【正文】 34 第二章 輕型門式鋼剛架設(shè)計(jì)的基本理論 第一節(jié) 結(jié)構(gòu)布置和材料選用 一、結(jié)構(gòu)組成 輕型門式鋼剛架的結(jié)構(gòu)體系包括以下組成部分： （ 1）主結(jié)構(gòu)：橫向剛架（包括中部和端部剛架）、樓面梁、托梁、支撐體系等； （ 2）次結(jié)構(gòu)：屋面檁條和墻面檁條等； （ 3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)：屋面板和墻板； （ 4）輔助結(jié)構(gòu)：樓梯、平臺(tái)、扶欄等； （ 5）基礎(chǔ)。 圖 21 給出了輕型門式鋼剛架組成的圖示說明。 圖 21 輕型鋼結(jié)構(gòu)的組成 平面門式剛架和支撐體系再加上托梁、樓面梁等組成了輕型鋼結(jié)構(gòu)的主要受力骨架，即主結(jié)構(gòu)體系。屋面檁條和墻面檁條既是圍護(hù) 材料的支承結(jié)構(gòu)，又為主結(jié)構(gòu)梁柱提供了部分側(cè)向支撐作用，構(gòu)成了輕型鋼建筑的次結(jié)構(gòu)。屋面板和墻面板起整個(gè)結(jié)構(gòu)的圍護(hù)和封閉作用，由于蒙皮效應(yīng)事實(shí)上也增加了輕型鋼建筑的整體剛度。 外部荷載直接作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上。其中，豎向和橫向荷載通過次結(jié)構(gòu)傳遞到主結(jié)構(gòu)的橫向門式剛架上，依靠門式剛架的自身剛度抵抗外部作用?？v向風(fēng)荷載通過屋面和墻面支撐傳遞到基礎(chǔ)上。 二、結(jié)構(gòu)布置 輕型門式鋼剛架的跨度和柱距主要根據(jù)工藝和建筑要求確定。結(jié)構(gòu)布置要考慮的主要問題是溫度區(qū)間的確定和支撐體系的布置。 考慮到溫度效應(yīng)，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的縱向溫度區(qū) 段長(zhǎng)度不應(yīng)大于 300m，橫向溫度區(qū)段不應(yīng)大于 150m。當(dāng)建筑尺寸超過時(shí)，應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫。溫度伸縮縫可通過設(shè)置雙柱，或設(shè)置次結(jié)構(gòu)及檁條的可調(diào)節(jié)構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)。 支撐布置的目的是使每個(gè)溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段建筑能構(gòu)成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)骨架。布置的主要原則如下： （ 1）柱間支撐和屋面支撐必須布置在同一開間內(nèi)形成抵抗縱向荷載的支撐桁架。支撐桁架的直桿和單斜桿應(yīng)采用剛性系桿，交叉斜桿可采用柔性構(gòu)件。剛性系桿是指圓管、 H 型截面、 Z 或 C型冷彎薄壁截面等，柔性構(gòu)件是指圓鋼、拉索等只受拉截面。柔性拉桿必須施加預(yù)緊力以抵消 其自重作用引起的下垂； （ 2）支撐的間距一般為 30m40m，不應(yīng)大于 60m； （ 3）支撐可布置在溫度區(qū)間的第一個(gè)或第二個(gè)開間，當(dāng)布置在第二個(gè)開間時(shí)，第一開間的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置剛性系桿； 35 （ 4） ?45 的支撐斜桿能最有效地傳遞水平荷載，當(dāng)柱子較高導(dǎo)致單層支撐構(gòu)件角度過大時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置雙層柱間支撐； （ 5）剛架柱頂、屋脊等轉(zhuǎn)折處應(yīng)設(shè)置剛性系桿。結(jié)構(gòu)縱向于支撐桁架節(jié)點(diǎn)處應(yīng)設(shè)置通長(zhǎng)的剛性系桿； （ 6）輕鋼結(jié)構(gòu)的剛性系桿可由相應(yīng)位置處的檁條兼作，剛度或承載力不足時(shí)設(shè)置附加系桿。 除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須正確設(shè)置支撐體系以確保其整體穩(wěn)定性之外，還必須注意結(jié)構(gòu)安裝過程中的整體穩(wěn)定性。安裝時(shí)應(yīng)該首先構(gòu)建穩(wěn)定的區(qū)格單元，然后逐榀將平面剛架連接于穩(wěn)定單元上直至完成全部結(jié)構(gòu)。在穩(wěn)定的區(qū)格單元形成前，必須施加臨時(shí)支撐固定已安裝的剛架部分。 三、材料選擇 材料類型 鋼結(jié)構(gòu)常用類型有：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度鋼、耐火耐侯鋼等。其中，輕型鋼結(jié)構(gòu)一般采用碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。 （ 1） 碳素結(jié)構(gòu)鋼 按含碳量的大小，碳素結(jié)構(gòu)鋼可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。一般而言，含碳量為 — %的稱為低碳鋼 ；含碳量在 — %之間的稱為中碳鋼；含碳量在 — %的稱為高碳鋼。含碳量越高鋼材強(qiáng)度越高，建筑結(jié)構(gòu)中主要使用低碳鋼。按鋼材質(zhì)量，碳素結(jié)構(gòu)鋼可分為 A、 B、 C、 D 四個(gè)等級(jí)， 由A 到 D 表示質(zhì)量由低到高 。 不同質(zhì)量等級(jí)對(duì)沖擊韌性（夏比 V 型缺口試驗(yàn)）的要求有區(qū)別。 A級(jí)無沖擊功的規(guī)定； B 級(jí)要求提供 20℃時(shí)沖擊功 JAk 27? （縱向）； C 級(jí)要求提供 0℃時(shí)沖擊功 JAk 27? （縱向）； D級(jí)要求提供 20℃時(shí)沖擊功 JAk 27? （縱向）。按冶煉中的脫氧方法，鋼材可分為沸騰鋼（ F）、半鎮(zhèn)靜鋼 (b)、鎮(zhèn)靜鋼 (Z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼 (TZ)四類。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)和表示方式見表 21所示。 表 21 碳素結(jié)構(gòu)鋼的表示方法 牌號(hào) 質(zhì)量等級(jí) 脫氧方法 說明 Q195 —— F、 b、 Z 鋼材牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母 Q、屈服點(diǎn)、質(zhì)量等級(jí)和脫氧方法四個(gè)部分順序組成。如： Q235— A F Q235— 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） 低合金結(jié)構(gòu)鋼 低合金鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼中添加一種或幾種少量的合金元素（鋼內(nèi)各合金元素的總含量小于 5%），從而提高其強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐磨性或低溫沖擊韌性。低合金結(jié)構(gòu)鋼的含碳量一般較低（少于 %），以便于鋼材的加工和焊接。低合金結(jié)構(gòu)鋼 質(zhì)量等級(jí)分為 A、 B、 C、 D、 E 五級(jí)，由 A 到 E 表示質(zhì)量由低到高。不同質(zhì)量等級(jí)對(duì)沖擊韌性（夏比 V 型缺口試驗(yàn)）的要求有區(qū)別。 A 級(jí)無沖擊功要求； B 級(jí)要求提供 20C176。時(shí)沖擊功 Ak≥ 34J（縱向）； C 級(jí)要求提供 0C176。時(shí)沖擊功 Ak≥ 34J（縱向）； D 級(jí)要求提供－20C176。時(shí)沖擊功 Ak≥ 34J（縱向）； E 級(jí)要求提供－ 40C176。時(shí)沖擊功 Ak≥ 34J（縱向）。不同質(zhì)量等級(jí)對(duì)碳、硫、磷、鋁的含量的要求也有區(qū)別。低合金鋼的脫氧方法為鎮(zhèn)靜鋼（ Z）或特殊鎮(zhèn)靜鋼（ TZ）。 36 表 22 低合金結(jié)構(gòu)鋼的表示方法 牌號(hào) 質(zhì)量等級(jí) 脫氧方法 說明 Q295 A Z 鋼材牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母 Q、屈服點(diǎn)、質(zhì)量等級(jí)和脫氧方法四個(gè)部分順序組成。 如 ： Q345B—— 屈服強(qiáng)度345N/mm2， B 級(jí)鎮(zhèn)靜鋼； Q390D—— 屈服強(qiáng)度390N/mm2， D 級(jí)特殊鎮(zhèn)靜鋼； Q345C—— 屈服強(qiáng)度345N/mm2， C 級(jí)特殊鎮(zhèn)靜鋼； Q390A—— 屈服強(qiáng)度390N/mm2， A 級(jí)鎮(zhèn)靜鋼。 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 碳素結(jié)構(gòu)鋼用于一般受彎構(gòu)件可以充分利用鋼材的強(qiáng)度，而撓度和穩(wěn)定的潛力很難充分發(fā)揮；而低合金結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的強(qiáng)度、撓度和穩(wěn)定三個(gè)主 要控制指標(biāo)較易均衡地得以發(fā)展，同碳素結(jié)構(gòu)鋼相比可以節(jié)約20%左右的鋼材用量。 鋼材規(guī)格 鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材主要為熱軋成型的鋼板和型鋼、冷彎成型的薄壁型鋼等。 （ 1） 鋼板 鋼板主要有厚鋼板、薄鋼板和扁鋼（帶鋼）。 厚鋼板：厚度 — 60mm，寬度 600— 3000mm，長(zhǎng)度 4— 12m； 薄鋼板：厚度 — 4mm，寬度 500— 1500mm，長(zhǎng)度 — 4m； 扁 鋼：厚度 3— 60mm，寬度 10— 200mm，長(zhǎng)度 3— 9m。 厚鋼板主要用于焊接梁柱構(gòu)件的腹板和翼緣及節(jié)點(diǎn)板，薄鋼板主要用于制造冷彎薄壁型鋼，扁鋼可作為 節(jié)點(diǎn)板和連接板等。 （ 2） 熱軋型鋼 鋼結(jié)構(gòu)常用熱軋型鋼為角鋼、槽鋼、圓管、工字鋼和寬翼緣工字型截面等。寬翼緣工字型截面可用于輕型鋼結(jié)構(gòu)中的受壓和壓彎構(gòu)件，其他型鋼截面在輕型鋼結(jié)構(gòu)中一般用于輔助結(jié)構(gòu)或支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 （ 3） 薄壁型鋼 薄壁型鋼的截面尺寸可按合理方案設(shè)計(jì)，能充分發(fā)揮和利用鋼材的強(qiáng)度、節(jié)約鋼材。薄壁型鋼的壁厚一般為 — 5mm，但承重構(gòu)件的壁厚不宜小于 2mm。常用薄壁型鋼截面有槽形、卷邊槽形（ C 形）、 Z 形等。輕型鋼結(jié)構(gòu)中的次結(jié)構(gòu)構(gòu)件如檁條等一般采用薄壁型鋼。 鋼材選用 鋼材選用的原則是既使結(jié)構(gòu)安全可靠地滿 足使用要求，又盡量節(jié)約結(jié)構(gòu)鋼材和降低造價(jià)。一般而言，輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼材的選擇應(yīng)考慮以下方面： （ 1） 結(jié)構(gòu)類型及其重要性 結(jié)構(gòu)可分為重要、一般和次要三類。重級(jí)工作制吊車梁和特別重要的輕型鋼結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)及次結(jié)構(gòu)構(gòu)件屬于重要結(jié)構(gòu)；普通輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的主結(jié)構(gòu)梁柱和次結(jié)構(gòu)構(gòu)件屬于一般結(jié)構(gòu)；而輔助結(jié)構(gòu)中的樓梯、平 37 臺(tái)、欄桿等屬于次要結(jié)構(gòu)。重要結(jié)構(gòu)可選用 16Mn 鋼或 Q235— C 或 D；一般結(jié)構(gòu)可選用 Q235— B；次要結(jié)構(gòu)可選用 Q235— B F。 （ 2）荷載性質(zhì) 荷載可分為靜力荷載和動(dòng)力荷載兩種，動(dòng)力荷載又有經(jīng)常滿載和不經(jīng)常滿載的區(qū) 別。直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)一般采用 Q235— B、 Q235— C、 Q235— D 及 16Mn 鋼，對(duì)于環(huán)境溫度高于 20℃、 起重量 Q50t的中、輕級(jí)工作制吊車梁也可選用 Q235— B F。承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)可選用 Q235— B 和 Q235— B F。 （ 2） 工作溫度 根據(jù)結(jié)構(gòu)工作溫度選擇結(jié)構(gòu)的質(zhì)量等級(jí)。例如，工作溫度低于 20℃時(shí)宜選用 Q235— C或 Q235— D；高于 20℃時(shí)可選用 Q235— B。 第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則 一、背景 建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法兩類。容許應(yīng)力設(shè)計(jì) 法是建立在經(jīng)驗(yàn)和近似假定基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是將荷載和材料強(qiáng)度處理為隨機(jī)變量的建立在概率理論基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法，目前在國際上已被廣為應(yīng)用。我國自《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（ GBJ1787） [6]和《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（ GBJ1888） [5]起已經(jīng)采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（ CECS102:98） [2]直接參照了國內(nèi)外輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。但是，國際上仍有相當(dāng)規(guī)范采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法或同時(shí)提供了容許應(yīng)力和極限狀態(tài)兩種設(shè)計(jì)方法。 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 是基于這樣的認(rèn)識(shí)：不同類型的荷載，如恒載、活載、風(fēng)載、地震等，具有不同的分布規(guī)律，并且其超載概率也不同。同容許應(yīng)力法相比，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法引入了荷載分項(xiàng)系數(shù)，這些系數(shù)對(duì)于不同的荷載和不同的極限狀態(tài)具有不同的數(shù)值；不同的材料也具有不同的材料抗力分項(xiàng)系數(shù)。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是建立在統(tǒng)一的可靠度指標(biāo)上的，因而使結(jié)構(gòu)具有一致的有效概率，能得到更為合理的荷載及其效應(yīng)組合，從而導(dǎo)致更為經(jīng)濟(jì)和安全的設(shè)計(jì)結(jié)果。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類。其中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定驗(yàn)算屬于 承載能力極限狀態(tài)的范疇；結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的位移和剛度驗(yàn)算屬于正常使用極限狀態(tài)的范疇。一般設(shè)計(jì)時(shí)，首先選擇截面使結(jié)構(gòu)滿足承載能力極限狀態(tài)的要求，然后校核其是否滿足正常使用極限狀態(tài)。 二、承載能力極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)是指在設(shè)計(jì)荷載作用下不發(fā)生強(qiáng)度或穩(wěn)定破壞。承載能力極限狀態(tài)的一般表達(dá)式為： 0SRg 163。 （ 21） 上式中， 0g 為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； S 為最不利的荷載效應(yīng)組合值； R 為結(jié)構(gòu)的抗力。 結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)是結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接在荷載作用下的內(nèi)力（或應(yīng)力），由結(jié)構(gòu)分析理論計(jì)算得到，各類結(jié)構(gòu)分析或設(shè)計(jì)軟件（如 ANSYS、 SAP8 3D3S 等）是很有效和方便的計(jì)算手段。結(jié)構(gòu)抗力是連接和截面的強(qiáng)度及構(gòu)件的穩(wěn)定承載力等。 必須注意，計(jì)算承載能力極限狀態(tài)時(shí)荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力都是指設(shè)計(jì)值。 輕型鋼結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件和各個(gè)連接節(jié)點(diǎn)都必須滿足式（ 21）。 三、正 常使用極限狀態(tài) 除了滿足結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)外，設(shè)計(jì)者還必須確保結(jié)構(gòu)在使用荷載下能令人滿意地完成其預(yù)定功能。對(duì)于輕型鋼結(jié)構(gòu)而言，正常使用極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的位移滿足相應(yīng)的容許值，這可以通過驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的變形來確保；同時(shí)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件不產(chǎn)生振動(dòng)，這可以通過限制構(gòu)件的