别为上翼缘宽度和厚度。

（2）考虑扭矩T时梁腹板上端边缘处强度补充验算

（5-25）

（5-26）

（5-27）

（5-28）

（5-29）

（5-30）

（2） 成对布置的腹板加劲肋的强度

（5-31）

5、特重级吊车梁的疲劳计算

（1）吊车荷载设计值：

（5-32）

（5-33）

（2）受拉翼缘与腹板连接处焊缝及附近主体金属疲劳应力幅

1）横向加劲肋下端点附近主体金属疲劳应力幅

（5-34）

（5-35）

2）下翼缘与腹板连接处角焊缝疲劳应力幅

（5-36）

（5-37）

6、吊车梁的竖向挠度计算

吊车荷载设计值为：

（5-38）

（1）简支梁

等截面梁：

（5-39）

渐变式变截面梁：

（5-40）

（2）连续梁

（5-41）

这里， 为附加荷载增大系数； 为计算截面对 轴的毛截面惯性矩（跨中）； 为计算截面对 轴的毛截面惯性矩（支座）； 代表由全部竖向荷载（标准值，不考虑动力系数）产生的最大弯矩。

7、吊车梁的水平挠度计算

吊车荷载设计值：

（5-42）

对于制动板情况：

（5-43）

对于制动桁架情况：

（5-44）

8、焊接吊车梁的连接计算

梁腹板与上翼缘板的连接焊缝：

（5-45）

梁腹板与下翼缘板的连接焊缝：

（5-46）

支座加劲肋与梁腹板的连接焊缝：

平板支座

（5-47）

突缘支座

（5-48）

这里， 为计算截面的最大剪力设计值（考虑动力系数 ）； 为翼缘截面对梁中和轴的毛截面惯性矩； 为梁的毛截面惯性矩； 为系数，对中级工作制的吊车梁 取1.35；其它梁 取1.0； 为作用在吊车梁上的最大轮压设计值（考虑动力系数）； 为腹板承压长度， （ 为轨顶直腹板上边缘的距离）。

四、 吊车梁的构造

轻钢结构中吊车的起重量通常较小，一般做法为等截面或变截面的焊接H型钢简支梁。

焊接工字形吊车梁的横向加劲肋与上翼缘相接处应切角。当切成斜角时，其宽约为bs/3(但不大于40mm)，高约为bs/2(但不大于60mm)。bs为加劲肋宽度。横向加劲肋的上端应与上翼缘刨平顶紧后焊接，加劲肋的下端宜在距离受拉翼缘50～100mm处断开，不应另加零件与受拉翼缘焊接（见图5-10a）；当同时采用横向加劲肋和纵向加劲肋时，其相交处应留有缺口（图5-10（a）剖面图2-2），以免形成焊接过热区。重级工作制吊车梁，对此间隙应由疲劳验算决定，横向加劲肋下端点焊缝宜采用连续回焊后灭弧的施焊方法。（见图5-10b）

(a) 轻、中级工作制吊车梁

(b) 重级工作制吊车梁

图5-10 焊接工字形吊车梁构造

吊车梁制作时，翼缘板和腹板的工厂拼接应采用加引弧板的对接焊缝，对接完毕后应将引弧板割去并打磨平整。吊车梁制作应符合要求：

（1） 上下翼缘板的对接焊缝一般要求采用自动焊的直缝对接，并要求焊透。当夏翼缘对接焊缝位于跨中的1／3范围内时，宜采用45o～55o斜缝对接；

（2） 翼缘或腹板的工厂拼接接头不应设在同一截面上，应尽量错开≥200mm，接头位置宜设在距支座约为1／3～1／4梁跨度范围内；

对与腹板纵横梁方向的对接焊缝，可采用T形交叉也可采用十字形交叉，对T形交叉，其交叉点的距离不得小于200mm；当拼接焊缝与加劲肋相交时，加劲肋与腹板连接角焊缝应中断，其端部与拼接焊缝的距离约为50mm。

（3） 对接焊缝所选用的引弧板，必须与母材的材质、厚度相同，剖口形式也需与母材相同。

吊车梁与制动结构的连接，重级工作制吊车梁应采用高强度螺栓连接，轻、中级工作制吊车梁可采用工地焊接。

吊车梁的受拉翼缘上不得焊接悬挂设备零件，吊车梁的受拉翼缘与水平支撑的连接应采用螺栓连接不得焊接。

五、 牛腿构造

柱上设置牛腿以支承吊车梁、平台梁或墙梁。一般有实腹式柱上支承吊车梁的牛腿和格构式柱上支承吊车梁的牛腿。

实腹式柱上支承吊车梁的牛腿，柱在牛腿上、下盖板的相应位置上，应按要求设置横向加劲肋。上盖板与柱的连接可采用角焊缝或开坡口的T形对接焊缝，下盖板与柱的连接可.采用开坡口的T形对接焊缝，腹板与柱的连接可采用角焊缝。（见图5-11）

（a）边列柱牛腿 （b）中列柱牛腿

图5-11 实腹柱牛腿构造

格构式柱上支承吊车梁的牛腿：第一种可由两个槽钢（或角钢对焊成的槽形钢）与一盖板组成，两槽钢（或角钢对焊成的槽形钢）焊与柱分肢的两侧，并在其上翼缘间设置横隔板或横隔架（见图5-12）。第二种可由内焊于柱分肢之间的焊接工字钢组成（见图5-13）。

图5-12 格构柱上支撑吊车梁的牛腿之一

图5-13 格构柱上支撑吊车梁的牛腿之二

六、 牛腿计算

1、牛腿与柱连接处截面强度计算

（1）抗弯强度

（5-49）

（3） 抗剪强度

（5-50）

（4） 腹板计算高度边缘处的正应力

（5-51）

（5） 腹板计算高度边缘处的折算应力

（5-52）

2、牛腿与柱连接处焊缝强度计算

实腹式柱上牛腿及第二种格构式柱上牛腿：

（5-53）

第一种格构式柱上牛腿：

（5-54）

七、 吊车梁及牛腿计算示例

1、6m焊接工字形吊车梁计算

已知条件：某单层工业厂房，跨度24m，柱距6m，设有一台3吨单梁吊车，轻级工作制。吊车跨度S=22.5m；起重机重量：50.2KN；轮距： ；最大轮压： ； 最小轮压： 。

1、吊车梁内力计算（采用简支吊车梁）

图5-14 计算简图

（1）最大弯矩

(2)最大剪力


2、吊车梁截面选择

（1）根据容许挠度确定吊车梁截面

选用H300×200×6×8。

(2)按剪力确定吊车梁腹板

采用Q235钢 。

(3)按经验公式确定吊车梁腹板

综上所述三种情况,初选吊车梁截面为:H300×200×6×8。

3、吊车梁稳定性验算

（1）整体稳定验算:

1）弯矩计算

轨道及吊车梁自重产生的弯矩 （轨道采用24kg/m轻轨）：

图5-15 吊车梁截面

最大轮压产生的弯矩设计值 :


2）水平弯矩

3）整体稳定系数

A=4900mm2


整体稳定满足满足要求。

（2） 部稳定验算

按构造配置横向加加劲肋,按最大间距 配置， ，在腹板两侧成对配置。加劲板尺寸为：外伸 ，取 ；厚度 ，取 。

4、吊车梁的强度验算

（1）上翼缘的正应力计算

满足要求。

（2）下翼缘的正应力计算

（3）吊车梁支座处截面的剪应力设计值

1）吊车梁及轨道自重产生的剪力设计值

2）最大轮压产生的剪力设计值 ：

面积矩S：

截面惯性矩I:

满足要求。

(4)局部承压强度验算


经验算:吊车梁截面选用 。

2、吊车梁牛腿计算

已知条件厂房跨度S＝24m；柱间距Bay＝6m；吊车荷载 Q＝10t；轮距 K＝4.1m；鞍座长B＝5.7m；最大轮压P＝120kN；吊车梁重 G＝0.6t；牛腿反力N＝239.46kN；偏心距e＝300 mm；外伸长度d＝200mm；牛腿型号：BH450-300×250×6×10；材料：Q345；截面高h：450 mm；截面宽b：250mm；翼板厚tf：10 mm；腹板厚 tw：6mm；力作用点处截面：BH360×250×6×10。

图5-16 牛腿计算简图

（1） 拉应力计算

牛腿根部弯矩 ；

牛腿根部截面惯性矩 ；

牛腿根部截面抗弯模量 ；

最大拉应力 ；

, 满足要求。

（2）剪应力计算

力作用点处腹板中点剪应力最大。

截面惯性矩 ；

腹板中点以上截面面积矩 ；

最大剪应力 ；

, 满足要求。

（3）折算应力计算

验算牛腿根部腹板与翼板相交点折算应力。

该点以上截面面积矩 ；

该点剪应力

该点拉应力 ；

该点折算应力 f = , 满足要求。

（4）焊缝计算

角焊缝抗拉，抗剪强度设计值 。

翼板周边角焊缝长 ；

腹板周边角焊缝长 ；

翼板角焊缝高度 ；

腹板角焊缝高度 。

第三节 楼梯和栏杆

楼梯和栏杆是建筑物的一个重要组成部分，本节主要讲述轻钢结构中的楼梯和栏杆的结构计算及构造要点。

一、楼梯

在轻钢结构中较为常用的楼梯形式有：直梯和斜梯。直梯通常是在不经常上下或因场地限制不能设置斜梯时采用，多为检修楼梯；经常通行的钢梯宜采用斜梯，它是工业建筑厂房及其构筑物经常采用的钢梯形式。

1. 直梯

轻型钢结构厂房的室外检修楼梯通常采用直钢梯，其宽度一般为600～700mm。直梯的竖向荷载按1.5kN的集中力考虑。直梯的立杆及其它受力构件一般采用角钢，踏步通常采用d=16mm的圆钢。

图5-17为轻钢厂房中常见的检修爬梯。


图5-17 检修爬梯

2. 斜梯

（1）概述

楼梯一般由楼梯梁、踏板、平台梁和平台板等几个部分组成。楼梯梁的截面通常选用槽钢、工字钢或钢板等；平台梁截面一般是槽钢或工字钢；踏步板的做法很多，较为常用的材料有花纹钢板、玻璃、木材以及混凝土和钢板组成的组合踏步板；平台板多是组合楼板、混凝土楼板、花纹钢板等。

钢楼梯的做法较多，但其受力特点基本相同，因此其计算特点也基本相同。其计算特点是：梯梁按斜放的简支梁计算，设计荷载按均布荷载进行考虑，计算跨度取平台梁间的斜长净距；平台梁按两端固接梁计算，设计荷载为梯梁传来集中力和休息平台上的设计荷载，计算跨度取柱轴线间距离；踏步板计算可按两端固接或两端铰接计算：如果踏步板的材料为钢板，则按两端固接进行计算，如果踏步板的材料为玻璃、木材等，则应按两端简支进行计算，计算荷载取设计荷载，计算跨度取梯梁轴线间距离；平台板的计算详见第四节的检修平台板的计算。

楼梯荷载应根据建筑类别，按《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）确定楼梯的活荷载标准值。需要注意的是楼梯的活荷载往往比所在楼面的活荷载大。生产车间楼梯的活荷载可按实际情况确定，但不宜小于3.5kN／㎡（按水平投影面计算）。荷载的传力路径为（图5-18）：


图5-18楼梯荷载传力路径

设楼梯单位水平长度上的竖向均布荷载p=g+q（与水平面垂直），则沿梯梁单位斜长上的竖向均布荷载 ，此处α为梯梁与水平线间的夹角，将 分解为：

（5-55）

（5-56）

图5-19 楼梯荷载传力路径

此处 、 分别为 在垂直于梯梁方向及沿梯梁方向的分力。

根据计算所得 、 ，对梯梁按压弯构件进行设计即可。

平台梁按一般压弯构件进行设计即可。

踏步板与楼梯梁之间可采用焊缝连接或螺栓连接，如图5-20（a）所示，（踏步板为钢板的情况）；梯梁与平台梁之间一般采用螺栓连接，如图5-20（b）所示，连接螺栓的大小可根据梯梁传到平台梁的竖向分力进行设计；梯梁与地面连接见5-20（c）。


图5-20 典型的楼梯连接图

（2）设计实例

某轻钢工业厂房检修平台的钢楼梯（如图5-21）踏步板采用5mm花纹钢板，钢梯斜梁采用槽钢，两梯梁轴线间距离为1500mm,试确定槽钢的型号。（恒荷载标准值取0.4kN/m2,活荷载标准值取3.0KN/m2）。

图5-21 楼梯斜梁计算简图

选用10号槽钢，材质Q235。

1）荷载计算

作用于楼梯斜梁的恒荷载标准值：

作用于楼梯斜梁的活荷载标准值：

则作用于楼梯斜梁的荷载设计值：

2）内力计算

楼梯斜梁跨中最大弯矩： ；

斜梁剪力： ；

3）截面验算

10号槽钢，材质Q235，Wx=39.7cm3,Ix=198.3 cm4；

二、栏杆

1、概述

在轻钢结构厂房中，平台的周边、斜梯的侧边以及因工艺要求不得通行地区的边界均应设置防护栏杆。工业平台和人行通道的栏杆应符合GB4053-3-83的要求。平台和斜梯的栏杆可自行设计，亦可按国家标准图集87J432选用。

栏杆由立杆、顶部扶手、中部纵条以及踢脚板等组成。工业建筑中栏杆的形式相对较为简单，其主要构件（立杆和顶部扶手）可选用刚度较好的角钢（∟50X4㎜）或圆钢管(φ38～45×2㎜)。栏杆立柱的间距不大于1m，并应采用不低于Q235钢的材料制成。中部纵条可选用不小于－30×4的扁钢或φ16的圆钢固定在立杆内侧中点处，中部纵条与上下杆件之间的间距不应大于380mm。为保证安全，平台栏杆均须设置挡板（踢脚板），挡板一般采用-100×4㎜扁钢。室外栏杆的挡板与平台面之间宜留10mm的间隙，室内栏杆不宜留间隙。

栏杆可分段整体制作，栏杆各部件之间宜采用焊缝连接。立杆与平台边梁的连接可采用工地焊接或螺栓连接。

栏杆设计时应按规定考虑栏杆顶部水平荷载0.5kN/m（对住宅、宜园、幼儿园等）或1.0kN/m（对于学校、车站、展览馆等）。

栏杆高度一般为1000㎜，对高空及安全要求较高的区域，宜用1200㎜；工业平台栏杆的高度不应小于1050mm；对于不经常通行的走道平台和设备防护栏，其高度宜降低至900㎜。平台栏杆应与相连接的钢体栏杆在截面和高度上协调一致。

图5-22 典型楼梯栏杆图

2、设计实例

某工业平台栏杆（如图5-23），栏杆高度l＝1050mm；立杆间距750mm，采用∟50X4㎜角钢；验算立杆的强度及立杆与平台梁连接的焊缝强度。（栏杆顶部水平荷载q=0.5KN/m）


立杆与平台梁（或其它梁）的连接采用双面角焊缝承担栏杆顶部水平力产生的弯矩。取 ；

则焊缝的有效厚度 ,焊缝的计算长度 。


第四节 检修平台和女儿墙

一、检修平台

1、轻钢检修平台概述

平台结构通常由梁、柱、柱间支撑以及梯子和栏杆等辅助结构组成。根据使用要求可分为室内和室外平台；承受动力荷载和承受静力荷载的平台；生产辅助用的通行、检修平台和中、重型设备操作平台等。

轻型钢结构的检修平台一般只承受静力荷载，且承受的荷载一般也较小，根据承受荷载的不同，可将其分为两类：通行平台和操作平台。

平台荷载一般由工艺设计人员提供。对设有一般动力设备（如小型电动机、通风机、减速机、输送机等振动不大的设备）以及某些机动车（如加料机、揭盖机、机车车辆等）的平台结构，可将设备重（包括物料重）乘以动力系数按静态荷载进行计算。

通行平台的可变荷载标准值为2.0kN/m2，用于人行走道平台、单轨吊车检修平台；操作平台的可变荷载标准值为4.0～8.0kN/m2，或由工艺设计人员提供，用于一般工艺或设备检修平台，有小型设备或少量堆料的操作平台等。

对只承受静力荷载且荷载较小的平台视具体情况可将平台梁支撑于牛腿或三角架上、设备上或吊架上；对需抗震设防的地区，有较大动力荷载或荷载较大的平台宜支撑于独立柱上，与厂房结构完全分离。

2、平台梁

平台梁一般选用等截面的实腹构件（焊接H型钢或热轧型钢等），当跨度和荷载较大，并需要较大的抗扭刚度时亦可选用箱型截面梁；当跨度大而荷载较小时可采用桁架梁。梁的截面高度由容许挠度、梁的经济高度和建筑净空要求等条件确定。次梁间距a根据铺板的强度和刚度来确定，一般为600～1000mm之间。

3、平台柱与柱间支撑

平台柱的截面形式应根据荷载的大小、柱子的高度及其受力情况并考虑材料供应等综合因素来确定。平台柱一般选用等截面的实腹柱（焊接H型钢或热轧型钢等）；当柱的内力很小时，亦可选用双角钢十字形组合截面；当柱子较长时亦可选用格构柱。平台柱的柱脚通常设计为铰接柱脚，用地脚螺栓直接固定在基础上，按轴心受压构件设计。

为确保独立平台结构的侧向稳定，一般需在柱列中部设置柱间支撑。较为常用的支撑形式为交叉式（如图5-24a、b）；当净空有限制时亦可设计成门形支撑或连续的隅撑（如图5-24c、d），隅撑设置高度（即隅撑与柱的交点至柱定的距离）不宜大于柱高的1／3,有时也采用横梁与柱刚接的框架形式（如图5-24e）

图5-24 平台柱的支撑

4、平台铺板

平台铺板按工艺生产要求分为固定式和可拆卸式；按构造可分为板式（花纹钢板、平钢板、平钢板加工冲泡或电焊花纹、钢筋混凝土组合楼板等）、篦条式（由圆钢或扁钢焊成或工厂制成的钢格板）及钢网格板（工厂制造的钢网板、压焊钢格栅板，YB4001-91）等。

对通行平台和操作平台的平台板宜采用花纹钢板；对室外平台以及有减少积灰和便于观察设备要求的平台，可采用篦条式铺板或钢网格板。当室外平台采用平钢板时，应在板面上设泄水孔。

平台铺板的跨度L（净跨）不宜大于（120～150）t（t为板件的厚度）；板的最大挠度不宜大于L/150。

平台铺板可按单跨（或四边）简支板计算；三跨或三跨以上的连续平台铺板，当按单向板计算时，可按简支的连续板考虑；当平台铺板在支座处连接牢固，且有可靠保证在板中拉力作用下支座不能产生侧移时，铺板可按单向拉弯构件来计算；当利用加劲肋作为板的支座，铺板按四边简支计算时，加劲肋的容许挠度值不应大于L／250（L为加劲板的跨长），否则仍应按单向板计算。当加劲板按构造设置时，平台板均按无肋铺板考虑。

根据平台的操作荷载，可按下表5－4选择钢铺板的厚度（t，t≥6mm）

表5-4 钢铺板厚度

平台操作荷载qk(KN/m2) ≤10 11～12 21～30 ＞30

可选板厚t（mm） 6～8 8～10 10～12 12～14

平台铺板下一般应按一定间距设置加劲肋，加劲肋的作用为：

1） 保证铺板有一定的刚度，间距一般为板厚的100～150倍；

2） 作为较小集中荷载（梯子、支架等）作用处的加强措施；

3） 作为洞口的相关板件；

4） 必要时作为平台铺板的边界支承小梁，起承载作用。

加劲肋的常用截面为板条或角钢，用断续焊缝与铺板相连。当加劲肋为扁钢时，其截面高通常为其跨度的1／12～1／15，且高度不小于60mm，厚度不小于5mm。当加劲肋为角钢时，宜选用不等边角钢，并将长肢肢尖与钢板相焊，长肢与板面垂直来设置（如下图5-25），角钢截面一般不小于L50×4或L56×36×4。

图5-25 平台铺板的加劲板

轻型钢结构的平台设计主要是梁、柱及平台板的设计，其计算主要是通过手算或编制的小型软件进行，图5-26所示为典型轻型钢结构的平台构造图。

在轻型平台结构中，平台铺板与次梁或其他构件的连接通常采用断续焊缝，其净距当铺板计入梁或加劲肋的计算截面时不应大于15t，其他情况不应大于30t（t为较薄焊件的厚度）。

(a)

（b）

(c)

图5-26 典型平台构造图

5、设计实例

某工业独立检修平台（如图5－27）主梁与柱刚接，次梁与主梁铰接。检修平台恒荷载标准值（不包括梁自重）取0.5KN/m2，可变荷载标准值2.0KN/m2，试确定主梁和次梁的截面。

图5-27

(1) 平台铺板计算

1）荷载计算

已知：gk=0.5KN/m2，qk=2.0KN/m2。则单位宽度板上的均布荷载标准值：pk=（0.5+2.0）×1=2.5 KN/m；单位宽度板上的均布的荷载设计值：p=（1.2×0.5+1.4×2.0）×1=3.4 KN/m。

2）内力计算

3）强度

4）挠度验算

（2）次梁计算(试选用5号槽钢)

1）荷载计算

已知：gk=0.5+0.0544=0.5544KN/m2，qk=2.0KN/m2。一个计算单元的荷载标准值：pk=（0.5544+2.0）×1=2.5544 KN/m；一个计算单元的荷载设计值：p=（1.2×0.5544+1.4×2.0）×1=3.47 KN/m。

2）内力计算

次梁跨中最大弯矩：

支座处剪力：

3）截面验算

试选用5号槽钢，Wx=10.4cm3,材质Q235。

4）挠度验算

（3）主梁计算（试选用8号槽钢）

1）荷载计算

已知：P＝2.60KN ， ，取梁自重：p=0.08KN/m。

2）内力计算

主梁为两端固接，次梁上的荷载作为集中力传递到主梁上，

梁端剪力：

3）截面选择

试选用8号槽钢，Wx=25.3cm3,材质Q235。

4）挠度验算

二、女儿墙

高出屋面的墙体称为女儿墙，其作用为使天沟内置，挡住屋脊，使建筑立面更加统一美观。其结构部分一般由女儿柱、横梁、拉条等构件组成，其作用为支撑女儿墙墙体，保证墙体稳定，并将其上的荷载传递到厂房骨架上。

1、墙体分类

女儿墙按其墙体材料可分为两类：

（1）、轻质墙：通常将压型钢板，夹心板或其他轻质板材悬挂在墙架横梁上，横梁支撑在女儿柱上。

（2）、砌体墙：其墙体材料为普通砖，混凝土空心砌块或加气混凝土砌块，

本章主要介绍轻质女儿墙。

2、女儿墙墙架构件的形式

（1）、女儿柱为女儿墙的竖向构件，承受由横梁传来的竖向荷载及水平荷载。截面通常采用轧制或焊接H型钢。

（2）、横梁为女儿墙的水平构件，一般同时承受竖向荷载和水平荷载，是一种双向受弯构件。（详见女儿墙墙架横梁的计算）

横梁的截面形式：当横梁跨度小于或等于4m时，选用角钢；当横梁跨度小于9m并大于4m时，可选用水平放置的冷弯C型钢（最常用的截面形式）；当梁跨度较大时，亦可选用槽钢，工字钢或H型钢等

3、女儿墙墙架构件的荷载

（1）、墙体的自重，按照各种不同墙体材料的自重叠加计算。

（2）、墙架构件自重，可按所选截面计算。

（3）、水平风荷载，根据《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）取用

4、女儿墙墙架构件的计算

（1）墙架横梁计算

1）强度

墙架横梁为承受墙体竖向荷载（墙体自重）和水平荷载（风荷载）共同作用的双向受弯构件，应按双向受弯公式验算其强度

（5-57）

这里， 分别为梁截面对x轴、y轴的净截面抵抗矩； －水平荷载对x轴的弯矩； －竖向荷载对y轴的弯矩； 分别为截面塑性发展系数； 为钢材抗弯强度设计值。注意：由墙板悬挂偏心引起的扭矩，一般可略去不计。

2）整体稳定

（5-58）

上式中， 分别为按受压纤维确定的对x轴和y轴的毛截面抵抗矩； 为绕强轴弯曲所确定的整体稳定系数。

3）挠度

墙架横梁应分别验算竖向和水平方向的挠度，其挠度根据规范取值。

（2）女儿柱计算

1）强度和稳定计算

女儿柱承受竖向荷载产生的轴向力，及水平风荷载产生的弯矩，按压弯构件计算。女儿柱的内力计算，可按悬臂梁计算，其计算简图如下图所示：

图5-28 女儿柱的计算简图

2）挠度计算

女儿柱在水平荷载的作用下，其最大变形值按下列公式计算；

（5-59）

5、女儿墙结构的构造

（1）、墙架横梁的连接：压型钢板与横梁的连接构造与一般墙面与墙梁的连接相同，横梁连接于女儿柱的檩托板上,如下图5-29所示；

（2）、女儿柱与纵墙方向的主柱连接如图5-30所示；

（3）、女儿柱与山墙方向的主梁连接如图5-31所示；

图5-29 女儿柱与墙架横梁的连接

1-女儿柱 2-墙架横梁 3-女儿墙外墙板

4-女儿墙内墙板 5-女儿墙包角

图5-30 女儿柱与纵墙方向的主柱连接

1 -女儿柱 2-墙架横梁（C型钢） 3-连接板 4-角钢 5-外墙板

6-女儿墙内墙板 7-女儿墙包角 8-加劲板

图5-31 女儿柱与山墙方向的主梁连接

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）、楼面梁、托梁、支撑体系等；

（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。

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，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，又为主结构梁柱提供了部分侧向支撑作用，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300m，横向温度区段不应大于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） 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，还必须注意结构安装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，然后逐榀将平面刚架连接于稳定单元上直至完成全部结构。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架部分。

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℃时冲击功 （纵向）；C级要求提供0℃时冲击功 （纵向）；D级要求提供-20℃时冲击功 （纵向）。按冶炼中的脱氧方法，钢材可分为沸腾钢（F）、半镇静钢(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

Q195 —— F、b、Z 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：Q235—A·FQ235—B·b

Q215 A F、b、Z

B

Q235 A F、b、Z

B

C Z

D TZ

Q255 A Z

B

Q275 —— Z

（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（Z）或特殊镇静钢（TZ）。

表2-2 低合金结构钢的表示方法

牌号 质量等级 脱氧方法 说明

Q295 A Z 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：Q345B——屈服强度345N/mm2，B级镇静钢；Q390D——屈服强度390N/mm2，D级特殊镇静钢；Q345C——屈服强度345N/mm2，C级特殊镇静钢；Q390A——屈服强度390N/mm2，A级镇静钢。

B

Q345 A TZ、Z

B

C

D

E

Q390 A TZ、Z

B

C

D

E

Q420 A TZ、Z

B

C

D

E

Q460 C TZ

D

E

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—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16Mn钢或Q235—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Q235—B、Q235—C、Q235—D及16Mn钢，对于环境温度高于-20℃、起重量Q<50t的中、轻级工作制吊车梁也可选用Q235—B·F。承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构可选用Q235—B和Q235—B·F。

（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-20℃时宜选用Q235—C或Q235—D；高于-20℃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）[6]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设计方法，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:98）[2]直接参照了国内外轻钢结构设计规范采用了极限状态设计法。但是，国际上仍有相当规范采用容许应力设计法或同时提供了容许应力和极限状态两种设计方法。

极限状态设计法是基于这样的认识：不同类型的荷载，如恒载、活载、风载、**等，具有不同的分布规律，并且其超载概率也不同。同容许应力法相比，极限状态设计法引入了荷载分项系数，这些系数对于不同的荷载和不同的极限状态具有不同的数值；不同的材料也具有不同的材料抗力分项系数。极限状态设计法是建立在统一的可靠度指标上的，因而使结构具有一致的有效概率，能得到更为合理的荷载及其效应组合，从而导致更为经济和安全的设计结果。

结构设计的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。其中，结构构件的强度、整体稳定、局部稳定验算属于承载能力极限状态的范畴；结构及其构件的位移和刚度验算属于正常使用极限状态的范畴。一般设计时，首先选择截面使结构满足承载能力极限状态的要求，然后校核其是否满足正常使用极限状态。

二、承载能力极限状态

结构的承载能力极限状态是指在设计荷载作用下不发生强度或稳定破坏。承载能力极限状态的一般表达式为：

（2-1）

上式中， 为结构重要性系数； 为最不利的荷载效应组合值； 为结构的抗力。

结构的荷载效应是结构构件及其连接在荷载作用下的内力（或应力），由结构分析理论计算得到，各类结构分析或设计软件（如ANSYS、SAP84、3D3S等）是很有效和方便的计算手段。结构抗力是连接和截面的强度及构件的稳定承载力等。

必须注意，计算承载能力极限状态时荷载效应和结构抗力都是指设计值。

轻型钢结构各个构件和各个连接节点都必须满足式（2-1）。

三、正常使用极限状态

除了满足结构的承载能力极限状态外，设计者还必须确保结构在使用荷载下能令人满意地完成其预定功能。对于轻型钢结构而言，正常使用极限状态是指结构和构件的位移满足相应的容许值，这可以通过验算结构的变形来确保；同时结构和构件不产生振动，这可以通过限制构件的长细比来确保。

轻型钢结构的位移指标有柱顶侧移和梁柱构件相对变形两项。位移验算的一般公式为：

（2-2）

构件长细比验算的一般公式为：

（2-3）

必须注意：计算结构正常使用极限状态时必须采用荷载的标准值。

轻型钢结构设计时，一般先按照承载能力极限状态设计构件截面，然后校核是否满足正常使用极限状态。由于轻型钢结构较柔，在很多情况下构件截面是由位移控制的。相对而言，对于结构强度和稳定问题的研究要远比对于结构位移容许值的研究深入得多。所以，对于同一类结构体系，各国规范甚至国内不同规程对于位移限值的规定也不一样。

轻型钢结构位移限值的确定必须考虑到以下因素：

（1）不能影响到次结构与主结构之间、围护结构与次结构之间的连接承载能力以及围护结构连接处的水密性；

（2）不能导致屋面板排水坡度的过度平缓，从而引起平坡积水和渗漏；

（3）不能引起屋面和楼面梁以及悬挂天花板产生视觉上明显和过分的挠度；

（4）由于抗风柱的支承，端部刚架梁竖向位移较小，而中部刚架梁位移相对较大。结构位移不能引起屋脊线的明显挠曲；

（5）不能导致维修时屋面的扭曲运动；

（6）风荷载作用下结构不产生过度扭曲运动及吱嘎有声；

（7）不致影响和危及悬挂于刚架梁上吊车的正常运行；

（8）不致影响和危及轨道吊车的正常运行；

（9）不能导致内外砖墙的开裂破坏。

《接下一篇》

轻型门式刚架——计算原理和设计实例 《2》

四、荷载及其组合

1．荷载

作用在轻型钢结构上的荷载包括以下类型：

（1）恒载(G)：结构自重和设备重。按现行《建筑结构荷载规范》的规定采用；

（2）活载：包括屋面均布活载、检修集中荷载(M)、积灰荷载(D)、雪荷载等。其中，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:98）[2]规定均布活载的标准值（按投影面积算）取0.3kN/m2；检修集中荷载标准值取1.0kN或实际值；积灰荷载与雪荷载按现行《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)[7]的规定采用。均布活荷载与雪荷载不同时考虑，取其中较大值(记为L)计算；积灰荷载与雪和均布活载中的较大值同时考虑；检修荷载只与结构自重荷载同时考虑；

（3）风载(W)：现行《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)[3]对于风荷载的取用是以GB50009-2001为基础的，关于风荷载体形系数是按照美国金属房屋制造商协会MBMA《低层房屋体系手册》（1996）中有关小坡度房屋的规定取用的；

（4）温度(T)：按实际环境温差考虑；

（5）吊车(C)：按GB50009-2001的规定取用，但吊车的组合一般不超过两台；

（6）**作用(E)：按GB50009-2001的规定取用，不与风荷载作用同时考虑。

2．荷载组合

计算承载能力极限状态时，对于轻型钢结构可取下述荷载组合[1][3][7]：

（1）1.2G+1.4L；

（2）1.2G+1.4M；

（3）1.2G+1.4C;

（4）1.2G+1.4W；

（5）1.2G+0.9(1.4L+1.4D)；

（6）1.2G+0.9(1.4L+1.4W)；

（7）1.2G+0.9(1.4C+1.4W);

（8）1.2G+0.9(1.4L+1.4T)；

（9）1.2G+0.9(1.4W+1.4T)

（10）1.2G+1.4L+1.4E。

、 、 、 、 等表示荷载的标准值。

计算正常使用承载能力时，对于轻型钢结构可取下述荷载组合：

（1）G+L；

（2）G+M；

（3）G+C;

（4）G+W；

（5）G+L+0.9xD；

（6）G+L+0.6xW；

（7）G+W+0.7xL；

（8）G+C+0.6xW;

（9）G+W+0.7xC;

（8）G+L+0.6xT;

（9）G+W+0.6xT;

（10）G+L+E。

第三节 计算模型和计算理论

一、计算模型

轻型钢结构的功能形成过程可表示为：

梁和柱通过高强螺栓连接→平面门式刚架

↓

平面刚架通过支撑和系杆→空间刚架

↓

围护材料 + 基础→轻型钢建筑

忽略实际结构的蒙皮效应后可以得到由空间梁系组成的空间刚架，忽略空间刚架的空间共同工作效应后可以得到由平面梁系组成的平面门式刚架。忽略结构柱脚与基础之间连接的弹性刚度后可以得到理想的铰接或刚接的结构支座条件。由实际轻钢结构提取计算模型的过程如图2-2所示：





图2-2 轻钢结构的计算模型建立

计算模型的简化和建立必须符合实际结构的受力特点；反过来，实际结构的设计也必须考虑到现有理论能够分析其计算模型。

二、蒙皮效应

在垂直荷载作用下，坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。屋面板将与支撑檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势。这时，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而边缘檩条承受轴力起深梁翼缘的作用。显然，屋面板的抗剪切能力要远远大于其抗弯曲能力。所以，蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应[26][28][29]。对于坡顶门式刚架，抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度，坡度越大蒙皮效应越显著；而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加，见图2-3所示。

图2-3 蒙皮效应

构成整个结构蒙皮效应的是蒙皮单元。蒙皮单元由两榀刚架之间的蒙皮板、边缘构件和连接件及中间构件组成，如图2-6所示。边缘构件是指两相邻的刚架梁和边檩条（屋脊和屋檐檩条），中间构件是指中间部位檩条。

图2-4 蒙皮单元

蒙皮效应的主要性能指标是强度和刚度。蒙皮单元有以下三种强度破坏的可能性：

1． 边缘构件破坏

边缘构件可能产生压弯失稳破坏或强度破坏，这类破坏属于脆性破坏，在实际工程中应尽量避免。

2． 蒙皮板的剪切屈曲

这也是一种脆性破坏，当荷载较大、钢板较薄或板型较差时可能发生，在实际工程中也应尽量避免。

3． 连接破坏

连接破坏包括板之间的连接破坏和板与边缘构件间的连接破坏。板与檩条之间的连接在平行于檩条方向的破坏属于脆性破坏，其他破坏都属于延性破坏。

影响蒙皮单元刚度的因素主要有以下三个：

1． 蒙皮板本身的变形刚度

蒙皮板的变形包括板的拱褶扭曲变形（所谓的“手风琴”效应）和剪切变形。

2． 连接件的变形刚度

3． 边缘构件的轴向变形刚度

一般而言，中间构件对蒙皮单元的剪切刚度影响不大，但对强度影响较大。在屋面板型选中后，连接件和边缘构件直接影响了蒙皮单元的抗剪刚度和强度。

由于蒙皮效应，实际轻型钢结构建筑中，压型钢板在宏观上参与了受力，为刚架构件分担了一部分外荷载，同时在有良好连接的情况下为这些构件提供了很好的侧向约束和扭转约束，改善了结构的受力条件。特别对于受稳定控制的薄壁刚架构件和檩条构件，蒙皮效应尤为显著。然而，由于蒙皮效应的机理和作用条件及效果十分复杂，在实际工程设计中定量地应用蒙皮效应还有一定困难。所以，现行设计规程没有明确给出利用蒙皮效应的条款，所有设计计算公式都忽略了蒙皮效应，只是规定在有充分依据的条件下可以考虑蒙皮效应。然而，必须注意的是，设计中无论我们是否考虑蒙皮效应，蒙皮效应客观上都是存在的。例如，现行轻型钢结构设计规程对水平位移的限制是很宽的，但实际上结构的实测值总是远小于计算值；而实际工程中也发生过屋面压型钢板在正常工作荷载下率先发生破坏的工程事故。所以，忽略蒙皮效应的设计方法有时能得到偏于安全的结果，有时又恰恰相反。考虑蒙皮效应的设计方法并不仅仅具有经济上的意义，更重要的是可以使结构的设计工作状态与实际工作状态更加一致。

三、一阶弹性理论和二阶弹性理论

轻钢结构内力和位移的计算采用一阶弹性理论，即线性的结构力学方法。一阶弹性理论的基本假定是结构处于弹性状态、结构产生的较小位移引起的二阶效应可以忽略不计。如果结构的内力和位移采用一阶弹性理论可以得到足够精确的分析结果，这类结构被称为线弹性结构。

一阶弹性理论具有线性的可叠加特性，即：荷载效应的组合结果与荷载组合后的效应分析结果是一致的。荷载效应的组合结果是指：首先进行各单个荷载工况下的内力和位移效应分析，然后进行效应组合叠加所得的结果；荷载组合后的效应分析结果是指：首先进行荷载的组合叠加，然后进行各组合荷载下的内力和位移效应分析结果。按照我国现行建筑结构的设计规范规定，内力和位移的计算结果应该是荷载效应的组合结果。事实上，轻钢结构的分析可以取荷载效应的组合值，也可以取荷载组合下的效应分析值，这两者是一致的。但必须注意，各单个荷载工况下结构构件内的最大内力（位移）所在的位置是不一样的，效应组合时必须计算并比较确定最大的效应组合值及其相应的位置；而确定组合荷载作用下的构件内最大内力（位移）及其相应的位置相对而言较为直接和容易。

事实上，一阶弹性理论是近似的。结构的节点位移会产生杆端内力的 效应，而杆件本身的变形也会产生杆身内力的 效应，见图2-5所示。 和 效应反过来又会引起结构位移的变化。这样的相互耦联和相互影响的效应称为结构的二阶效应。如果结构的二阶效应较大而不可忽略，必须采用二阶弹性理论分析其内力和位移，相应的这类结构也被称为非线性弹性结构。

图2-5 结构的 和 效应

二阶弹性理论不具有线性的叠加性质，即：荷载效应的组合结果不再等于荷载组合后的效应分析结果。非线性结构的内力和位移是指组合荷载作用下的效应。所以，必须首先对各荷载工况进行组合，然后进行组合荷载作用下的结构二阶弹性分析。

一阶弹性理论适用于线弹性结构，其内力和位移计算值可以取荷载效应组合值或荷载组合下的效应计算值；二阶弹性理论适用于非线性弹性结构，其内力和位移计算值必须取荷载组合下的效应计算值。

四、薄壁构件结构力学

轻型钢结构中主刚架一般由焊接或轧制型钢截面组成，内力分析采用一般结构力学理论。一般结构力学理论研究结构及其构件的弯曲问题，其重要假定是平截面假定，构件因弯曲产生截面弯曲正应力 和弯曲剪应力 。

次结构的檩条一般为冷弯薄壁截面，冷弯薄壁型钢是在室温下将较薄的钢板或带钢通过冷轧或冲压等加工手段，弯折成的各种截面的型钢。由冷弯薄壁构件组成的结构的分析应采用薄壁构件结构力学。薄壁构件力学研究构件的弯曲和扭转问题，其重要假定是截面刚周边假定，构件截面内的应力包括弯曲正应力 、弯曲剪应力 、翘曲正应力 、自由扭转剪应力 和约束剪应力 。

开口薄壁构件在外力作用下往往同时产生弯曲变形和扭转变形。构件弯曲会产生截面正应力 和剪应力 。薄壁构件的扭转有自由扭转和约束扭转两类。自由扭转只产生剪应力 ；约束扭转会同时产生剪应力 和翘曲正应力 。

在平行于形心主轴的外力作用下，如果外力与截面剪力流在两个形心主轴方向和扭转方向平衡，这个外力的作用线就是剪应力流的合力作用线，如图2-6所示。薄壁构件中的弯曲剪应力计算公式为：

（2-4）

这里， 表示外力； 、 、 分别为截面惯性矩、面积矩和板件厚度。

由式（2-4）可见，弯曲剪应力在截面上的分布规律仅取决于截面的面积矩，而面积矩是由截面的几何形状决定的，所以全截面剪力流合力作用线也就只和截面的几何有关。两个平行于形心主轴的剪力流合力作用线交于一点，这一点就是截面弯心，或称剪力中心，扭心。截面剪心的连线称为剪心轴。当外荷载通过剪心轴时，构件只产生弯曲而不产生扭转[40]。

图2-6 平行于截面主轴的外力与截面弯曲剪力流平衡

当荷载不通过剪心轴时，荷载可以分解为过剪心的力和扭矩，相应的构件的分析也可以分解为过剪心的荷载作用下构件的弯曲和扭矩作用下构件的扭转，如图2-7所示。考虑构件扭转的未知量是截面的扭角，其余的都只与截面几何性质有关。

图2-7 荷载作用下构件的弯曲和绕剪心的扭转

构件的扭转有自由扭转和约束扭转两类。构件的自由扭转符合条件（1）构件两端受大小相等、方向相反的一对扭矩作用；（2）构件端部无扭转约束。构件的自由扭转引起的扭矩与构件厚度的立方成正比。构件的自由扭转剪应力表达式为：

（2-5）

上式中： 为自由扭矩；G为钢材的剪切弹性模量；It为截面抗扭惯矩， ，bi, ti分别表示各段板宽和板厚。

考虑构件的约束扭转需要用到一个新的广义坐标——扇性坐标，见图2.8。图a为薄壁构件横截面；图b表示一般扇性坐标的定义，取剪心B为极点，截面中线任意点n1为起点，以所考虑的截面中线上的点为计算点，以极点与起始点、计算点连线和截面中线围成面积的2倍，并规定以 顺时针为正。当截面为规则直线段构成，扇性坐标将很容易计算；图c所取起点合适，使得截面上扇性坐标的积分为0，这样的扇性坐标为主扇性坐标。

图2-8 扇性坐标和主扇性坐标

扇性坐标可以来表征截面任意点的轴向位移，通过扇性坐标可以定义相应的扇性面积矩和扇性惯性矩。约束扭转的应力可分解为翘曲剪应力和翘曲正应力。其中翘曲剪应力分布与扇性面积矩图形相同，而翘曲正应力的分布同主扇性坐标。翘曲剪力流就可以在全截面上合成约束扭矩，连同自由扭矩合成总扭矩。而翘曲正应力对剪心形成双力矩。所谓双力矩是指力矩F与距力矩平面r一点C的力矩，F×r 称为对C的双力矩，如图2-9所示。图2-9的左图中力F相距d，构成力矩F×d，其相对C点为力矩的力矩；右图中表示扇性法向应力对剪心B的双力矩。

图2-9 翘曲正应力和双力矩示意

约束扭转引起的薄壁截面翘曲正应力和约束剪应力为：

（2-6）

（2-7）

上式中， 为翘曲正应力； 为翘曲剪应力； 为扭转角； 为约束受扭正应力； 为主扇性坐标； 为扇性静矩； 为扇性惯性矩； 为扇性扭矩； 为构件厚度。


第四节 稳定设计的基本知识

一、整体稳定设计

1．稳定问题的基本类型

结构稳定问题可分为以下五类：

第一类稳定问题：理想结构的欧拉屈曲

第二类稳定问题：实际结构的极限承载力

第三类稳定问题：屈曲后极限承载力

第四类稳定问题：缺陷敏感型结构的稳定

第五类稳定问题：跳跃型稳定

五类稳定问题的荷载——位移关系特征见图2-10所示。




图2.10 稳定问题类型

图2-10 结构稳定的基本类型

如前所述，轻型钢结构的计算模型是平面刚架。平面刚架的整体稳定设计可分为平面内整体稳定设计和平面外整体稳定设计两个部分。刚架平面内的整体稳定属于上述第二类稳定问题，平面外整体稳定属于第一类稳定问题。轻型钢结构构件的板件局部稳定问题属于第三类稳定问题。

2．具有理想边界条件基本构件的整体稳定

基本构件的整体稳定设计是建立在两端铰接、受两相等端弯矩作用的理想构件的分析基础上的，如图2-11所示。

图2-11 理想边界单根构件的整体稳定

基本构件稳定设计的基本准则有三个。

准则一：临界屈曲荷载准则。以构件临界屈曲荷载作为构件失稳的准则，适用于压弯构件平面外稳定和受弯构件的弯扭稳定设计；

准则二：边缘纤维屈服准则。以考虑构件二阶效应后的截面边缘纤维最大应力屈服作为构件失稳的准则，适用于薄壁构件压弯平面内的稳定设计；

准则三：稳定极限承载力准则。以具有初始缺陷的实际构件的极限承载力作为构件失稳的准则，适用于轴心受压构件和压弯构件平面内的稳定设计。

（1）轴心受压构件

对于轴心受压柱，初始缺陷、截面类型和尺度都会影响构件的极限承载力。现行规范取多条柱子曲线（ 曲线）来考虑各种影响因素，并以统一的稳定系数 表示构件绕两个截面主轴的弯曲稳定和扭转稳定极限应力 与材料设计强度 的比值，即：

（2-8）

于是，轴心受压柱平面内外弯曲和扭转稳定的设计公式可写为：

（2-9）

上式中， 和 分别为构件所受的轴压力和构件截面面积。

（2）受弯构件

对于受弯构件梁，平面内是强度问题，平面外是第一类稳定问题。其平面外稳定设计公式为：

（2-10）

上式中， 、 、 分别为构件的临界弯矩、临界应力和弯扭屈曲系数。 和 分别为构件所受的弯矩和构件截面抵抗矩。

（3）压弯构件

对于压弯构件平面内的稳定，现行规范首先基于截面边缘屈服的准则推导出带初始缺陷的构件内二阶弯矩的表达式及截面最大应力。在此基础上进行修正得到第二类稳定问题的设计公式。推导过程如下：

截面最大应力为：

（2-11）

上式中， 为端部偏心（代表初始缺陷）； 为构件最大挠度； 和 为构件所受的平面内弯矩和截面抵抗矩。

假定构件挠曲线为正弦曲线分布，根据外弯矩和截面内弯矩相等的条件可推导得：

（2-12）

（2-13）

上式中，当外弯矩 、 时， 。由此可推导得到 的表达式，将 回代入式（2-13）最后可推导得到截面上的最大应力为：

(2-14)

考虑到构件平面内压弯失稳破坏时，截面应力会有塑性深入，现行规范的设计公式是在式（2-14）的边缘最大应力基础上修改得到的，其一般形式为：

(2-15)

上式中， 为截面塑性深入系数， 为常系数。

压弯构件平面外的稳定问题为第一类稳定问题，现行规范采用线性相关的形式近似和偏于安全地得到构件稳定的设计公式，如下所示：

（2-16）

上式中， 为构件平面外的轴心受压稳定系数。

（3）双向压弯构件

对于双向压弯构件，现形规范采用近似和偏于安全的线性相关公式给出构件绕两个主轴的稳定验算公式，如下所示：

（2-17）

3．轻型钢结构整体稳定设计的基本理论

轻型钢结构刚架的稳定设计包括平面内的稳定设计和平面外的稳定验算。主刚架平面内的稳定是由刚架平面内的刚度和构件截面刚度提供的；主刚架平面外的稳定是由结构纵向支撑和构件截面刚度保障的。

主刚架整体稳定承载能力的精确数值分析理论是二阶弹塑性理论，二阶弹塑性理论又称极限承载力理论。同二阶弹性理论相比，二阶弹塑性理论分析时必须考虑构件截面材料的塑性深入。虽然现在各种商用软件包都可以进行结构构件和体系的二阶弹塑性分析，但是现行规范还是采用近似公式设计结构的整体稳定。其原因在于：（1）使用软件进行结构的二阶弹塑性分析需要较深的专业知识并耗费较多的计算计时，用于大量结构的工程设计无论是从对工程师的要求而言还是从工作效率而言都不现实；（2）使用软件进行结构二阶弹塑性分析得到的稳定极限承载力只是结构稳定的标准抗力值，而稳定承载力的分项系数与结构初始缺陷等一系列随机变量有关，涉及基于可靠度理论的稳定设计问题，目前对这一问题的研究还没有可供实用的研究成果。

主刚架整体稳定的近似设计方法是将结构的稳定问题分解和等效为梁和柱构件的稳定问题。采用弯矩不均匀系数考虑构件内实际弯矩分布；采用计算长度概念等效考虑梁和柱构件在刚架中的边界约束条件。

（1）弯矩不均匀系数

弯矩不均匀系数 反映了弯矩沿构件长度的分布饱满程度。由于现行规范所考虑的基本构件是两端作用有相同端弯矩的情况，即弯矩沿构件均匀分布，这时 。显然，弯矩沿构件分布越不饱满， 应该越小。此外，构件的弯扭屈曲稳定系数 中也考虑了横向荷载作用位置的影响。如果横向荷载作用于梁上翼缘，一旦梁弯扭屈曲变形，荷载的二阶效应对于弯扭变形而言会施加一个正向作用；而如果荷载作用于下翼缘，其二阶效应对弯扭变形是一个反向的作用。荷载分布和位置的影响见图2-12所示。



图2-12 荷载作用对稳定验算德影响

(2) 计算长度确定

现行规范关于稳定设计的近似公式是基于两端铰接这一理想构件的研究和推导得到的。但是，实际结构中的梁和柱边界支承条件十分复杂。实际构件和理想构件的等效原则是两者屈曲临界力相等，根据这一等效原则可以得到实际构件的计算长度。换言之，实际构件是具有计算长度的理想构件的一部分。这样，规范的稳定设计近似公式就可以直接应用于实际构件，只是以计算长度代替实际构件长度。

记实际构件的屈曲临界力为 ，假定其计算长度为 。而长度为 的理想构件的屈曲临界力为 。根据等效原则，计算长度的一般公式为：

（2-18）

图2-13给出了简单边界支承条件下的构件的计算长度。图2.14给出了实际主刚架结构中梁柱构件的计算长度示意。

图2-13 简单边界条件下构件的计算长度

图2-14 刚架柱的计算长度

由前所述，确定实际构件计算长度的关键是确定构件的屈曲临界力。虽然现有商用软件包可以容易地确定各类结构及其构件的临界力，但是在实际设计中还是采用简化的近似公式或图表来确定构件的计算长度。原因在于：①商用软件包的使用要求较高的专业知识，对于量大面广的工程设计的广泛应用有一定困难；②一般而言，结构和构件的计算长度与作用其上的荷载有关。如果使用商用软件进行计算，必须计算各个荷载组合下的计算长度，取其最大值（临界力最小）作为设计时的计算长度，工作量过大。

基于上述原因，现行规范对于轻型钢结构构件的平面内稳定计算长度采用近似公式和图表计算。轻型钢结构构件平面外的计算长度为其侧向支撑点间的距离，其依据主要因为支撑点处一般为平面外失稳波形的反弯点。可以认为交叉支撑和刚性系杆与刚架梁柱的连接点为构件的侧向支撑点。屋面檩条和墙面檩条往往连接于梁和柱的一侧翼缘，而梁和柱的两侧翼缘都可能因受压从而产生侧向失稳和侧向位移。所以，檩条和梁柱单侧翼缘的连接点不能作为梁柱构件的侧向支撑点，如图2-15所示。

图2-15 刚架梁柱单侧翼缘檩条连接处不能作为构件侧向支撑

但是，如果檩条与构件连接处设置了隅撑（如图2-16所示），这样的连接能否有效阻止构件两侧翼缘的侧向位移从而作为构件的侧向支撑点呢？如果是全敞开结构，隅撑连接处可以有效阻止构件的扭转变形从而阻止构件的弯扭屈曲变形，但是却不能阻止构件平面外的平行性弯曲变形。所以，构件弯曲稳定系数 计算时应取支撑刚性系杆连接间的距离作为平面外计算长度，弯扭稳定系数 计算时可取隅撑之间的距离作为计算长度。但是，设置檩条和隅撑的轻型钢结构一般都为封闭式结构，围护板材的面内剪切刚度足以抵抗主结构构件绕其弱轴的弯曲变形，所以构件平面外弯扭失稳和弯曲失稳系数计算时都可以取隅撑之间的距离作为构件平面外的计算长度。

图2-16刚架梁柱双侧翼缘檩条隅撑连接处作为构件侧向支撑

二、局部稳定设计

1．普通钢结构构件中板件的局部稳定设计

普通钢结构构件的局部稳定为第一类稳定问题，设计时不利用板件屈曲后极限强度。典型的工字形截面的局部失稳波形和屈曲应力见图2-17所示。

图2-17 板件局部屈曲

构件局部稳定的主要影响因素是板件宽厚比 。设计时通过限制宽厚比值来确保构件不产生局部失稳，局部稳定的设计原则有以下三类：

（1）直接设计：

（2）等强原则：

（3）等稳原则：

当局部稳定不满足要求时，可采用以下三种措施：

（1）增加厚度。这一方法将增加结构构件的自重，从而浪费材料；

（2）减小板件宽度。这一方法将导致降低截面强度和构件的整体稳定承载力；

（3）设置加劲肋。这一方法既经济合理又可靠有效。

2． 轻型钢结构构件中板件的局部稳定设计

轻型钢结构构件的局部稳定属于第三类稳定问题，设计时充分利用板件的屈曲后极限强度。一般将截面内板件区分为加劲板件（H形和箱形截面的腹板）、未加劲板件（H形截面的翼缘）、部分加劲板件（C形截面的翼缘）等。

加劲板件的屈曲后强度来源于板件的薄膜效应。将板设想成沿荷载方向的纵向板条和横向的板条。当压力达到临界，纵向板条由直变弯，横向板条因而受拉约束纵向板条的凸曲，故板件仍能继续承载直至板带边缘屈服。当然，利用板件的屈曲后强度，板件内的应力并不均匀，表现为中间小，两端大。有效宽度的概念就是假设中间板带无效，两端一定宽度内的应力都达到屈服强度 ，见图2-18。





图2-18 有效宽度和有效面积

未加劲板件的屈曲虽然没有横向薄膜应力，支承边的弹性约束可以使板件所承受的荷载有所增大，理论上仍有一定的屈曲后强度可以利用；但是由于当翼缘屈曲后有效宽度减小，有效截面的形心偏移，造成荷载对截面形心产生偏心力矩从而影响翼缘的屈曲后承载能力。所以未加劲板件的屈曲后强度一般都只作为强度储备。

边缘加劲构件对翼缘一边是相邻板件的弹性支承，一边是板件卷边对板件的简支支承；对卷边则是一边翼缘简支支承，一边自由。两块板件相互支承，相互影响。其屈曲模式复杂，当卷边具有适当的宽厚比，卷边不先于翼缘屈曲，翼缘同加劲板件；当卷边过窄，则出现象轴心压杆似的平面内屈曲，翼缘随同卷边变形，当卷边过宽，则卷边也趋于先屈曲。当然，卷边对翼缘是否能充分加劲是一个非常复杂的问题，不仅同截面上卷边同翼缘尺寸有关，还同纵向构件的支撑长度有关。

例如对于卷边槽钢构件，腹板作为加劲板件来处理，翼缘为边缘加劲板件，但是腹板和翼缘之间屈曲也有相关性。相邻的强板会对弱板起支承作用，各板件屈曲后，整个截面具有屈曲后强度，直至各板件相交转角处达到屈服点为止。在有效宽厚比设计方法中需要考虑板组效应的约束影响。

与板件有效宽度概念相对应的是截面的有效面积。在截面强度和构件整体稳定设计时，采用有效截面的特性（面积、抵抗矩）替代相应的全截面特性进行计算，意味着设计时已经利用了截面板件的屈曲后强度。这样的设计思想意味着容许截面板件在承载能力阶段发生局部失稳。但是，验算结构的位移和刚度时取全截面特性，说明在正常使用阶段不考虑截面板件产生局部失稳。

由于设计时考虑了构件板件的屈曲后极限承载力，一般而言，轻型钢结构构件中无需配置加劲肋。但是，构件在起吊按装过程中往往因为截面抗扭刚度较小而发生破坏。所以，对于跨度较大的轻型钢结构构件，应该设置构造加劲肋以防止安装过程中截面产生扭转折曲。

第五节 优化设计的基本知识

一、结构优化设计的基本概念

传统的结构优化设计，实际上指的是结构分析，其过程大致是假设-分析-校核-重新设计。重新设计的目的也是要选择一个合理的方案，但它只属分析的范畴；且只能凭设计者的经验作很少几次重复以通过“校核”为满足。结构优化指的是结构综合，其过程大致可归纳为：假定-分析-搜索-最优设计四个阶段。其中的搜索过程是修改并优化的过程。它首先判断设计方案是否达到最优（包括满足各种给定的条件），如若不是，则按某种规则进行修改，以求逐步达到预定的最优指标。优化设计的过程如图2-19所示[32]-[35]。



1．结构优化设计的数学模型

结构优化设计可定义为：对于已知的给定参数，求出满足全部约束条件并使目标函数取最小值的设计变量的解。这个定义可用数学方式表示为：

(2-19)

其中， 称为设计变量， 称为目标函数， ， 所在方程称为约束条件。

2．设计变量

设计变量指在设计过程中所要选择的描述结构特性的量，它的数值是可变的。设计变量可以是各个构件的截面尺寸、面积、惯性矩等设计截面的几何参数，也可以是柱的高度、梁的间距、拱的矢高和节点坐标等结构总体的几何参数。设计变量通常有连续设计变量和离散设计变量两种类型。

（1）连续设计变量。这类变量在优化过程中是连续变化的，如拱的矢高和节点坐标等。

（2）离散设计变量。这类变量在优化中是跳跃式变化的，如可供选用的型钢的截面面积和钢筋的直径都是不连续的。

3．目标函数

目标函数是用来衡量设计好坏的指标。采用何种指标来反映设计好坏与结构本身的技术经济特性有关。通常采用的目标函数有：结构重量、结构体积、结构造价三种。

4．约束条件

结构优化的约束条件一般有几何约束条件和性态约束条件两种。

（1）几何约束条件。即在几何尺寸方面对设计变量加以限制。如工字型截面的腹板和翼缘的最小厚度限制。

（2）性态约束条件。即对结构的工作性态所施加的一些限制。如构件的强度、稳定约束以及结构整体的刚度和自振频率等方面的限制。

二、轻钢结构优化设计的数学模型

轻钢结构设计的最终目的是要给出一个经济合理的设计方案。优化设计方法，能较好地适应这方面的要求。轻钢结构采用优化设计，对于减轻结构重量、降低用钢量和结构造价有着明显的意义。目前国内对轻钢结构的优化设计已进行了一些研究和应用，编制了相应的计算程序，利用计算机实现了对截面的自动优选以求得重量最小、用料最省或造价最低的设计方案。这对于提高轻钢结构的设计质量，加快设计进程都起了一定的作用。下面针对轻钢结构建立其优化设计的数学模型。

1．设计变量

轻钢结构的主要几何参数如跨度、檐口高、屋面坡度、纵向柱间距等通常由业主或建筑师确定。可供优化的变量主要是截面参数。具体说，就是各工字钢截面的翼缘宽、厚，腹板的高、厚等。钢板的厚度是离散变量，而腹板和翼缘的高（宽）一般也是从一系列有规律的数中选取，因此轻钢结构的设计变量通常是离散变量。

2．目标函数

结构重量是轻钢结构优化设计的重要指标，且比较容易写成设计变量的函数形式，故轻钢结构通常以用钢量最少为优化目标。

3． 约束条件

轻钢结构优化设计必须满足以下约束条件：

（1）强度、稳定约束条件。

轻钢结构构件必须满足强度和稳定要求。

（2）刚度约束条件。

轻钢结构的构件尺寸在优化时，结构的整体刚度必须满足变形控制要求。具体说，就是横梁的最大垂直位移、柱顶的最大水平位移、吊车轨顶处的最大水平位移等必须满足有关规范规定的变形控制值。

（3）截面尺寸约束条件。

轻钢结构截面尺寸的选择必须满足有关规范的构造要求和使用要求，如所有截面的腹板高度必须大于翼缘宽度，所有截面的翼缘厚度必须比腹板厚度大2mm以上等。

（4）结构整体约束条件。

轻钢结构的优化设计必须满足结构整体约束条件，即构件截面尺寸的选择必须要保证梁、柱截面的连续性以及合理性，满足常规的加工和使用要求等。

（5）变量的上、下限约束条件。

三、结构优化方法简介

1．简单解法

当优化问题的变量较少时，可用下列简单解法。

（1）图解法。在设计空间中作出可行域和目标函数等值面，再从图形上找出既在可行域内（或其边界内），又使目标函数值最小的设计点的位置。

（2）解析法。当问题比较简单时，可用解析法求解。

2．准则法

准则法是从工程和力学观点出发，提出结构达到优化设计时应满足的某些准则（如同步失效准则、满应力准则、能量准则等），然后用迭代的方法求出满足这些准则的解。该方法的主要特点是收敛快，重分析次数与设计变量数目无直接关系，计算量不大，但适用有局限性，主要适用于结构布局及几何形状已定的情况。尽管准则法有它的缺点，但从工程应用的角度来看，它比较方便，习惯上易于接受，优点仍是主要的。最简单的准则法有同步失效准则法和满应力准则法。

（1）同步失效准则法。其基本思想可概括为：在荷载作用下，能使所有可能发生的破坏模式同时实现的结构是最优的结构。同步失效准则设计有许多明显的缺点。由于要用解析表达式进行代数运算，同步失效设计只能用来处理非常简单的元件优化；当约束数大于设计变量数时，必须设法确定那些破坏模式应当同时发生才给出最优设计，这通常是一件十分困难的工作；当约束数和设计变量数相等时，并不能保证这样求得的解是最优解。

（2）满应力准则法。该法认为充分发挥材料强度的潜力，可以算是结构优化的一个标志，以杆件满应力作为优化设计的准则。这一方法在杆件系统如桁架的优化设计中用得较多。在此基础上又发展了与射线步结合的齿行法以及框架等复杂结构的满应力设计。

3．数学规划法

将结构优化问题归纳为一个数学规划问题，然后用数学规划法来求解。结构优化中常用的数学规划方法是非线性规划，有时也用线性规划，特殊情况可能用到动态规划、几何规划、整数规划或随机规划等。

（1）线性规划。当目标函数和约束方程都是设计变量的线性函数时，称为线性规划问题。该类问题的解法比较成熟，其中常用的解法是单纯形法。

（2）非线性规划。当目标函数或约束方程为设计变量的非线性函数时，称为非线性规划。结构优化设计多为有约束的非线性规划问题。这类问题较线性规划问题复杂得多，难度较大，目前采用的方法大致有以下几种类型：不作转换但需求导数的分析方法，如梯度投影法、可行方向法等；不作转换也不需求导数的直接搜索方法，如复形法；采用线性规划来逐次逼近，如序列线性规划法；转换为无约束极值问题求解，如罚函数法、乘子法等。

4．混合法

混合法即同时采用准则法和数学规划法。

5．启发式算法

近些年来发展起来了一些启发式算法。这些算法有遗传算法（GA）、神经网络算法、模拟退火算法等。它们在结构优化领域得到了一些应用。如文献[4]将遗传算法用于门式刚架的优化设计。

四、轻钢结构的满应力设计

满应力设计是结构优化的各种算法中最简单、最易为工程技术人员接受的一种算法。其基本涵义是：结构每一构件的应力，至少在某一工况下达到材料的允许应力。满应力设计中，目标函数并不出现，这种寻求一个满足某种准则的设计、暂且不管目标函数的做法是准则法设计的基本特点。目前，轻钢结构软件的优化设计大多采用满应力设计。轻钢结构的设计变量通常是离散变量，属于离散变量优化设计范畴。下面先介绍设计变量是连续的常规的满应力设计方法，再将其推广到轻钢结构基于离散变量的满应力设计。

1． 结构满应力设计

以桁架为例说明满应力设计的基本思想。在这种结构中，作为设计变量的截面面积与杆件的刚度成正比，可直接应用应力比方法。对于弯曲构件-梁、柱、板组成的结构，刚度与设计变量的关系比较复杂，但是，仍然可以采用推广了的、带有一定近似性质的满应力设计。具体情况可参见文献[34]。

结构的满应力设计从比较合理的初始截面面积分布出发，利用结构分析，求出各工况作用下各构件的应力，然后，对每一构件，从不同工况下的应力中找出最临界的应力，求其与设计强度之比：

（2-20）

其中， 为迭代次数， 为工况集合， 为的 个构件的设计强度， 为第 个构件在第 个工况下的应力。如果 >1，说明该杆件现有截面面积太小，应放大 倍；反之，如果 <1，则说明该杆件现有截面面积太大，应缩小 倍，即：

（2-21）

这样就得到了一个改进的、比较合理的设计。如果这个新的设计还没有达到满应力，则可重复上面的算法，直到前后二次的截面面积变化很小就结束迭代，输出结果。该过程的计算框图如图2-20所示。





上述由应力比 求改进的截面面积 的方法实质上是假定杆件的内力 是不随截面面积的变化而变化的。因为如果第k次迭代时的内力 和第k+1次迭代时的内力 相等，且要求 达到满应力，则有：

（2-22）

对静定结构，各构件的内力与截面面积无关。因此，截面面积改变时不会引起内力重分布，上面的假定是精确满足的。故上面的迭代方法运用于静定结构时只要一次迭代即可收敛。对超静定结构，截面面积变化一般要引起内力重分布，上面的假定可称为暂时静定化假定，需进行多次迭代才能收敛。

上述应力比法求出满应力解常常需要十几次迭代计算。一个有效的改进方法是在公式(2-21)中引进一个松弛指数，以加快收敛速度，并可防止出现迭代发散或震荡的现象。

（2-23）

式中， 称为松弛指数，由经验来确定。对于受拉构件，常取 =1.05-1.10；对于受压构件， 应小于1。文献[1]建议取

(2-24)

其中， 为构件的长细比。

2． 轻钢结构基于离散变量的满应力设计

轻钢结构的优化变量如截面参数等多属于离散变量，只能取某些离散值，属于离散变量的结构优化问题。该类问题可先作连续变量处理，然后将其圆整到离散值。如可先采用上述的满应力设计求得最优解，然后在离散集内找到与其最相近且满足约束条件的解作为最终的优化解，也可直接采用基于离散变量的结构优化方法对其求解。下面对后一种方法作具体的介绍。

以截面面积作为设计变量，其分量在设计空间中组成离散空间，由于轻钢结构可选的截面（截面库）是有限的，所以离散设计空间是有界的。将截面面积按从小到大的顺序排列：

(2-25)

其中， 为截面离散集； 为设计变量数； 为截面可取值个数。离散变量满应力设计的主要过程如下：

（1）给定一个初始设计方案，即初始面积 ，令 。

（2）进行结构分析，求出各构件在各工况下的最不利应力，即

（2-26）

式中 表示第 个构件的第 次迭代， 为第 个构件在第 个工况下第 次迭代时的最严控制应力（强度、稳定、抗剪应力中的最大值）。

（3）如果最不利应力小于设计强度，则将截面取为截面离散集中的前一值，重新计算最不利应力，直到满足为止；否则，如果最不利应力大于设计强度，则将截面取为截面离散集中的后一值，重新计算最不利应力，直到满足为止。

（4）当构件面积 不再变化时迭代终止。由于构件的面积与其在截面离散集中的序号 一一对应，故终止条件即为：

（2-27）

（5）若上式不满足则转向(2)。

上述过程的流程图如图2-21所示。










3． 满应力法的评价

满应力法的缺点很明显。满应力设计没有直接与目标函数相联系，满应力设计点一般是应力约束超曲面的交点，如果问题是非线性的（约束界面与目标函数为超曲面），最轻设计点（最优解）显然不一定落在约束曲面的交点上，因此满应力设计的结果不能保证结构重量是最轻的。其次，满应力设计的结果不是唯一的。对于超静定结构，如果设计变量没有界限约束，满应力设计结果可能退化成若干种静定结构。此外，运用应力比法进行迭代时，算法也可能不收敛，产生震荡。

但是满应力法也有很多优点。对大多数工程实用结构，满应力解往往很接近最优解。应力比法的算法简单，很容易在普通的结构分析程序上增加一段程序来实现。对一般正常的工程结构，只要很少几次迭代，便可求得一个显著改进的设计，而且所需迭代次数与结构构件的数目无关。这一点对大型结构优化设计特别重要，因为对大型结构每迭代一次要花费的工作量是惊人的。

权衡满应力法的优缺点，对于只受应力约束的结构优化问题，人们还是非常乐意采用它。事实上，在国内外很多有实用意义的优化工作成果是用满应力法得到的，尽管已经有了很多复杂、精致的优化方法。实际中，许多工程优化问题受到的不仅仅是应力约束，还有位移和频率约束。此时，一种十分有效的做法是将满应力约束用应力比法处理，其它约束则采用更为复杂的准则或数学规划的方法来处理。

第三章 主结构及其支撑体系

第一节 主刚架的设计和构造

一、 刚架的构件和节点形式

主刚架由边柱、刚架梁、中柱等构件组成。边柱和梁通常根据门式刚架弯矩包络图的形状制作成变截面以达到节约材料的目的；根据门式刚架横向平面承载、纵向支撑提供平面外稳定的特点，要求边柱和梁在横向平面内具有较大的刚度，一般采用焊接工字型截面。中柱以承受轴压力为主，通常采用强弱轴惯性矩相差不大的宽翼缘工字钢、矩形钢管或圆管截面。刚架的主要构件运输到现场后通过高强度螺栓节点相连。典型的主刚架如图3-1所示，典型的主刚架节点连接形式如图3-2所示。

图3-1 主刚架包络图及基本形式



图3-2 主刚架典型连接节点

二、 构件截面的强度设计

主刚架工字型截面（见图3-3）中翼缘属于三边支承一边自由板件，一旦发生屈曲局部失稳，其屈曲后的后继强度不明显；腹板属于四边支承板件，局部失稳后的后继强度提高较多。设计时，一般不允许翼缘发生局部失稳，容许腹板局部失稳并利用其屈曲后强度。



图3-3 翼缘与腹板的典型支承条件

根据局部稳定计算的等强原则，当翼缘宽厚比 时，翼缘不会发生局部失稳。设计时允许腹板局部失稳，但考虑到刚度及制作等要求，腹板高厚比应作一定要求，目前我国现行《钢结构设计规范GBJ17-88》规定 。

根据薄壁结构理论，腹板在 时会发生屈曲而局部退出工作，因此确定腹板有效面积的抗剪和抗弯承载力成为确定工字型构件截面的强度承载力的关键。

1、 腹板抗剪承载力

取决于腹板两侧翼缘及横向加紧肋之间形成的四面支承矩形区域的剪切屈曲应力tcr，见图3-4所示，tcr可以由腹板的剪切屈曲模型得到[20]。构件腹板的主应力场分布见图3-5，在这个模型中横向加紧肋相当于桁架中的受压腹杆，适当增加横向加劲肋的数量可以改变腹板应力场的分布情况，提高区隔的临界应力tcr从而提高腹板的抗剪承载力 。

图3-4 腹板支承条件及主应力分布

图3-5 腹板剪切屈曲的分析模型

我国现行轻钢规程《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：98》中利用简化公式把临界应力tcr用一个只和横向加劲肋间距a有关的换算高厚比lw代替，腹板的抗剪承载力 根据腹板截面积和l计算得到，见式（3-1）。

（3-1）

上式中， 表示腹板截面积； 表示腹板的换算高厚比， ； 表示腹板的高厚比； 表示换算系数， ；a表示横向加劲肋间距（当不设置加劲肋时， 取凸曲系数5.34）。

2、腹板的抗弯承载力

取决于腹板截面屈曲后正应力的分布形状[20]。当构件截面的高厚比在一定限值内时，截面的抗弯曲线可以按照图3-6中的i-k-j-p进行。在j点时截面应力分布如图3-7中的d所示，截面弯矩达弹性临界值 ；经过j点截面进入强化阶段，截面应力分布如图3-7中的e所示,抗弯承载力有所提高，并使最终的弯矩承载力 大于边缘屈服弯矩My。当板件的高厚比较大时，M-q 曲线沿i-k-g进行，即截面边缘应力小于屈服应力fy时截面就发生了屈曲。随着屈曲面积的扩大，应力呈非线性分布，如图3-7中的a,b,c所示。在截面出现屈曲后，由于薄膜效应，截面的承载力也能得到提高，但最终的临界弯矩承载力 一般低于屈服弯矩 。

图3-6 截面的荷载-位移曲线

图3-7 截面在各阶段的正应力分布

我国轻钢规程CECS102：98采用有效面积法，把应力分布规律由图3-7中的C简化为C',并引入换算高厚比lp来确定有效面积及其分布，屈曲后截面弯矩承载力 的计算方法见式3-2。

（3-2）

其中， 表示强度设计值；

表示有效截面最大压应力处的截面模量， 取决于截面正应力分布情况，即 ，换算高厚比 ； 表示腹板的高厚比； 表示换算系数， ， 为截面正应力比值， 。

3、弯矩、剪力共同作用下的承载力计算

图3-8 截面在剪力和弯矩作用下的相关关系

实际构件的工作状态一般都在弯矩-剪力共同作用下，这时薄腹构件截面的受力情况比较复杂，可以用弯矩剪力的相关曲线表示，如图3-8。轻钢规范中参照截面纯剪临界承载力u和纯弯线性临界承载力Mu的计算结果，把剪力作为弯矩承载力的一个削弱因素进行考虑，进而得到修正后的抗弯承载力 ，见式(3-3)。

= （ ） （3-3）

（ ）

这里，剪力影响系数 。

4、现行规范CECS102：98的设计公式

工字型截面在剪力、弯矩M、轴压力N共同作用下的强度，应满足下列要求：

当 时，

（3-4）

当 时，

（3-5）

当截面为双轴对称时，

（3-6）

上式中， 为有效截面面积， 根据有效宽度 的大小计算得到； 为构件翼缘截面面积； 为构件截面面积； 为构件有效截面最大受压纤维的截面模量； 应根据有效宽度 的大小及其截面分布计算得到； 为构件有效截面所承担的弯矩， ； 为压力N时构件有效截面所承担的弯矩； 为压力N时两翼缘所能承受的弯矩； 为腹板抗剪承载力设计值，

（3-7）

当 时，

（3-8）

当 时，

（3-9）

当 时，

（3-10）

其中， 表示与板件受剪有关的参数， 。

当 时，

（3-11）

当 时，

（3-12）

为受剪板件的凸曲系数； 为加劲肋间距； 为腹板有效宽度，当截面全部受压时 ；当截面部分受拉，受拉部分全部有效，受压区的有效宽度 ； 指腹板受压区宽度； 为有效宽度系数，

当 时

（3-13）

当 时，

（3-14）

当 时，

（3-15）

上式中， 是与板件受弯、受压有关的参数，

（3-16）

这里， 为杆件在正应力作用下的凸曲系数，

（3-17）

而 为截面边缘正应力比值， 。

的分布规律见图3-9：

图3-9 有效宽度的分布

上图中左侧图表示全截面受压，即 ，这时，

（3-18）

（3-19）

右侧图表示部分截面受拉，即 ，这时，

（3-20）

（3-21）

工字型截面在剪力和弯矩M作用下的强度设计条件可简化为：

当 时，

（3-22）

当 时，

（3-23）

当截面为双轴对称时，

（3-24）

三、构件的稳定设计

1、设计公式

门式刚架结构的边柱和梁以受弯为主，主结构是平面承载体系，平面内荷载在构件设计中起控制作用。这些构件截面绕强轴的抗弯能力相对绕弱轴具有较大的优势，如图3-10所示，这样的截面可以提高强度承载能力，达到节省用钢量的目的。针对这类绕弱轴抗弯性能较差的截面，在稳定设计中，平面外的稳定性能成为控制因素，能否提高构件面外的稳定性能成为了能否最大限度的发挥截面稳定承载能力的关键。



图3-10 受弯构件的横截面

构件平面外稳定设计公式为 [2]，其中 为平面外轴压整体稳定系数，根据平面外支撑间距与截面回转半径之比即长细比 查表得到。 为弯扭整体稳定系数，主要取决于平面外支撑间距 与截面回转半径的比值。从该公式可以看出，在构件平面外抗弯性能相对较差（回转半径较小）的情况下，适当减小平面外支撑间距 可以有效地提高平面外的稳定性能。

构件平面外的支撑形式和布置决定了平面外支撑间距 ，也就决定了构件的稳定临界荷载值。中柱通常为轴压构件，柱顶的水平位移值决定了构件的计算长度。通过对受弯构件平面外支撑和中柱柱顶水平位移的控制可以达到控制刚架稳定临界荷载的目的。

2、边柱和梁的稳定控制

图3-11 檩条对截面的支撑作用1

在受压为主的构件中，受压翼缘的稳定决定了构件在工作状态下是否失效。当上翼缘受压时，屋面檩条起着有效的平面外支撑作用。檩条和上翼缘的连接可以看作是对翼缘面外方向位移的约束，因此檩条间距可以看作上翼缘的支撑长度。但这类连接的构造使用的是普通螺栓且数量少，孔隙也比较大（如图3-11a），这就决定了该类约束仅针对平面外位移而不能阻止截面向面外扭转，当下翼缘承受压力时，仅有檩条支撑的梁可能会发生图3-11b中虚线表示的变形从而失稳。压力作用下的下翼缘通常靠隅撑作为平面外支撑，截面变位后（图3-11c的虚线部分）不会发生出平面的扭转，因此隅撑的间距作为下翼缘的面外支撑长度。隅撑的构造见檩条一章。

如果从外观角度考虑不允许设置隅撑，理论上受压下翼缘的计算长度就是整个受压梁段的长度，这会导致设计结果不经济。事实上在对檩条与上翼缘连接做适当加强后，可以考虑檩条连接对下翼缘稳定的贡献。理想的做法是把上翼缘的连接改造成为刚接, 如图3-12a，使用檩条套管、高强度螺栓并增加螺栓个数可以改进该连接的性能，但完全能阻止面外水平位移和截面扭转的檩条节点实际很难完全作到，一般只能为半刚接，如图3-12b，在檩条连接处增加额外加紧肋可以使约束力更好的传递到下翼缘，图3-12c，这种构造可以替代隅撑的作用[24]。

图3-12 檩条对截面的支撑作用2

当构件长度较长且不允许设置足够的檩条隅撑时，可以在构件中部设置撑杆。撑杆应该设置在受压翼缘一侧，或使用桁架形式支承两侧翼缘，如图3-13所示。

图3-13 撑杆设置




图3-14 中柱模型

3、中柱的稳定

中柱可以有效分担刚架的竖向力，从而减小梁的截面高度。中柱的平面内外的支撑条件相差不大，因此通常选用两个主轴刚度相似的截面类型，如圆管、方钢、宽翼缘工字钢等。在平面内中柱的计算模型如图3-14，其中Km是刚架提供的抗侧刚度。中柱的计算长度系数随Km的值而变化，但当Km大于中柱的欧拉力 [36]，可以把中柱看作无侧移的上下铰接柱，把计算长度系数取为1。

4、现行规范CECS102：98的设计公式

变截面柱在刚架平面内的稳定应按下列公式计算：

（3-25）

（3-26）

上式中， 为小头的轴向压力设计值； 为大头的弯矩设计值； 为小头的有效截面积； 为大头的有效截面最大受压纤维的截面模量； 为杆件轴心受压稳定系数，楔形截面构件在计算长细比时取小头的回转半径； 为等效弯矩系数； 为欧拉临界力，计算长细比时回转半径以小头为准。

变截面柱在刚架平面外的稳定计算，应按下列公式计算：

（3-27）

其中， 为小头的轴向压力设计值； 为大头的弯矩设计值； 为等效弯矩系数； 为轴心受压构件弯矩作用在平面外的稳定系数，以小头为准； 为均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数，

（3-28）

（3-29）

（3-30）

（3-31）

式中， 、 、 、 分别为构件小头的截面面积、截面高度、截面模量、受压翼缘厚度； 为受压翼缘的截面面积； 为受压翼缘与受压区腹板1/3高度组成的截面绕y轴的回转半径。

四、 局部稳定

门式刚架梁柱设计时通过限制翼缘的 来确保其不发生局部失稳。容许腹板局部失稳，设计时取其屈曲后极限强度，但考虑到刚度和制作要求，取 。同时，为防止在施工安装过程中防止发生扭转可以局部设置截面加劲肋。腹板有效宽度 的取法见式（3-13）~（3-21）。

加劲肋要求有一定的刚度[12]，即加劲板宽度 ， ，劲板厚度 。支座处的劲板除满足一般要求外需要作局部承压验算。

五、 门式刚架的刚度计算

钢结构的自重轻，材料承载能力高的特点在许多情况下使得位移成了设计的控制条件。这不但与使用的舒适度有关，更为重要的是，不恰当的位移会给伸缩性较差的维护材料造成破坏。

建筑物是由钢骨架、支撑系统及蒙皮组成的共同体，要计算各个组成部分共同工作状态下结构的变形是很困难的，通常只有通过实测得到。设计者能控制的通常只有主刚架的变形，因此，主刚架的变形限制值不应该是唯一的，它必须和结构的其他组成部分有关，比如蒙皮材料、吊顶设置等。另外如果结构中设置了吊车，那么变形控制对吊车正常运作有很大影响，我国98年轻钢规范CECS102：98中的变形控制值在实际操作中被证明是过于放松了，在新规范中做了适当调整。规范依据以往经验列出了部分条件下的位移限值，但在遇到超出规定范围的情况时，设计者的经验也是十分必要的。

在门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[2]中规定的在风荷载标准值作用下，单层门式刚架轻型房屋钢结构柱顶的位移和构件挠度的限值如下表所列。

表3-1 刚架柱顶位移计算值的限值

吊车情况 其他情况 柱顶位移限值

不设吊车 当采用轻型钢墙板时当采用砌体墙时 h/75h/100

设有桥式吊车 当吊车有驾驶室当吊车由地面操作 h/240h/150

注：h表示刚架柱高度

表3-2 受弯构件的挠度与跨度比限值

构件类别 构件挠度限值

竖向挠度 门式刚架斜梁仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条（承受活荷载或雪荷载）尚有吊顶有吊顶且抹灰 1/1801/2401/360

檩条仅支承压型钢板屋面（承受活荷载或雪荷载）尚有吊顶有吊顶且抹灰 1/1501/2401/360

压型钢板屋面板（承受活荷载或雪荷载） 1/150

水平挠度和位移 墙板 1/100

墙梁仅支承压型钢板墙支承砌体墙 1/1001/180且<50mm

注：对悬臂梁，按悬臂长度的2倍计算受弯构件的跨度

规程[2]中对构件长细比作了如下规定：

表3-3 受压构件的容许长细比限值

构件类型 长细比限值

主要构件 180

其它构件及支撑 220

表3-4 受拉构件的容许长细比限值

构件类型 承受静态荷载或间接承受动态荷载的结构 直接承受动态荷载的结构

桁架构件 350 250

吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑 300 ——

其它支撑（张紧的圆钢或钢绞线支撑除外） 400 ——

注： （1）对承受静态荷载的结构，可仅计算受拉构件在竖向平面内的长细比；

（2）对直接或间接承受动荷载的结构，计算单角钢受拉构件的长细比时，应采用角钢的最小回转半径；在计算单角钢交叉受拉杆件平面外长细比，应采用与角钢肢边平行轴的回转半径；

（3）在永久荷载与风荷载组合作用下受压的构件，其长细比不宜大于250。

六、 连接节点

上部构件使用高强螺栓节点板连接，在节点设计中需要进行三方面的验算。

1、螺栓群设计

螺栓群设计的内容包括抗弯设计和抗剪设计两部分。

抗弯设计中计算出螺栓群中最大受拉螺栓的拉力值，并使该值控制在该螺栓的抗拉承载力设计值内。螺栓承受的最大拉力值公式如下：

（3-32）

其中， 表示受拉螺栓距离中和轴的最远距离； 表示每个螺栓距离中和轴的距离；M表示作用在连接板处的弯矩值； 表示螺栓的抗拉承载力， =0.8P, P表示高强螺栓预紧力。

抗剪设计中先计算出螺栓群的平均剪力值，并使该值控制在该螺栓的抗剪载力设计值内。螺栓群承受的平均剪力值公式如下：

其中，n表示螺栓总数；表示作用在连接板处的剪力值； 表示螺栓的抗剪承载力。

摩擦型高强螺栓的 ， 表示摩擦面的抗滑移系数， 表示高强螺栓预紧力， 表示螺栓受的拉力。

承压型高强螺栓的 ，a表示螺栓横断面净面积， 表示螺栓抗剪强度，d表示螺栓直径， 表示螺栓承压区厚度， 表示螺栓承压强度

2、连接端板厚度t的设计




图3-15 连接端板按支承条件分类

图3-16 连接端板受力模型

端板的实际应力分布情况由高强螺栓位置和周遍支承方式决定，如图3-16所示为两边支承的板件受力情况。螺栓位置可以根据螺栓设计结果得到，而支承方式由构件翼缘和腹板提供，必要时通过增加加劲板改进支承条件。

连接端板中按照支承情况可以分为悬臂类端板区域、无加劲肋类端板区域、两边支承类端板区域、三边支承端板区域四大类，如图3-15，每类区域规范中列出了如下不同的板厚设计公式。在连接端板设计过程中，要求对每个区域都进行板厚设计，最后取最大的板厚作为最终结果。

1）悬臂类端板

（3-33）

2）无加劲肋类端板

（3-34）

3）两边支承类端板

当端板外伸时

（3-35）

当端板平齐时

（3-36）

4）三边支承类端板

（3-37）

其中， 为一个高强螺栓受拉承载力设计值； 、 分别为螺栓中心至腹板和翼缘板表面的距离； 、 分别为端板和加劲板的宽度； 为螺栓的间距； 为端板钢材的抗拉强度设计值。

3、节点域设计

节点域是指弯剪共同作用的应力情况比较复杂的节点区域。节点域板件的过度变形会影响节点刚度，从而降低计算模型的准确性，对构件强度和结构变形造成不利影响；未经加强的节点域板件在复杂应力下甚至会发生破坏。一般通过增加节点域加劲板或额外增加该区域板件厚度来加强节点域承载能力，轻钢规范CECS102推荐下列公式对节点域进行验算：

（3-38）

（3-39）

上式中， 、 、 分别表示节点域的高、宽、厚度。

图3-17 节点域

第二节 山墙刚架的设计和构造

在设计轻型钢结构建筑物时，它的山墙构架可以设计成与中间框架一样的基本的刚框架，也可一设计成梁和抗风柱以及柱组成的山墙构架。

一、山墙构架端墙构造

山墙构架由端斜梁、支撑端斜梁的构架柱及墙架檩条组成，构架柱的上下端部铰接，并且与端斜梁平接，墙架檩条也和构架柱平接，这样可以提高柱子的侧向稳定性，同时也给建筑提供了简洁的外观，一般的构造如图3-18[27]。

山墙构架可以由冷弯薄壁C型钢组成，外观轻便且节省钢材，同时由于与框架平接的墙架檩条和墙面板的蒙皮效应的作用，使这种的山墙构架端墙也具有比较好平面内刚度，蒙皮作用已被实践证明具有足够的刚度，能够有效地抵抗作用在靠近端墙附近的边墙上的横向风荷载。

构架柱在设计时应满足同时能够抵抗竖向荷载和水平荷载的要求。由于构架柱的间距较小，单根构件分担的荷载比较小，因此可以使用比较小的薄壁薄壁截面。

采用山墙构架一般要求避免在山墙端开间设置支撑，这是由于山墙梁截面尺寸和基本刚架梁相比尺寸太小，同时山墙斜梁在山墙柱处不连续从而导致的支撑连接节点构造困难。所以在采用山墙构架时，通常将支撑布置在第二开间以避免上述的连接构造困难，然而这种情况下必须在第一开间和构架柱相应的位置布置刚性系杆，以便将山墙构架柱的风荷载传递到支撑开间，刚性系杆增加的用钢量和山墙梁截面减小而降低的用钢量大概会持平，因此总体上采用轻便的山墙构架并不能减少用钢量。

图3-18 构架山墙形式及连接构造

二、刚框架端墙构造

当轻型钢结构建筑存在吊车起重系统（行车梁）并且延伸到建筑物端部, 或需要在山墙上开大面积无障碍门洞,或把建筑设计成将来能沿其长度方向进行扩建的情况下,就应该采用门式刚框架端墙这种典型的构造形式。

刚框架端墙由门式刚框架、抗风柱和墙架檩条组成。抗风柱上下端铰接，被设计成只承受水平风荷载作用的抗弯构件，由与之相连的墙檩提供柱子的侧向支撑。这种型式端墙的门式刚框架被设计成能够抵抗全跨荷载，并且通常与中间门式主框架相同，如图3-19所示。

端墙柱的间距一般为6M，但是间距尺寸也可能为了适应特殊的要求而改变。采用刚框架的山墙形式，由于端刚架和中间标准刚架的尺寸完全相同，比较容易处理支撑连接节点，所以可以把支撑系统设置在结构的端开间，避免增加刚性系杆。

图3-19 刚架山墙形式及连接构造

三、山墙墙架的设计计算

采用刚框架端墙可以直接采用中间标准跨的刚架尺寸，这样可以避免计算的工作量同时比较容易处理纵向连接节点的构造。

采用构架端墙时，由于构件的数量较多而截面较小，需要做山墙整体的计算和截面设计。计算模型取山墙构架整体，如下图3-20所示，不能把外框架和抗风柱分开，这是由于各构件的刚度差别不大，并且缺乏传力明确的节点构造，不能避免屋面荷载传递到每根柱上；山墙柱顶出平面方向由纵向支撑和系杆提供约束，认为不会发生纵向的位移。

图3-20 构架端墙的设计模型

四、抗风柱设计计算

刚框架端墙的抗风柱计算的标准模型如图3-21a，柱脚铰接，柱顶由支撑系统提供水平向约束。抗风柱承受山墙的所有纵向风荷载和山墙本身的竖向荷载，屋面荷载则通过端刚架传递给基础。

抗风柱设计一般按照受弯构件考虑，由山墙面檩条提供出平面支承以提高受弯构件的稳定性能。在抗风柱跨中弯矩最大处需要设置墙檩隅撑以保证受压情况下内翼缘的稳定。

当山墙高度较高，风荷载较大时，设计得到的实腹式柱会具有较高的截面，这时可以使用抗风桁架代替抗风柱，如图3-21b，桁架的自重轻并且有很好的抗弯性能，较抗风柱有更好的力学性能。

图3-21 抗风柱设计模型

第三节 伸缩缝处刚架的构造

材料在温度变化时发生膨胀或收缩的性能是以线膨胀系数为指标，该指标具体是指当温度每上升1℃时 ，每单位长度的物体的增量。当物体膨胀或收缩的自由运动方向受到限制时，物体中便产生了应力。这些因温度变化而产生的应力是拉力还是压力，取决于被约束的物体是正在膨胀还是正在收缩。如果在构件的设计中，这些附加应力未被考虑，构件或连接在使用过程中就可能发生损坏。因此必须沿结构每隔一定长度设置伸缩缝，来吸收在结构使用过程中由于温度变化产生的累积变形。根据计算得到的温度变化产生的累计变形来确定伸缩缝的间距或伸缩狭缝扣件的类型，从而确保结构能自由伸缩。

图3-22双刚架伸缩缝和椭圆长空单刚架伸缩逢

为了释放纵向热应力，一种简单但比较昂贵的处理办法是在伸缩缝处采用双刚架，如图3-22左图所示，刚架的间距以保证柱脚底板不相碰为依据。以双刚架为界，结构两边各自具有独立的檩条、支撑和维护板系统，其中屋面板和墙面板使用可伸缩的连接件相连。在纵向伸缩缝处需要设置防火墙的情况下，这种处理方法是必须的。

另一种释放纵向残余热应力的方法较为经济，具体办法是：在伸缩缝处只设置一榀刚架，而在伸缩缝处的檩条上，设置椭圆长孔来吸收该点的热位移，如图3-22右图。

在确定伸缩缝的形式后，需要根据允许最大温度区段的长度来确定温度缝的位置。一般来说全国不同地区的全年温度变化幅度是不同的，北方地区年温度变化幅度较大，而南方地区的年温度变化幅度较小，建筑物允许的最大长度可以根据各地的实际温差和建筑布置情况使用下列的公式求得：

L=24×N÷[(0.0921×K×△T)－1] （3-40）

L为建筑允许的最大长度,单位为米；N=开间数；△T为温度变化,以℃为单位；K=1.00（没有空调的建筑物），K=0.70（有空调的建筑物），K =0.55（有空调和暖气的建筑物）

例如在一座长度为117m建筑物，有13个开间，柱间距9米，建筑物内不设空调，建筑物处地区的年温度变化幅度为△T=35℃。问：有必要设伸缩缝吗？

因建筑物不设空调，故K=1.00，从而，

L=24×13÷[(0.0921×1.0×35)-1]=140.0m>117.0m

故建筑物没必要设伸缩缝。

上述公式中由于热膨胀引起的檩条上的最大允许应力是25N/mm&sup2;.既使通过上述公式算得的建筑物允许最大长度远远超过180米，在应用时建筑物的允许最大长度最好不要超过180米，因为当建筑物的长度很大时，当温度变化较大，上部结构将发生很大的伸缩变形，而基础以下还固定于原来的位置，这种变形会使柱梁等构件产生很大的内力，严重的可使其断裂甚至破坏。一般规定的温度缝之间的最大间距在180米到220米之间。

建筑横向的宽度超过100米时，和纵向一样需要考虑温差伸缩应力。在不设施温度缝的情况下，在刚架计算中，需要把温度变化作为一种工况计算由于温差引起的建筑物的内力变化和伸缩变形，纵向板材连接同样需要设置允许伸缩的扣件以释放热应力。

第四节 托梁及屋面单梁设计

当某榀框架柱因为建筑净空需要被抽除时，托梁通常横跨在相邻的两榀框架柱之间，支承已抽柱位置上的中间那榀框架上的斜梁。托梁是一种仅承受竖向荷载的结构构件，一般按照简支量模型设计，按照位置分为边跨托梁和跨中托梁，如图3-23，图3-24[27]。

在外墙处，当沿建筑物纵向要设置大于10M的大开间时，需要设置托梁。在厂房仓库中，当经常要移动大型设备，或使装卸材料的挂车能自由进出而要求设置大开间时，有时必须设置托梁。采用托梁后的开间，其间距可达20m。

在多跨厂房或仓库内部，当为了满足建筑净空间要求而必须抽去一个或多个内部柱子时，托梁常放置在柱顶。当大梁直接搁置在托梁顶部时，需要额外添加隅撑为托梁下翼缘提供面外的支撑。

钢托梁可以是通常的工型组合截面梁或楔形组合截面梁，楔形组合截面梁可以是平顶斜底也可以是平底斜顶，当然，托梁也可以采用其它合适的截面形式的梁或桁架。搁在托梁顶部的斜梁和标准刚架斜梁的边界约束条件有所改变，由原先的刚接变为铰接，必要时需要重新对梁进行复核。

图3-23边跨托梁构造

图3-24中跨托梁构造




图3-25单梁与混凝土柱连接构造

在混凝土结构上部搭建的钢结构屋面系统称为屋面钢结构。这种钢结构包括屋面梁、檩条、屋面支撑和屋面板。和全钢结构系统比较，当跨度较大时，单独的屋面钢结构是不经济的，因为该系统把大部分内力集中到跨中，而不是象全钢结构系统那样把内力均匀的传递到各个构件中。

屋面钢结构的大梁搁置在混凝土柱顶的预埋钢板上，并通过埋在混凝土中的锚栓固定。柱一般不能承受较大的水平推力，因此设计时允许梁的一端支座可以做水平滑移，在构造上可以通过开长的椭圆空来实现，如图3-25。当跨度较小时，可以使用平底面变截面构件，如图3-26a所示；但当跨度教大时，这种截面形式会造成跨中截面高度过高而使材料浪费，可以采用人字梁形式，如图3-26b所示。

图3-26屋面钢结构的单梁形式

在下部结构可以承担一定的水平推力的情况下，两端支座不允许滑动，通过底板的摩擦力传递水平力到下部结构，这种情况下人字梁就类似于一个拱结构，轴力代替弯矩起控制作用，这时截面可以为等截面，大梁的用钢量可以得到节省，如图3-27。

图3-27支座固定时屋面钢结构的单梁形式

第五节 结构支撑体系

轻型钢结构建筑物沿宽度方向的横向稳定性，是通过设计适当刚度的框架来抵抗所承受到的横向荷载而保证的。由于建筑物在长度方向的纵向结构刚度较弱，于是需要沿建筑物的纵向设置支撑以保证其纵向稳定性。支撑系统的主要目的是把施加在建筑物纵向上的风，起重机，**等荷载从其作用点传到柱基础最后传到地基，轻型钢结构的标准支撑系统有斜交叉支撑(如图3-28)，门架支撑(如图3-29)和柱脚绕弱轴抗弯固接的刚接柱支撑(如图3-30)。

图3-28交叉支撑



图3-29门架支撑 图3-30柱脚绕弱轴抗弯固接的刚接柱支撑

支撑结构及其与之相连的两榀主刚架形成了一个完全的稳定开间，在施工或使用过程中，它都能通过屋面檩条或系杆为其余各榀刚架提供最基本的纵向稳定保障。

图3-31山墙风荷载传递路径

作用在山墙上的风荷载由支撑传递到基础的路径如图3-31。交叉支撑需要克服杆件本身的自重和外力引起的轴力，预张力圆钢通过预张力克服自重，其他两种杆件则通过截面本身的抗弯性能来平衡自重产生的弯矩。

支撑的设计具体包括支撑形式选择、支撑布置、支撑杆及支撑连接设计三方面。

一、支撑承受的荷载

1、纵向风荷载

结构纵向的风荷载实际的传力路径有两部分：大部分通过存在支撑的跨间传到基础，如图3-31；另外一部分荷载则由檩条系统作用到结构中部的各榀刚架，并依靠刚架本身的面外刚度传递至地面。但在设计中，中间跨的分担作用相对比较小并且计算工作量大，如果考虑檩条受压，还会增加檩条设计的复杂性，所以通常认为支撑承担了所有的纵向风荷载。

2、檩条系统的传力

檩条和隅撑为主刚架的构件提供平面外的抗侧力，如图3-32。结构的所有的檩条和隅撑的这种抗侧力叠加起来最后由两端的支撑来平衡。这部分合力的具体数值很难通过简化模型准确的得到，而且比较纵向风荷载也比较小，在支撑设计中通常可以忽略，但在檩条和隅撑的平面外支撑作用比较显著时也会给两端支撑带来不利影响，所以在支撑设计时，常常要求留一定的余量。

图


3-32檩条和隅撑为构件提供支撑力

二、柔性支撑和刚性支撑

交叉支撑是轻型钢结构建筑中，用于屋顶、侧墙和山墙的标准支撑系统。交叉支撑有柔性支撑和刚性支撑两种。柔性支撑构件为镀锌钢丝绳索、圆钢、带钢或角钢，由于构件长细比较大，几乎不能受压。在一个方向的纵向荷载作用下，一根受拉，另一根则退出工作。设计柔性支撑时可对钢丝绳和圆钢施加预拉力以抵消自重产生的压力，这样计算时可不考虑构件自重。刚性支撑构件为方管或圆管，可以承受拉力和压力。柔性支撑和刚性支撑的工作机理见图3-33所示。

图3-33刚性支撑和柔性支撑

三、支撑平面的设置

由于檩条对屋面梁的平面外支撑力的合力最后由支撑系统来平衡，那就要求把支撑平面尽量的靠近檩条所在的平面以避免整个屋面纵向传力系统出现偏心[24]。

图3-34支撑平面的布置

对于十字交叉的剪刀撑来说，如果杆件选用张紧的圆钢，那可以在腹板靠近上翼缘打孔或直接在上翼缘焊接连接板作为连接点来实现，如图3-34a。如果选用角钢，连接板仍然可

以焊接在上翼缘，那么由于在交叉点杆件必须肢背相靠, 如图3-34d，这会要求在檩条和上翼缘之间留有比较大的空间a，如图3-34b。为克服该情况的出现，连接板可以被焊接在梁腹板的中间以便于设计和安装，如图3-34c。

四、支撑布置方式

十字交叉的支撑布置,如图3-35a,对张紧的圆钢比较适合；对角钢来说会增加支撑平面的厚度，如图3-35c；对钢管则需要在连接处截断其中的一根杆件,给施工带来麻烦，如图3-35d。所以对具有一定刚度的圆管和角钢可以使用对角支撑布置，如图3-35b。这种对角支撑的布置形式外观简洁，容易制作，但在搭建过程中比较容易失稳，需要增设额外的施工支撑系统。

图3-35 交叉支撑

图3-36a~d代表典型的四种常用的支撑布置形式。图中虚线表示连接中间各榀刚架的屋面系杆，这些系杆通常可以被省去而直接利用檩条及屋面板替代，事实证明由檩条和屋面钢板组成的外蒙皮具有足够刚度作为刚架面外的支撑[24]。

图3-36 支撑布置形式

在端开间需要开门或有别的净空要求，或者山墙所在的刚架构造比较复杂而不便直接与支撑相连时，可以把支撑放在第二个开间，如图3-36c,d所示。理论上檩条仍可以传递两榀刚架的面外荷载，但为保证主结构的独立性，要求在端刚架和第二榀刚架间使用系杆连接而不是用檩条代替，这样即便是维护体系（檩条和压型钢板组成）破坏，主结构也不会发生整体的垮塌。

图3-37 拉杆的位移应力曲线

五、张拉圆钢支撑杆

张拉圆钢交叉支撑在轻钢结构中使用最多。由于杆件是利用张拉来克服本身自重从而避免松弛，所以预张力对支撑的正常工作是必不可少的。张拉力的大小一般要求控制在截面设计拉力的10~15%[37]，但由于在实际施工中没有测应力的条件，所以一般通过控制杆件的垂度来保证张拉的有效性。

拉杆相对位移与杆件应力的关系如图3-37。当垂度达到L/100后，相对位移和应力很快成线性关系并接近材料的应力应变关系，这说明当垂度克服 了L/100的限值后，拉杆开始充分发挥其抗拉性能。

为达到L/100的垂度控制，拉杆预张拉应力可以达到设计的10~15%，那么在工作状态下实际承受的拉力应该是风荷载作用下产生的的拉力和初张力的叠加。正由于初拉力比较难测，所以在拉杆与拉杆连接的设计中需要给留出20%左右的余量以避免材料屈服。

六、角钢、钢管支撑杆

由于难以施加预张力，这些杆件需要完全依靠本身截面的抗弯性能来克服自重产生的弯矩,但自重的影响会随着拉力的增加而逐渐削弱[25]，所以可以把这类杆件仍旧作为拉杆设计而不考虑其自身自重。为避免松弛，同时从外观角度出发，要求角钢或钢管拉杆的垂度至少达到杆长的1/150到1/100。这样的垂度要求通过限制杆件的最小截面来实现，表3-5，表3-6列出了不同杆长下，对角钢及钢管拉杆最小截面尺寸的要求。我国现行钢结构规范GBJ17-88规范中对受拉杆件长细比的限制也保证了对垂度的要求。

表3-5 圆管的最小管径

圆管外径（mm） 杆件的最大长度Lmax（m）（保证L/150的垂度）

324 25.3

273 22.6

219 19.5

168 16.3

165 16

140 14.5

114 12.5

102 11.7

89 10.5

76 9.6

60 8.1

48 6.9

42 6.4

表3-6 角钢的最小肢宽

角钢肢宽（mm） 杆件的最大长度Lmax（m）（保证L/150的垂度）

250 23.3

200 19.9

150 16.2

125 14.2

100 12.0

89 11.4

75 10.0

65 9.0

50 7.5

35 6.4

七、支撑连接

张拉圆钢、角钢的连接见图3-34。圆管截面连接最简单的做法见图3-38a，杆件压扁的两端可以直接和连接板栓接，但这种连接形式适用于小管径的情况，而且需验算端头截面削弱后的承载力。对于管径大于100毫米的较大圆管，通常使用图3-38b所示连接，连接板的插入深度和焊缝尺寸根据轴力计算得到。

管截面最普遍的连接如图3-38c。在端板和主管连接处的主管局部压（拉）力验算中，建议使用60度的集中力传递角度[41]，如图3-38d。

图3-38 圆管连接

八、 门架支撑

由于建筑功能及外观的要求，在某些开间内不能设置交叉支撑，这时可以设置门架支撑。这种支撑形式可以沿纵向固定在两个边柱间的开间或多跨结构的两内柱之开间。支撑门架构件由支撑梁和固定在主刚架腹板上的支撑柱组成，其中梁和柱必须做到完全刚接，当门架支撑顶距离主刚架檐口距离较大时，需要在支撑门架和主刚架间额外设置斜撑，如图3-39所示[27]。在设计该种支撑时，要求门架和相同位置设置的交叉支撑刚度相等，另外是节点必须做到完全刚接。

图3-39 门架支撑

九、柱脚绕弱轴抗弯固接的刚接柱支撑

门架柱固接于基础上，门架柱绕弱轴方向具有适当的抗弯刚度通常不被考虑，即认为每榀刚架沿纵向均为铰接。当建筑物平面宽度尺寸较小、檐口较底并具有很多个开间的建筑时，可以考虑将柱脚绕弱轴处理成刚接（如图3-40a），以此来抵抗作用在沿建筑物长度方向上的侧向力。沿建筑物檐口的侧向力由所有的主框架柱本身分担，故每根柱子承受的纵向力较小，柱截面的弱轴方向的抗弯刚度也足以抵抗这种侧向力。这种支撑系统对立柱弱轴刚度和柱脚的要求较高，对于那些平面宽度尺寸大、檐口高并具有很少个开间的建筑来说，这种支撑系统和普通的交叉支撑相比，变得既不经济也不合适。

柱底脚与基础固接绕弱轴抗弯的柱支撑通常大多用于遮蔽建筑物结构，例如用的最多的是汽车停车场结构，它要求墙面可以完全开敞以便汽车进出。这些建筑物通常长度很大，屋檐檐口较低，并有很多个开间，如图3-40b所示。


a b

图3-40柱脚绕弱轴抗弯固接的刚接柱支撑

第六节 主门式工程设计实例

一、 抗风柱设计和支撑设计

1、抗风柱设计

跨度18米的两端山墙封闭单层厂房，檐口标高8米，每侧山墙设置两根抗风柱，形式为实腹工字钢。山墙墙面板及檩条自重为0.15kN/m2，基本风压为0.55kN/m2，试设计抗风柱的截面。

1）荷载计算

墙面恒载值 ;

风压高度变化系数 ，风压体型系数 ,风压设计值 ；

单根抗风柱承受的均布线荷载设计值：

恒载 ；

风荷载 。

2） 内力分析

抗风柱分析模型

抗风柱的柱脚和柱顶分别由基础和屋面支撑提供竖向及水平支承，分析模型如上图。可得到构件的最大轴压力为12.3 ，最大弯矩为46.6 。

3） 截面选择

取工字钢截面为300x200x6x8，绕强轴长细比62，绕弱轴考虑墙面檩条隅撑的支承作用，计算长度取3米，那么绕弱轴的长细比为65，满足抗风柱的控制长细比限值 150的要求。

强度校核：

稳定验算：

挠度验算：

在横向风荷载作用下，抗风柱的水平挠度为13.6mm小于L/400(20mm)，满足挠度要求。

2、支撑设计

跨度18米的两端山墙封闭单层厂房，檐口标高8米，榀距6米，每侧边柱各设有一道柱间支撑，形式为单层X形交叉支撑。取山墙面的基本风压0.55，试设计支撑形式及截面。

对于单层无吊车普通厂房，支撑采用张紧的圆钢截面，预张力控制在杆件拉力设计值的10%左右。

1）荷载计算

风压高度变化系数 ，风压体型系数 ，风压设计值 ；

单片柱间支撑柱顶风荷载集中力：

。

2） 内力分析

柱间支撑分析模型

如上图的计算模型，考虑张紧的圆钢只能受拉，故虚线部分退出计算，得到的支撑杆件拉力值 ；

考虑钢杆的预加张力作用，在拉杆设计中留出20%的余量，杆件拉力设计值 ；

3)截面选择

杆件净面积 。取 的圆钢，截面积为314mm2

二、设计实例一

1 设计资料

门式刚架车间柱网布置：长度60m；柱距6m；跨度18m。

刚架檐高：6m；屋面坡度1：10；屋面材料：夹心板；墙面材料：夹心板；天沟：钢板天沟；基础混凝土标号为C25，fc=12.5 N/mm2；材质选用：Q235-B f=215 N/mm2 f=125 N/mm2。

2 荷载取值

静载：为0.2 kN/m2；活载：0.5 kN/m2 ；雪载：0.2 kN/m2；风载：基本风压W0=0.55 kN/m2，地面粗糙度B类，风载体型系数如下图：

图3-41 风载体型系数示意图

3 荷载组合

(1). 1.2 恒载 + 1.4 活载

(2). 1.0 恒载 + 1.4 风载

(3). 1.2 恒载 + 1.4 活载 + 1.4×0.6 风载

(4). 1.2 恒载 +1.4×0.7 活载 + 1.4 风载

4 内力计算

（1）计算模型

图3-42 计算模型示意图

（2）工况荷载取用

恒载 活载

左风 右风

图3-43 刚架上的恒载、活载、风载示意图

各单元信息如下表：

表3-5 单元信息表

单元号 截面名称 长度(mm) 面积(mm2) 绕2轴惯性矩(x104mm4) 绕3轴惯性矩(x104mm4)

1 Z250~450x160x8x10 5700 54407040 973974 599822728

2 L450x180x8x10 9045 7040 974 22728

3 L450x180x8x10 9045 7040 974 22728

表中：面积和惯性矩的上下行分别指小头和大头的值

图3-44 梁柱截面示意简图

（3）计算结果

刚架梁柱的M、N、Q见下图所示：


图3-45 恒载作用时的刚架M、N、Q图


图3-46 活载作用时的刚架M、N、Q图


图3-47 （左风）风载作用时的刚架M、N、Q图

选取荷载效应组合：（1.20 恒载 + 1.40 活载）情况下的构件内力值进行验算。组合内力数值如下表所示：

表3-6 组合内力表

单元号 小节点轴力N(kN) 小节点剪力Q2(kN) 小节点弯距M(kN.m) 大节点轴力N(kN) 大节点剪力Q2(kN) 大节点弯距M(kN.m)

1 -67.97 23.16 0.00 -56.89 -23.16 132.03

2 -28.71 -54.30 -132.03 -23.05 -2.30 -103.14

3 -23.05 -2.30 103.14 -28.71 -54.30 132.03

4 -56.89 -23.16 -132.03 -67.97 23.16 0.00

5构件截面验算

根据协会规程第(6.1.1)条进行板件最大宽厚比验算。

翼缘板自由外伸宽厚比：（180-8）/（2×10）=8.6<15，满足协会规程得限值要求；腹板宽厚比：(450-2×10)/8=54<250，满足协会规程的限值要求。

腹板屈曲后强度的抗剪承载力设计值按如下考虑：

腹板高度变化率：(450-250)/5.7=35mm/m<60 mm/m，故腹板抗剪可以考虑屈曲后强度。加劲肋间距取为2hw，则其抗剪承载力设计值为：

其中，

因为 ，所以

1）1号单元（柱）的截面验算

I. 组合内力值如下：

1号节点端 M12= 0.00 kN.m N12= —67.97 kN Q12= 23.16 kN

2号节点端 M21= 132.03 kN.m N21= —56.89 kN Q21= 23.16 kN

II. 强度验算

先计算1号节点端。

67.97×103/5440=12.49N/mm2
用 代替式(6.1.1-7)中的fy。 =1.087×12.49=13.58 N/mm2，弯矩为0，故截面边缘正应力比值 1.0。

根据规程中式(6.1.1-8)求得 =4.0，进而得到 =29/(28.1×2×4.2)=0.12。因为 =0.12，所以有效宽度系数 =1，即此时1号节点端截面全部有效。


QAB
1号节点端截面强度满足要求。

再验算2号节点端：

=138.79 N/mm2
= —122.62 N/mm2

用 代替规程中式(6.1.1-7)中的fy。 =1.087×133.15=150.86 N/mm2，截面边缘正应力比值 —0.8883。

根据规程中式(6.1.1-8)求得 = 51.310，进而得到 =0.215。因为 =0.215，所以有效宽度系数 =1，即此时2号节点端截面全部有效。

2号节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第(6.1.2)条的第三款规定进行验算。

QBA <0.5d = 3440×125×0.5=215 kN (采用规程中式（6.1.2-3a）计算)

=（215－56890/7040）×1010133= 209.02 kN.m

M< ，故2号节点端截面强度满足要求。

III. 稳定验算

对于1号单元（柱），已知柱平面外在柱高4m处设置柱间支撑，即平面外计算长度L0y=4000mm。

根据协会规程第6.1.3条可求出截面高度呈线性变化柱子的计算长度系数。

柱小头惯性矩Ic0=5998×104mm4，柱大头惯性矩Ic1= 22728×104mm4，Ic0/ Ic1= 0.264。梁的最小截面惯性矩Ib0= 22728×104mm4，梁为等截面，斜梁换算长度系数取1.0。

对于横梁 =22728×104/（2×1.0×9045）=12564，对于柱 =22728×104/5700=39874，所以K2/ K1=0.315。

查规程中表6.1.3可得 =1.429，平面内计算长度L0x=8150mm。

变截面柱在平面内的稳定性按照规程中第6.1.3条的规定进行验算。 =78，查表得 =0.701， =1834 kN。稳定验算公式为：

=17.82+134.19=152.01 N/mm2<215 N/mm2

变截面柱在平面外的稳定性按照规程第6.1.4条的规定进行验算。 =95， 查表得 =0.588，楔率为 =0.8。

1号单元柱一端弯矩为0，故 =0.96， =1.518， =1.035， =197，

=1.22。

因为 >0.6，按照现行国家标准《钢结构设计规范》GBJ17-88的规定，查出相应的 =0.813代替 ，即 =0.813。平面外稳定的验算公式：

=21.25+154.92=176.17 N/mm2


2）2号单元（梁）的截面验算

I. 组合内力值如下：

2号节点端 M23= 132.03 kN.m N23= —28.71 kN Q23= 54.30 kN

3号节点端 M32= 103.14 kN.m N32= —23.05 kN Q32= 2.30 kN

II. 强度验算

先计算2号节点端。

=134.78 N/mm2

= —126.63 N/mm2

故截面边缘正应力比值 —0.94。用 代替规程中式(6.1.1-7)中fy。 =1.087×134.78=146.51 N/mm2。

根据式规程中四式(6.1.1-8)求得 =84.19，进而得到 =0.165。因为 =0.0.165，所以有效宽度系数 =1，即此时2号节点端截面全部有效。

2号节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第6.1.2条的第三款规定进行验算。

QBC<0.5d = 3440×125×0.5=430 kN (采用规程中式6.1.2-3a计算)

=（215－28710/7040）×1010133=213.06 kN.m

M< ，故2号节点截面强度满足要求。

再验算3号节点端。

=105.38 N/mm2
= —98.83 N/mm2

故截面边缘正应力比值 —0.938。

用 代替规程中式(6.1.1-7)中的fy， =1.087×128.95=114.55 N/mm2，根据规程中式(6.1.1-8)求得 = 82.521，进而得到 =0.148。因为 =0.148，所以有效宽度系数 =1，即此时3号节点端截面全部有效。

3号节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第6.1.2条的第三款规定进行验算。

QCB<0.5d = 3440×125×0.5=215 kN (采用规程中式6.1.2-3a计算)

=（215－23050/7040）×1010133=213.87 kN.m

M< 故3号节点截面强度满足要求。

III．稳定验算

根据协会规程第6.1.6条第一款的规定，实腹式刚架梁当屋面坡度小于10°时，在刚架平面内可可仅按压弯构件计算其强度。本例的屋面坡度为5.7°小于10°，故可不验算梁平面内的稳定性。

刚架梁平面外的稳定性按照钢结构设计规范GBJ17-88第五章第二节的规定进行验算2号单元（梁）。已知梁平面外侧向支撑点间距为3000 mm，即平面外计算长度L0y=3000mm。梁的最小截面惯性矩Ib0y=974×104mm4，梁为等截面。 =81，查表得 =0.681， =1.0， 按照如下公式确定：

=0.922

因为 >0.6，按照现行国家标准《钢结构设计规范》GBJ17-88的规定，查出相应的 =0.739代替 ，即 =0.739。

按2号节点端的受力验算构件平面外的稳定性：

=5.99+176.75=182.74 kN.m


6 连接节点计算

（1） 梁柱节点

采用如下图所示的连接形式。

图3-48 梁柱连接节点示意图

连接处的组合内力值：M = 132.03 kN.m，N = —28.71 kN，Q = 54. 30 kN。

1）.螺栓验算

若采用摩擦型高强度螺栓连接，用8.8级M20高强螺栓，连接表面用钢丝刷除锈， ，每个螺栓抗剪承载力为： =0.9×1×0.3×110000=29.7KN。

抗剪需用螺栓数量n=54.30/29.7=2，初步采用8个M20高强螺栓。

螺栓群布置如图3-49所示：

图3-49 梁柱连接节点螺栓群布置图

螺栓承受的最大拉力值按照如下公式计算（其中y1=270，y2=178，y3=113，y4=48各有4个螺栓）：

== —1.794+74.480=72.69kn<0.8P=88kn

以上计算说明：螺栓群抗剪、抗弯均满足要求。

2）连接板厚度的设计

端板厚度t根据支承条件计算确定。在本例中有两种计算类型：两边支承类端板（端板平齐）以及无加劲肋端板，分别按照协会规程中相应的公式计算各个板区的厚度值，然后取最大的板厚作为最终值。

两边支承类端板（端板平齐）：

ef=42 mm，ew=40 mm，Nt=72.69 kn， b=180 mm，f=215 mm。

= 18.0 mm

无加类端板：

a=65 mm，ew=42 mm，Nt=29.38 kn

= 15.1 mm

综上所得结果可取端板厚度为t=18 mm。

3）节点域剪应力验算

门式刚架斜梁与柱相交的节点域应按照协会规程第7.2.10条的规定验算。其中，M=132.03 kn，db=450 mm，dc=434 mm，tc=8 mm。

=101.41 N/mm2
节点域的剪应力满足规程要求。

在端板设置螺栓处，应按照协会规程第7.2.11条的规定验算构件腹板的强度。采用翼缘内第二排一个螺栓的拉力设计值Nt2，经计算得到：Nt2=29.38 kN<0.4 P=44 kN。因为ew=41 mm，tw=8 mm，所以，

=89.57 N/mm2


（2）梁拼接节点

梁的拼接方式如图3-50所示。

图3-50 梁拼接节点示意图

连接处的组合内力值为：M = 103.14 kN.m，N = —23.05 kN，Q = 2.30 kN。

其计算方法与梁柱连接节点的计算方法相似

1）.螺栓验算

仍采用8.8级M16高强螺栓，连接表面用钢丝刷除锈， ，每个螺栓抗剪承载力为18.9kN，剪力很小，抗剪显然满足，初步采用12个M16高强螺栓。

螺栓群布置如图3-51所示：

图3-51 梁拼接节点螺栓群布置图

螺栓承受的最大拉力值按照如下公式计算（y1=261，y2=183，y3=130各有四个螺栓）：

== —1.92+56.82=54.90 kN<0.8P=56kN

所以，螺栓群抗剪、抗弯均满足要求。

2）连接板厚度的设计

端板厚度t根据支承条件计算确定，在本例中有两种计算类型：两边支承类端板（端板平齐）以及无加劲肋端板，分别按照协会规程中相应的公式计算各个板区的厚度值，然后取最大的板厚作为最终值。

伸臂类端板（端板平齐）：

其中ef=32 mm，Nt=54.9 kN，b=180 mm，f=215 mm。

= 16.5 mm

两边支承板（端板平齐）：

其中ef=38 mm，ew=26 mm，Nt=38.5 kN， b=180 mm，f=215 mm。

= 12..1 mm

无加类端板：

其中a=53 mm，ew=26 mm，Nt=27.34 kN，

= 13.7 mm

综上所得结果可取端板厚度为t=18 mm。

三、设计实例二

1、设计资料

门式刚架车间柱网布置：长度60m；柱距6m；跨度18m。檐高净高9m；牛腿标高6m，吊车起重量5t，轻级工作制，软钩；屋面坡度1：10；屋面材料：夹心板；墙面材料：夹心板；天沟：钢板天沟；基础混凝土标号为C25，fc=12.5N/mm2；材质选用：Q235-B f=215N/mm2，f=125 N/mm2。

2、荷载取值

静载：0.2kN/m2；活载0.5 kN/m2 ；雪载0.2 kN/m2；风载：基本风压W0=0.55 kN/m2，地面粗糙度B类，风载体型系数图同设计实例一。

这里重点介绍吊车荷载的取用。

（1） 基本资料

取得吊车的基本资料为：起重量5t；软钩；轻级工作制；跨度16.5m；起升高度12m；运行速度：小车20.8m/min，大车45.4m/min。

（a） （b）

图3-52 吊车基本尺寸示意图

吊车基本尺寸：B=4500mm，K=3400mm；轨道以上高度H=1753.5mm，B1=230mm；轨道型号：38kg/m；小车重量：1.7t，总重：14.2t；轮压：Fmax=7.4t，Fmin=2.2t。

（2）吊车荷载的设计值

吊车每个车轮的横向水平制动力T1：

=0.12×（50+17）/4=2.01 kN

吊车竖向荷载的设计值（最大）：

=1.0×1.4×74=103.6 kN

吊车竖向荷载的设计值（最小）：

=1.0×1.4×22=30.8 kN

吊车横向水平荷载的设计值：

=1.0×1.4×2.01=2.814 kN

（3）吊车工况

吊车荷载的共有八种工况：

只考虑一台吊车时

1）最大轮压在左，最小轮压在右，并且同时有向右的横向水平荷载

2）最大轮压在左，最小轮压在右，并且同时有向左的横向水平荷载

3）最大轮压在右，最小轮压在左，并且同时有向右的横向水平荷载

4）最大轮压在右，最小轮压在左，并且同时有向左的横向水平荷载

同时考虑两台吊车时

5）最大轮压在左，最小轮压在右，并且同时有向右的横向水平荷载

6）最大轮压在左，最小轮压在右，并且同时有向左的横向水平荷载

7）最大轮压在右，最小轮压在左，并且同时有向右的横向水平荷载

8）最大轮压在右，最小轮压在左，并且同时有向左的横向水平荷载

因为结构具有对称性，故前两种情况就是典型的吊车荷载情况，如下图所示：

（a） （b）

图3-53 两种典型的吊车荷载作用情况示意图

（4）吊车荷载的影响线确定

假定吊车梁为简支梁。简支梁在受到集中荷载作用时，支座反力的影响线如下图所示：

（a） （b）

图3-54 吊车荷载的影响线示意图

当只考虑一台吊车的作用时，吊车作用在刚架上的荷载考虑如下：

竖向荷载

=1.433×103.6=148.46 kN；

=1.433×30.8=44.14 kN；

横向水平荷载

=1.433×2.814=4.03 kN；

当同时考虑两台吊车的作用时，吊车作用在刚架上的荷载考虑如下：

竖向荷载

=2.5×103.6=259 kN；

=2.5×30.8=77 kN；

横向水平荷载

=2.5×2.814=7.035 kN；

将吊车梁的自重平均分配到刚架柱上，估计吊车梁的截面尺寸为380x300x8x10mm，则初步估算吊车梁自重为71kg/m，那么刚架柱上因此受到的集中力标准值为4.26 kN。

3、荷载效应组合

（1）1.2 恒载 + 1.4 活载

（2）1.2 恒载 + 1.4 风载

（3）1.2 恒载 + 1.4 吊车荷载

（4）1.2 恒载 + 1.4 活载 + 1.4×0.6 风载

（5）1.2 恒载 + 1.4×0.7 活载 + 1.4 风载

（6）1.2 恒载 + 1.4 活载 + 1.4×0.7 吊车荷载

（7）1.2 恒载 + 1.4×0.7 活载 + 1.4 吊车荷载

（8）1.2 恒载 + 1.4×0.6 风载 + 1.4 吊车荷载

（9）1.2 恒载 + 1.4 风载 + 1.4×0.7 吊车荷载

（10）1.2 恒载 + 1.4 活载 + 1.4×0.6 风载 + 1.4×0.7 吊车荷载

（11）1.2 恒载 + 1.4×0.7 活载 + 1.4 风载 + 1.4×0.7 吊车荷载

（12）1.2 恒载 + 1.4×0.7 活载 + 1.4×0.6 风载 + 1.4 吊车荷载

4、内力计算

采用同济大学的3D3S钢结构辅助设计软件计算结构内力。

（1）计算模型简图

图3-55 计算模型简图

（2）内力图形

对应图3-53所示的吊车荷载作用情况，下面给出考虑两台吊车同时作用时，刚架相应的内力图形：

M图 N图 Q图

（a）考虑两台吊车同时作用（横向水平荷载向右）

M图 N图 Q图

（b）考虑两台吊车同时作用（横向水平荷载向左）

图3-56 吊车荷载下的刚架内力图

各单元信息如下表所示：

表3-7 单元信息表

单元号 截面名称 长度(mm) 面积(mm2) 绕2轴惯性矩(x104mm4) 绕3轴惯性矩(x104mm4)

1 柱460x180x6x10 6000 6240 973 22487

2 柱460x180x6x10 3300 6240 973 22487

3 L400x180x4x8 9045 4416 778 12953

4 L400x180x4x8 9045 4416 778 12953

5 柱460x180x6x10 6000 6240 973 22487

6 柱460x180x6x10 3300 6240 973 22487

我们取如下所示的一种较不利的荷载组合进行构件的验算：

1.2 恒载 + 1.4×0.7 活载 + 1.4×0.6 风载（左风）+ 1.4×1.0 吊车荷载（吊车荷载工况5）。

相应的构件内力如下表所示：

表3-8 组合内力表

单元号 小节点轴力N(kN) 小节点剪力Q2(kN) 小节点弯距M(kN.m) 大节点轴力N(kN) 大节点剪力Q2(kN) 大节点弯距M(kN.m)

1 -87.987 4.919 14.876 -75.891 -9.077 27.111

2 -26.637 13.291 -2.157 -19.984 -15.578 49.791

3 -17.489 -18.335 -49.791 -13.180 0.336 -34.588

4 -12.853 -2.939 34.588 -17.161 -23.845 59.917

5 -197.836 33.096 90.875 -185.739 -23.949 80.260

6 -25.434 -14.704 -59.917 -32.087 19.735 3.093

5、构件验算

构件验算与实例一相似，可以参照实例一的相应步骤进行，在此不再赘述。

6、节点连接计算

梁柱节点连接以及梁的对接节点的计算与实例一相似，这里仅给出牛腿及其和柱的连接验算。

1）牛腿设计

图3-57 牛腿连接节点示意图

牛腿所承受的组合内力值：

牛腿承受一个吊车梁传来的偏心竖向力，包括吊车竖向荷载以及吊车梁的自重，力的大小为：259+4.26×1.2 =264.11 kN。力的作用点距柱内边缘的偏心值为520mm，则牛腿与柱连接处所承受的力为：Q=264.11 kN，M=137.34 kN. M。

I. 牛腿与柱连接处的截面强度计算

经计算牛腿的惯性矩为I=128.0×106mm4，截面模量为Wn=731588mm3 ，腹板中点处的S=414900 mm3，抗弯强度：

=137.34×106/731588=187.7 N/mm2
抗剪强度：

=264110×414900/（128.0×106×8）=107.0 N/mm2
腹板边缘处的折算应力：

=187.7×165/175=177.0 N/mm2

可以偏安全地认为 =107.0 N/mm2 ，则折算应力为：

=206.8 N/mm2
II. 牛腿与柱连接处的焊缝强度计算

焊缝全部采用角焊缝，焊脚尺寸取为9mm。焊缝布置如图3-58所示：

图3-58 焊缝布置图

焊脚尺寸为9mm，则焊缝有效截面的投影宽度为 =4.5 mm。经计算得到焊缝的 惯性矩为Iwx=171735604 mm4，截面模量为 Wn=956744 mm3。因为翼缘竖向刚度较差，所以假定全部剪力由牛腿腹板的焊缝承受，弯矩则由整个工字形焊缝来承受。

抗弯验算：

=137.34×106/956744=143.55 N/mm2< =160 N/mm2

抗剪验算：

腹板的竖向焊缝面积为

=4032 mm2

=65.5 N/mm2< =160 N/mm2

腹板边缘的折算应力：

=143.6×165/179.5=132.0 N/mm2

可以偏安全地认为 =65.5 N/mm2，则折算应力为：

=147.36 N/mm2< =160 N/mm2

焊缝抗剪、抗弯均满足要求。

2）柱脚设计

3D3S软件计算得到柱脚的最大反力值为：M=170.80 kN.m，N= 117.92 kN，Q= 43.45 kN。

柱脚采用如图所示柱脚形式。

图3-59 柱脚形式示意图

I. 确定底板尺寸

底板的长度和宽度应根据设置的加劲肋等补强板件和锚栓的构造特点来确定。初步确定L=750mm，B=490mm，锚栓孔的布置位置如图3-60所示。

底板的长度和宽度应满足下列公式的要求：

经计算可得：

=0.32 + 3.72 = 4.04 N/mm2


图3-60 锚栓孔的布置图

II. 确定底板厚度

三边支承板及两相邻边支承板： 。

对于柱内区格：

b1=242mm，a1=237mm，b1/ a1=1.02，查表得到 0.113。

相应区格内的最大应力为：q=4.04 N/mm2，所以M1=25642 N. mm /mm。

锚栓区格：

b1=145mm，a1=218mm，b1/ a1=0.67，查表得到 0.084。

相应区格内的最大应力为：q=2.60 N/mm2，所以M2=10379 N. mm /mm。

所以Mmax=25642，由此计算底板得厚度：

=26.8，取板厚为30mm

III. 确定锚栓直径：

锚栓计算简图参见图8-13。

底板上单位面积上的压力为：

=0.32 + 3.72 = 4.04 N/mm2

=0.32—3.72= —3.40 N/mm2

=407 mm

=239 mm

= 529 mm

则锚栓所承受的拉力为： =269.60 kN。

考虑到锚栓应留有一定余量，选取Q345钢的锚栓，直径为36mm，单个锚栓承载力147 kN。

I. 确定各加劲板件的长度、宽度和厚度尺寸

加劲板件的强度及其与柱板件和柱脚底板的连接可近似的按照下列公式计算：

（1）

（2）

其宽厚比不宜超过 。

2号类型加劲板件：

其所承受的作用剪力为 ：

=（145/2+237/2）×155×2.60 = 77.0 kN 或者 =270

取两者之间的大值来确定板件高度。板件厚度按照宽厚比限值计算取厚度为10mm。

按照下面的公式确定板件高度：

=216mm

取板件高度为350mm。

焊缝长度按照如下公式确定，取焊脚尺寸为hf=8mm：

=301mm

所以板件与柱之间满焊，焊缝长度350mm，计算长度lw=340mm<60hf 满足构造要求。

3号类型加劲板件：

与2号类型加劲板件的计算过程类似，所得结果与2号类型加劲板件的尺寸一致。

4号类型加劲板件：

其所承受的作用剪力为 ：

=237×242×2.60 = 149.0 kN

用来确定板件高度。板件厚度按照宽厚比限值计算取厚度为14mm。

按照如下公式确定板件高度：

=85mm

取板件高度为350mm

焊缝长度按照下面的公式确定，取焊脚尺寸为hf=6mm：

=259mm

所以板件与柱之间满焊，焊缝长度350mm，计算长度lw=340mm<60hf 满足构造要求。

四、设计实例三

1、设计资料

门式刚架车间柱网布置：长度60m；柱距6m；跨度18m。檐口净高9m；屋面坡度1：10；屋面材料：夹心板；墙面材料：夹心板；有夹层，夹层标高5m。楼面材料：采用压型钢板组合楼面，压型钢板型号YX70-200-600，板厚为0.8mm，楼面混凝土标号C15；天沟：钢板天沟；基础混凝土标号为C25，fc=12.5N/mm2；材质选用：Q235-B f=215N/mm2 f=125 N/mm2。

2、荷载信息

屋面恒载：0.2KN/m2；屋面活载：0.5 KN/m2 ；屋面雪载：0.2 KN/m2；楼面恒载：3.0KN/m2；楼面活载：2.5KN/m2；风载：基本风压W0=0.55 KN/m2，地面粗糙度B类，风载体型系数如下图：

图3-61 风载体型系数示意图

将楼面荷载转化为主梁上的线荷载，同时应考虑楼面活载的最不利位置。楼面主梁上的荷载为：恒荷载18.0 KN/m2，活荷载 15.0 KN/m2。典型的楼面活载不利位置如图3-62所示：


图3-62 楼面活载不利位置示意图

3、荷载效应组合

（1）1.2 恒载 + 1.4 活载

（2）1.2 恒载 + 1.4 风载

（3）1.2 恒载 + 1.4 活载 + 1.4×0.6 风载

（4）1.2 恒载 + 1.4×0.7 活载 + 1.4 风载

4、内力计算

采用同济大学的3D3S钢结构辅助设计软件进行内力计算。

（1）计算模型简图：

图3-63 计算模型简图

（2）内力图形

图3-64 恒+活（活载满布）组合下的刚架内力图

各单元信息如下表：

表3-8 单元信息表

单元号 截面名称 长度(mm) 面积(mm2) 绕2轴惯性矩(x104mm4) 绕3轴惯性矩(x104mm4)

AB 350x200x8x10 5000 6640 1335 13959

BC 350x200x8x10 4300 6640 1335 13959

CD L400x180x4x8 9045 4416 778 12953

DE L400x180x4x8 9045 4416 778 12953

FG 350x200x8x10 5000 6640 1335 13959

EF 350x200x8x10 4300 6640 1335 13959

HI 350x200x8x10 5000 6640 1335 13959

JK 350x200x8x10 5000 6640 1335 13959

BJ L450x200x8x10 6000 7440 1335 24664

JH L450x200x8x10 6000 7440 1335 24664

HF L450x200x8x10 6000 7440 1335 24664

取如下所示的一种较不利的荷载组合进行构件的验算：

1.2 恒载 + 1.4×1.0 活载 （活载满布）。

相应的构件内力如表3-9所示。

表3-9 组合内力表

单元号 小节点轴力N(kN) 小节点剪力Q2(kN) 小节点弯距M(kN.m) 大节点轴力N(kN) 大节点剪力Q2(kN) 大节点弯距M(kN.m)

AB -183.177 6.501 11.318 -172.911 -6.501 21.190

BC -47.998 41.869 85.149 -39.171 -41.869 94.890

CD -45.559 -34.810 -94.890 -41.661 -4.166 -43.696

DE -41.661 -4.166 43.696 -45.559 -34.810 94.890

FG -183.176 6.501 11.318 -172.911 -6.501 21.190

EF -39.171 -41.869 -94.890 -47.998 41.869 -85.149

HI -264.668 -0.953 -3.342 -267.733 0.953 -1.425

JK -264.668 0.953 3.342 -267.733 -0.953 1.425

BJ 35.367 124.913 106.339 35.367 134.807 -136.024

JH 36.321 129.860 132.682 36.321 129.860 -132.682

HF 35.367 124.913 106.339 35.367 134.807 -136.024

5、构件验算

构件验算与实例一相似，可以参照实例一的相应步骤进行，在此不再赘述。

6、节点连接计算

梁柱节点连接以及梁的对接节点的计算与实例一相似。

（1）楼面梁与中柱的连接节点计算：

图3-65 楼面梁与中柱连接节点示意图

节点处组合内力值：M=136.02 kN.m，Q=134.80 kN，N=35.37 kN。

考虑剪力全部由腹板及其连接来传递，采用摩擦型8.8级M24高强螺栓。弯矩按照梁截面上腹板与翼缘的刚度比例分配，则翼缘承受的弯矩Mf和腹板承受的弯矩Mw按以下方法计算：

梁截面绕强轴的惯性矩= 246.6×106 mm4，腹板绕强轴的惯性矩Iwx= 53.0×106mm4。

Mw =（Iwx/ Ix）×M =29.23 kN.m

Mf = M —Mw =106.79 kN.m

1）螺栓计算

连接处构件表面采用喷砂处理，则每个螺栓抗剪承载力为：

=0.9×1×0.45×155000=62.78KN

采用8个M24高强螺栓，螺栓群布置如图3-66所示：

图3-66 螺栓群布置示意图

则在剪力和弯矩同时作用下，螺栓群内单个螺栓所承受的最大剪力由两部分组成：

= N/8 = 4.42 kN

= Q/8 = 16.85 kN

= 40.60 kN

= 13.53 kN

由图3-66可以看出螺栓1的受力最大，其合力为：

= 54.26 kN< =62.78kN

螺栓连接满足要求。

2）连接板与柱子的焊缝计算

连接板与柱子之间采用两条角焊缝进行连接，取焊脚尺寸为6mm，焊缝长度为380mm。焊缝在弯矩、剪力、轴力作用下的应力分别为：

=152.51 N/mm2

=11.39 N/mm2

=43.37 N/mm2

将以上三个应力值代入下式，得：

=141.17 N/mm2 < =160 N/mm2

连接板焊缝满足要求。

3）梁柱连接处的焊缝计算

翼缘采用四条角焊缝与柱子相连，取焊脚尺寸为10mm，焊缝长度为200mm，则翼缘焊缝所能承受的弯矩为：

=183.0 kN.m> Mf = 106.79 kN.m

翼缘焊缝强度满足要求。

（2）楼面主次梁连接节点的计算

主次梁之间的连接做成铰接，次梁间距为2m，取次梁截面为L250x180x6x8。

图3-37 楼面主梁与次梁连接节点示意图

节点处组合内力值：M= 0.00 kN.m，Q= 52.60 kN，N= 0.00 kN。

考虑剪力全部由腹板及其连接来传递，采用摩擦型8.8级M16高强螺栓；连接板的长度和宽度按照螺栓连接的构造要求确定，连接板的厚度取10mm。

1）连接板上的螺栓群计算

连接处构件表面采用喷砂处理，则每个螺栓抗剪承载力为：

=0.9×1×0.45×70000=28.35 KN，

采用4个M16高强螺栓，螺栓群布置如图3-37所示。则在剪力作用下，螺栓群内单个螺栓所承受的剪力为：

= Q/4 =13.15 KN< =28.35 KN

螺栓连接满足要求。

2） 连接板与主梁间焊缝的计算

连接板与主梁之间的连接焊缝采用双面直角角焊缝，取焊脚尺寸为8mm，焊缝计算长度lw通常仅考虑主梁腹板部分有效。作用在焊缝上的作用力，除了次梁端部的剪力外，还应考虑由于偏心所产生的附加弯矩的影响。偏心距为 e=136mm，偏心弯矩 = 7.15 kN.m。

焊缝在剪力和弯矩共同作用下的应力为：

= 11.18 N/mm2

= 7.15×106/235200=30.40 N/mm2

= 32.39 N/mm2< =160 N/mm2

焊缝强度满足要求。

7、压型钢板组合楼面的计算

考虑压型钢板作为组合板，即压型钢板既作为模板，又作为楼板底面受拉配筋，待混凝土达到强度后组合受力。选定压型钢板型号为YX70-200-600，板厚为0.8mm，如图3-38所示：

图3-38 YX70-200-600压型钢板截面示意图

压型钢板腹板与水平面的夹角为： ，腹板宽度 =69.1 mm。计算得到的压型钢板截面特性如下表所示（忽略圆角影响）：

表3-10 截面特性计算表

板件类别 板件宽度bi（mm） 至上边缘距离yi （mm） bi×yi（mm2） bi×yi2（×103）（mm3） （×103）（mm3）

上翼缘 130×3=390 0.4 156 0.06 ————

下翼缘 50×3+42=192 69.6 13363 930.1 ————

腹板 69.1×6=414.6 35 14511 507.9 169.30

下折板 (21-0.8)×1=20 59.6 1192 71.0 0.67

1016.6 ———— 29222 1509.1 169.97

压型钢板重心至上翼缘顶端的距离为y0 ：

=29222/1016.6=28.74 mm

一块压型钢板的惯性矩为：

=（1509.1+169.97 —（28.74）2×1.0166）×103×0.8

=671.5×103 mm4

单位宽度(1m) 压型钢板的惯性矩为：

Ix=671.5×103/0.6= 1.12×106 mm4

单位宽度(1m) 压型钢板的截面模量为：

=1.12×106 /28.74=39.0×103 mm3

=1.12×106 /(70—28.74)=27.1×103 mm3

组合楼板的设计包括以下两个方面的验算：

（1）施工阶段验算

施工阶段，恒载标准值取3.0 kN/m2，活载标准值取1.0 kN/m2。按照简支梁进行抗弯验算，则简支梁上的线荷载设计值为q=5 kN/m。跨中最大弯矩M=0.125qL2 =2.5 kN.m，支座处最大剪力Q=5 kN。

1）抗弯验算

跨中弯矩产生的压型钢板上、下边缘（如图3.38所示）处的弯曲正应力为：

=64.1 N/mm2

= — 92.3 N/mm2

根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）第5.6.1条的规定确定有效宽厚比，得到有效截面特性： 33.3 ×103 mm3 , 23.2 ×103 mm3,则：

=75.1 N/mm2

= — 107.9 N/mm2

因为 （75.1—64.1）/64.1=17%，大于5%的精度要求，需进行迭代计算，以满足精度要求。再次进行计算得到：

=75.1 N/mm2

= — 107.9 N/mm2

满足精度要求，无须继续迭代计算。

弯矩作用下最大弯曲应力 = 107.9 N/mm2
2）腹板剪应力验算

压型钢板所承受的最大剪力为 = 5kN， =15.2 N/mm2。腹板宽厚比 =69.1/0.8=86.4<100，根据薄壁型钢规范的第（7.1.6）条公式可知其容许剪应力为：

=98.9 N/mm2

显然， =15.2 N/mm2< =98.9 N/mm2， =15.2 N/mm2< =120 N/mm2。

3）挠度验算

跨中最大挠度为 = 4.5mm（2）使用阶段验算

使用阶段，恒载标准值取3.0 kN/m2，活载标准值取2.5 kN/m2。按照简支梁进行抗弯验算，则简支梁上的线荷载设计值为q=7.1 kN/m。

跨中最大弯矩M’=0.125 qL2 =3.55 kN.m/m。取B=200mm，则M=3.55*200/1000=0.71 kN.m，支座处最大剪力 Q’=7.1 kN，取宽度B计算时，则Q=1.42 kN。

1）抗弯验算

组合楼板抗弯强度按塑性设计法进行计算。假定截面受拉区及受压区的应力均达到强度设计值，考虑到作为受拉区的压型钢板没有保护层以及中和轴附近材料强度发挥不充分等原因，压型钢板钢材强度设计值f乘以折减系数0.9，混凝土弯曲抗压强度设计值fcm乘以折减系数0.8。

=255×205×0.9= 47.05 kN

=200×50×11×0.8= 88.0 kN

由于 < ，则塑性中和轴在压型钢板上翼缘以上的混凝土内。抗弯强度计算如下：

组合板受压区高度：

=47050/（200×11×0.8）=26.7 mm

拉应力合力至压应力合力的距离为：

=50+28.74—26.7 / 2=65.4 mm

组合板的抗弯强度为：

=26.7×200×65.4×11×0.8=3.07 kN.m>0.71 kN.m

2）纵向受剪承载力验算

组合楼板受剪承载力按如下公式计算 ：

=78.1—0.098×500 + 0.0036×60×78.74 + 38.6×0.8

=62.14 kN / m

宽度b内的承载力为：

=62.14×200 / 1000= 12.43 kN>1.42 kN

3）斜截面承载力验算

=0.07×200×78.74×10=11.0 kN>1.42 kN

3） 挠度验算和最大裂缝宽度验算

应按照《钢筋混凝土结构设计规范》的要求进行，在此不再详述。

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有些东西还是可以参考的

谢谢奉献

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