【正文】 。 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。時(shí)沖擊功 Ak≥ 34J（縱向）。 A 級(jí)無沖擊功要求； B 級(jí)要求提供 20C176。 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。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)和表示方式見表 21所示。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 。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。 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。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。當(dāng)建筑尺寸超過時(shí)，應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫?？v向風(fēng)荷載通過屋面和墻面支撐傳遞到基礎(chǔ)上。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)。 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)。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。 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。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)。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。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)。 （ 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。 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。 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。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。時(shí)沖擊功 Ak≥ 34J（縱向）； C 級(jí)要求提供 0C176。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。 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。 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。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。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。 （ 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。 F。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。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。 （ 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。 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）。位移驗(yàn)算的一般公式為： 38 []ww163。由于輕型鋼結(jié)構(gòu)較柔，在很多情況下構(gòu)件截面是由位移控制的。結(jié)構(gòu)位移不能引起屋脊線的明顯撓曲； （ 5）不能導(dǎo)致維修時(shí)屋面的扭曲運(yùn)動(dòng)； （ 6）風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過度扭曲運(yùn)動(dòng)及吱嘎有聲； （ 7）不致影響和危及懸掛于剛架梁上吊車的正常運(yùn)行； （ 8）不致影響和危及軌道吊車的正常運(yùn)行； （ 9）不能導(dǎo)致內(nèi)外磚墻的開裂破壞。均布活荷載與雪荷載不同時(shí)考慮，取其中較大值 (記為 L)計(jì)算；積灰荷載與雪和均布活載中的較大值同時(shí)考慮；檢修荷載只與結(jié)構(gòu)自重荷載同時(shí)考慮； （ 3）風(fēng)載 (W)：現(xiàn)行《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (CECS102:2020)[3]對(duì)于風(fēng)荷載的取用是以GB500092020為基礎(chǔ)的，關(guān)于風(fēng)荷載體形系數(shù)是按照美國(guó)金 屬房屋制造商協(xié)會(huì) MBMA《低層房屋體系手冊(cè)》（ 1996）中有關(guān)小坡度房屋的規(guī)定取用的； （ 4）溫度 (T)：按實(shí)際環(huán)境溫差考慮； （ 5）吊車 (C)：按 GB500092020的規(guī)定取用，但吊車的組合一般不超過兩臺(tái)； （ 6）地震作用 (E)：按 GB500092020的規(guī)定取用，不與風(fēng)荷載作用同時(shí)考慮。 G 、 L 、 D 、 M 、 W 等表示荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。 （ 8） G+L+。忽略結(jié)構(gòu)柱腳與基礎(chǔ)之間連接的彈性剛度后可以得到理想的鉸接或剛接的結(jié)構(gòu)支座條件。這時(shí)，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。對(duì)于坡 頂門式剛架，抵抗豎向荷載作用的蒙皮效應(yīng)取決于屋面坡度，坡度越大蒙皮效應(yīng)越顯著；而抵抗水平荷載作用的蒙皮效應(yīng)則隨著坡度的減小而增加，見圖 23 所示。 屋脊檁條屋檐檁條剛架梁屋面板 圖 24 蒙皮單元 蒙皮效應(yīng)的主要性能指標(biāo)是強(qiáng)度和剛度。板與檁條之間的連接在平行于檁條方向的破壞屬于脆性破壞，其他破壞都屬于延性破壞。 由于蒙皮效應(yīng)，實(shí)際輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，壓型鋼板在宏觀上參與了受力，為剛架構(gòu)件分擔(dān)了一部分外荷載，同時(shí)在有良好連接的情況下為這些構(gòu)件提供了很好的側(cè)向約束和扭轉(zhuǎn)約束，改善了結(jié)構(gòu)的受力條件。然而，必須注意的是，設(shè)計(jì)中無論我們是否考慮蒙皮效應(yīng)，蒙皮效應(yīng)客觀上都是存在的。 三、一階彈性理論和二階彈性理論 輕鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的計(jì)算采用一階彈性理論，即線性的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。荷載效應(yīng)的組合結(jié)果 是指：首先進(jìn)行各單個(gè)荷載工況下的內(nèi)力和位移效應(yīng)分析，然后進(jìn)行效應(yīng)組合疊加所得的結(jié)果；荷載組合后的效應(yīng)分析結(jié)果是指：首先進(jìn)行荷載的組合疊加，然后進(jìn)行各組合荷載下的內(nèi)力和位移效應(yīng)分析結(jié)果。 事實(shí)上，一階彈性理論是近似的。如果結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)較大而不可忽略，必須采用二階彈性 理論分析其內(nèi)力和位移，相應(yīng)的這類結(jié)構(gòu)也被稱為非線性彈性結(jié)構(gòu)。 一階彈性理論適用于線彈性結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力和位移計(jì)算值可以取荷載效應(yīng)組合值或 荷載組合下的效應(yīng)計(jì)算值；二階彈性理論適用于非線性彈性結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力和位移計(jì)算值必須取荷載組合下的效應(yīng)計(jì)算值。由冷彎薄壁構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)的分析應(yīng)采用薄壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)力學(xué)。薄壁構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)有自由扭轉(zhuǎn)和約束扭轉(zhuǎn)兩類。 由式（ 24）可見，彎曲剪應(yīng)力 在截面上的分布規(guī)律僅取決于截面的面積矩，而面積矩是由截面 的幾何形狀決定的，所以全截面剪力流合力作用線也就只和截面的幾何有關(guān)。 圖 26 平行于截面主軸的外力與截面彎曲剪力流平衡 當(dāng)荷載不通過剪心軸時(shí)，荷載可以分解為過剪心的力和扭矩，相應(yīng)的構(gòu)件的分析也可以分解為過剪心的荷載作用下構(gòu)件的彎曲和扭矩作用下構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)，如圖 27 所示。構(gòu)件的自由扭轉(zhuǎn)引起的扭矩與構(gòu)件厚度的立方成正比。圖 a 為薄壁構(gòu)件橫截面；圖 b 表示一般扇性坐標(biāo)的定義，取剪心 B 為極點(diǎn)，截面中線任意點(diǎn) n1 為起點(diǎn)，以所考慮的截面中線上的點(diǎn)為計(jì)算點(diǎn)，以極點(diǎn)與起始點(diǎn)、計(jì)算點(diǎn)連線和截面中線圍成面積的 2倍，并規(guī)定以 nBn ??1 順時(shí)針為正。其中翹曲剪應(yīng)力分布與扇性面積矩圖形相同，而翹曲正應(yīng)力的分布同主扇性坐標(biāo)。圖 29 的左圖中力 F 相距 d，構(gòu)成力矩 F d，其相對(duì) C 點(diǎn)為力矩的力矩；右圖中表示扇性法向應(yīng)力對(duì)剪心 B 的雙力矩。平面剛架的整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)可分為平面內(nèi)整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)和平面外整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。 圖 211 理想邊界單根構(gòu)件的整體穩(wěn)定 基本構(gòu)件穩(wěn)定設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則有三個(gè)。以具有初始缺陷的實(shí)際構(gòu)件的極限承載力作為構(gòu)件失穩(wěn)的準(zhǔn)則，適用于軸心受壓構(gòu)件和壓彎構(gòu)件平面內(nèi)的 穩(wěn)定設(shè)計(jì)。 （ 2）受彎構(gòu)件 對(duì)于受彎構(gòu)件梁，平面內(nèi)是強(qiáng)度問題，平面 外是第一類穩(wěn)定問題。 （ 3）壓彎構(gòu)件 對(duì)于壓彎構(gòu)件平面內(nèi)的穩(wěn)定，現(xiàn)行規(guī)范首先基于截面邊緣屈服的準(zhǔn)則推導(dǎo)出帶初始缺陷的構(gòu)件內(nèi)二階彎矩的表達(dá)式及截面最大應(yīng)力。39。 （ 3）雙向壓彎構(gòu)件 對(duì)于雙向壓彎構(gòu)件，現(xiàn)形規(guī)范采用近似和偏于安全的線性相關(guān)公式給出構(gòu)件繞兩個(gè)主軸的穩(wěn)定驗(yàn)算公式，如下所示： ( ),( 1 / )1/yxx x x x c r x bx yy xy by xy y y c r yMMN fA W N N WM MN fAWW N Nf g a fffga+ + ?+ + ? （ 217） 3．輕型鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)的基本理論 輕型鋼結(jié)構(gòu)剛架的穩(wěn)定設(shè)計(jì)包括平面內(nèi)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)和平面外的穩(wěn)定驗(yàn)算。雖然現(xiàn)在各種商用軟件包都可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件和體系的二階彈塑性分析，但是現(xiàn)行規(guī)范還是采用近似公式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。 （ 1）彎矩不均勻系數(shù) 彎矩不均勻系數(shù) mb 反映了彎矩沿構(gòu)件長(zhǎng)度的分布飽滿程度。如果橫向荷載作用于梁上翼緣，一旦梁彎扭屈曲變形，荷載的二階效應(yīng)對(duì)于彎扭變形而言會(huì)施加一個(gè)正向作用；而如果荷載作用于下翼緣，其二階效 應(yīng)對(duì)彎扭變形是一個(gè)反向的作用。實(shí)際構(gòu)件和理想構(gòu)件的等效原則是兩者屈曲臨界力相等，根據(jù)這一等效原則可以得到實(shí)際構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度。而長(zhǎng)度為 0L 的理想構(gòu)件的屈曲臨界力為220EILp。雖然現(xiàn)有商用軟件包可以容易地確定各類結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的臨界力，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中還是采用簡(jiǎn)化的近似公式或圖表來確定構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度。輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件平面外的計(jì)算長(zhǎng)度為其側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離，其依據(jù)主要因?yàn)橹吸c(diǎn)處一般為平面外失穩(wěn)波形的反彎點(diǎn)。 柱梁墻檁 柱受壓區(qū)梁檁條受壓區(qū)受壓區(qū)受壓區(qū) 圖 215 剛架梁柱單側(cè)翼緣檁條連接處不能作為構(gòu)件側(cè)向支撐 但是，如果檁條與構(gòu)件連接處設(shè)置了隅撐（如圖 216 所示），這樣的連接能否有效阻止構(gòu)件兩側(cè)翼緣的側(cè)向位移從而作為構(gòu)件的側(cè)向支撐點(diǎn)呢？如果是全敞開結(jié)構(gòu)，隅撐連接處可以有效阻止構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)變形從而阻止構(gòu)件的彎扭屈曲變形，但是卻不能阻止構(gòu)件平面外的平行性彎曲變形。典型的工字形截面的局部失穩(wěn)波形和屈曲應(yīng)力見圖 217 所示。這一方法將導(dǎo)致降低截面強(qiáng)度和構(gòu)件的整體穩(wěn)定承載力； （ 3）設(shè)置加勁肋。 加勁板件的屈曲后強(qiáng)度來源于板件的薄膜效應(yīng)。有效寬度的概念就是假設(shè)中間板帶