简单门式刚架（一）

发布于：2024-03-19 17:24:19 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

一.STS快速建模计算

1.编号

二维计算构件截面时，通过受荷面积及构件布置对刚架进行分类，一般设计图中分为边榀、内部榀、中间榀等三类分别计算。边榀要做山墙墙架系统，单独设为一类；当中间榀有防火板等设置将厂房分成两间，此时中间榀荷载较大，故设为一类；内部榀受荷基本一样，设为一类，在深化设计时，需要表达局部细节，例如有些榀上部设置屋架水平支撑等，需要额外编号加个字母，例如“GJ2a、GJ2b”

2.STS参数设置

①跨度：跨度取刚架柱小头中心距，由于刚架柱截面尺寸还不确定，先按柱外边算起，相当于多输入了一个柱宽，输入的跨度偏大，设计偏安全，后面再回来调整重新计算。

②分段比：变截面及加腋的分段，例如1 2 1，表示分3份，中间为1/2，两端1/4

变截面，可以节省钢材，跨度≤15m，可不变截面；15~20m，变1次；20~30m，变2次；30m以上，变3次；计算方法见【门刚附录A】

加腋长度：与柱相连的部位

③荷载(这里随便输入，后面要重新调整)

(1)屋面恒载：一般为0.2~0.3kN/m²看建筑面层做法，并加入屋面檩条、支撑等自重(约为0.1kN/m²)。恒载不要输入过大，对于门式刚架，一般屋面风吸力影响较大(低矮型房屋)，恒载越大相当于抵消了风吸力。

(2)屋面活载：【门刚4.1.3】规定水平投影面积＞60m²，活载不小于0.3 kN/m²，故对于活载可以取保守一点，取0.5 kN/m²

(3)雪荷载：【门刚4.5.1】规定屋面活载和雪荷载取大值，再与积灰荷载、风荷载组合。【门刚4.3.1】屋面雪荷载取100年重现期，另外对于雪荷载还要考虑不利布置【门刚4.3.5】。

对于不利布置，STS可以采用互斥荷载，加上屋面活荷载总共有6种。

④风荷载：当跨度L/檐口高度H≥4，则说明是低矮型房屋，按【门刚】取值，否则按【荷规】。对于基本风压，【荷规8.1.1条文说明】中建议自重较轻的钢木主体结构基本风压应适当提高，故可按100年重现期，对于墙梁檩条等围护结构，仍可取50年重现期。

⑤柱底标高：从室外地坪算起。

⑥受荷宽度：中间榀为柱距，边榀为一半柱距。

⑦风压调整系数：【门刚4.2.1】取1.1，这里1.5为构件层面，考虑阵风影响。

⑧刚架位置：有中间区和端区，这个为迎风面体型系数。

⑨风荷载体型系数

(1)封闭形式

(2)刚架位置、迎风宽度

【门刚4.2.2】给出了端区和中间区的分界线(计算a值)，对于一些刚好处于端区和中间区的刚架，可以按受荷宽度加权平均计算(比较麻烦)，也可以按换算宽度，例如迎风宽度为7.3m，端区长6.3m体型系数0.43，中间区1m体型0.22，则将中间区长换算成端区长，1m*0.22/0.43=0.51m，最终按迎风宽度6.8m，迎风面体型系数0.43输入。

也可以直接按不利的计算，直接都去端区的体型系数。

(3)单方向工况数：输入2，考虑鼓风效应和吸风效应取不利，也是【门刚表4.2.2-1中的+i和-i】

鼓风效应(+i，内压为压力)：一个房屋，迎风面窗户开，背风面窗户关，风进入房屋后出不去，就像一个气球，会对房屋内表面一个压力，向外顶，故屋顶会受一个向上的力，原本迎风面对房屋的压力也有所削弱。

吸风效应(-i，内压为吸力)：一个房屋，迎风面窗户关，背风面窗户开，风从屋顶掠过，也带走了房屋内的风，房屋内的风往背风面流出，相当于对着房屋的吸气，会对房屋内表面一个吸力，往内拉，屋顶会受一个向下的力，迎风面的压力会增大。

⑩其他荷载

墙面荷载，就是墙架系统的自重，这一部分荷载以节点荷载集中力添加到刚架柱上。

例：墙体至檐高为10m，柱距7.2m，墙架系统面荷载估约为0.25kN/m²，10*7.2*0.25=18kN

3.构件截面尺寸

①模数

腹板可以考虑屈曲后强度的利用，所以腹板厚度可以做薄一点，不宜选太厚，翼缘采用边缘屈服准则，即不能发生塑性变形，故厚度要厚一些。

②截面高宽比

刚架梁一般取5左右，梁端会比较高，往跨中走，梁高缩减。

③楔率：大头到小头(腹板高度)变化的斜率

在老规范【CECS_102-2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程6.1.1】中，有规定楔率不超过60mm/m，不过已经废除了，现在新规范【门刚7.1.1-5】中不限制楔率的要求，改为对腹板抗剪强度的折减系数，楔率越大，折减越多。

④截面尺寸粗估

柱子做刚接时，要做等截面。

变截面柱：一般对柱截面大头高度取跨度的1/35，小头高度=大头高度-60*柱高，宽度取大头高度的1/5。例如跨度44m，柱高11m，大头高度44/35=1.3m，小头高度1.3-0.6*11=0.6m，宽度1.3/5=260mm。

确定柱尺寸后，在端部弯矩相等情况下，宜使得梁大头截面与柱截面相同。变截面梁通过端板连接，就是每段梁端带一个板(全截面焊接)，通过螺栓将两块板连接起来，变截面处梁高度要一样，宽度可不一样，因为刚架承担平面内荷载，截面高度与刚架平面内刚度联系密切，而宽度则与平面外刚度关系密切，而平面外荷载主要由支撑结构承担，这也是为什么构件截面高宽比能取到5，甚至端部6.5的原因。

4.约束信息：摇摆柱两端铰接，刚架柱上部刚接下部铰接

5.计算长度

①刚架梁：【门刚7.1.6】：刚架梁平面外计算长度取侧向支撑点距离，当斜梁两翼缘侧向支撑点间的距离不等时(被系杆和支撑分为跨度不同时)，应取最大的侧向支撑点距离，因为稳定具有整体性。

计算方法：刚架梁在STS中可取三种：

(1)按支撑计算：适用于边榀，只设置了水平支撑，不能设置隅撑

(2)按隅撑作为支撑点计算：非水平支撑下的刚架，只能考虑隅撑和檩条的弹性支撑作用，隅撑能约束扭转变形，檩条刚度低。

(3)取支撑与隅撑计算的较小值：内部跨的水平支撑下的刚架，取最有利；如果内部设置柔性系杆，也可以取最有利

②对于刚架柱，【门刚附录A】：平面内计算长度的计算为欧拉公式并考虑刚架梁对刚架柱的约束作用(二者线刚度)，约束越强，计算长度越小。故增大柱截面会提高刚架柱的刚度，相当于降低了刚架梁对刚架柱的约束，有可能会使得计算长度更大，要综合考虑。摇摆柱上部为铰接则不受刚架梁约束的影响。

平面外刚架柱不考虑檩条和隅撑的作用，檩条和隅撑都只能作为刚架梁的弹性支点，对于轴压力比梁大得多的刚架柱来说，檩条和隅撑的作用就更弱了，可能连弹性支点都达不到，故不考虑。当柱高较高时，可设置刚性系杆以减小平面外计算长度，当刚性系杆两侧柱计算长度不同时，取计算长度较大的作为柱的计算长度，因为这个柱是整体受力的，不是各不相干的两段柱，例如10m柱分为7m和3m，计算长度均刷为7m。

对于端部刚架的刚架柱有时候比较难调，可以采用墙架体系：刚架柱也做成摇摆柱，所有柱子都是摇摆柱，柱子只承担竖向力，对于端部刚架柱为双向受弯构件，要同时验算两个方向的风荷载。在刚架中部做竖向支撑，水平力由竖向支撑承担。墙架体系是最省的。

6.隅撑设置

隅撑和檩条的截面越大，对刚架梁的稳定越有利，隅撑一般取L50*5。【门刚7.1.6-7】根据所配置的隅撑，计算出临界弯矩Mcr，临界弯矩是抗力，计算后得到类似应力比的参数M/Mcr。

①檩条到梁上皮距离：这个主要考虑施工，方便檩条安装。

②隅撑孔距檩条下边缘距离：一般将隅撑孔设置在檩条中间，可取檩条高度的一半。隅撑要承受Af/2的轴力，传至檩条后要分解，将孔设置在中间会使得分解的水平力与檩条形心线重合，不会引起附加偏心弯矩。并且分解的水平力轴心作用于檩条上，要满足檩条的能承受的最大轴心力设计值。

③隅撑布置间距：隅撑与檩条搭配使用，如果檩条间距为1.5m，隅撑3m，相当于隔一设一。

二.STS参数设置

1.结构类型参数

①程序自动确定容许长细比：【门刚3.3.1、3.3.2】

②钢梁还要按压弯构件验算平面内稳定性：勾上，软件会按【门刚7.1.4】计算，而【门刚7.1.6-1】表明实腹式刚架斜梁在平面内可按压弯构件计算强度，无需计算稳定性，【冷规10.1.1条文说明】规定屋面坡度大于1:2.5(0.4，相当于21.8°)，才需验算平面内稳定。一般门式钢架坡度为0.1,5.7°左右，所以一般能满足。勾上吧，随便他去算。

③摇摆柱设计内力放大系数：一般输入1.5。假定摇摆柱是轴压构件，但由于实际做法摇摆柱上端还是有点刚性，会有弯矩，故实际上为压弯构件，在稳定验算上偏不安全，故在强度和稳定性设计时，将柱的轴力设计值乘以放大系数进行计算。抗风柱也同样设置。

2.总信息参数

①净截面和毛截面的比值：可取0.9、0.95。这个是考虑截面削弱，门式刚架用端板连接，削弱比螺栓少。

②钢柱计算长度系数确定方法：对于单层厂房不勾选，多层厂房可勾选，软件会按【门刚附录A.0.8】考虑各柱相互支援作用。

3.地震计算参数

①地震作用计算：【门刚4.4.2】

②抗震等级：抗震等级的设置是提高结构的延性，对于纯用端板连接的门式钢架，端板连接延性很好，故抗震等级取四级就行。【门刚6.2.7】说明了无需进行强柱弱梁、强节点弱构件等计算。

③阻尼比：【门刚6.2.1】阻尼比与风荷载分组一样。

④周期折减系数：取1，基本没有填充墙。

⑤地震作用效应放大系数：【抗规5.2.3】规定，边榀可放大1.15，中部榀取1不放大。

⑥腹板受剪屈曲后，加劲肋才会起作用，剪力没有引起腹板的屈曲就可以不设，预先计算一次再回来确定是否设置。

三.计算结果与调整

0.校核刚架柱计算长度：可以用Excel表格编写程序校核STS的刚架柱计算长度是否准确。

1.结果查看

2.截面调整：承载力利用率在0.8左右，不超过0.9

要把这三项(强度、平面内稳定、平面外稳定)调的差不多，才能充分利用材料。通过惯性矩I=bh³/12，可以知道，平面外不满足加宽，平面内不满足加高

3.通过对比，内部布置满布柔性系杆比较省≥加大梁柱截面。

四.端板连接

1.端板设置

【门刚10.2.7】门式刚架的梁与梁，梁与柱都是采用端板连接，主要包括以下计算内容：

①端板形式【门刚10.2.3】

(1)外伸式：端板超过构件截面，一般两翼缘内外都布置螺栓，恒活和风荷载，刚架梁弯矩会反号，所以不能只布置一侧翼缘。

(2)平齐式：只适用于刚架梁内力较小处(弯矩)的梁与梁连接，只用构件范围内的螺栓就够了，没必要往外延伸增加螺栓，一般就是屋脊跨中过去一点的梁与梁连接，看刚架梁弯矩包络图。

②端板位置

通过高强螺栓连接，将两端板连接在一次，端板的位置有以下方式.斜放时，螺栓力臂较大，抗弯能力最好，端部不外延也能满足要求，当然也费钢材。竖放和横放，分别在竖向和水平荷载下，螺栓群有可能受剪控制，在受弯上没什么区别。可以看计算书来确定剪力是哪一个方向较大，反着方向设置端板。一般来说还是竖向荷载起控制作用，竖放较为不利。外延处要设置加劲肋，为了保证连接刚度，柱腹板应在对应梁翼缘处设置加劲肋(加劲肋的截面面积宜与梁翼缘面积相等)。

2.螺栓设计

①螺栓布置：刚架梁宽一般较小，只能放2列螺栓。另外要满足【门刚10.2.4】的螺栓构造。

②螺栓类型：【门刚10.2.2】，一般都采用摩擦型高强螺栓，注意：不能使用普通螺栓。门式钢筋的设计理念是高承载力低延性，本身端部连接的延性好，只能用高强螺栓才会出现端板的屈服线，延性才好(另外端板厚度是根据端板屈服线发挥的承载力确定的)

③计算

螺栓计算公式为：【门刚10.2.7-1】

端板连接属于刚接，能够传递M/V/N，拔力(受拉)由螺栓承担，受压没说怎么计算(忽略)，总的来说，轴力较小，在总的应力水平占比不超过5%，另外就是螺栓群抗剪、螺栓受拉(弯矩)，承载力控制的方式来确定摩擦面的抗滑移系数μ，可按【门刚3.2.6-1】，对于门刚一般都是抗拉(弯矩)控制，μ=0.15通常能满足要求。

现在对于螺栓抗拉(弯矩)的计算方法有两种：中和轴在端板形心、中和轴在受压翼缘中心(更多研究人员和工程实例倾向)，转动中心为受拉翼缘中心。选用第二种时要满足构造要求：端板厚度≥螺栓直径，满足此构造才能保证翼缘内外的4个螺栓的转动中心在翼缘中心(这4个螺栓是抗弯贡献最大的，弯矩反号下则为另一翼缘)。

当一侧最外面的4颗不够抗拉和螺栓间距构造要求，可再加螺栓，先添加受拉侧。为什么不上下翼缘对称布置，负弯矩反号怎么办？反号归反号，但肯定是某一工况起控制作用，以此为准。

在同一工况下，4个螺栓用于抗拉，另一翼缘4个用于抗剪，当一侧多于4个，且拉力未用足，可用于共同抗剪，虽然两侧最外4个螺栓以外的螺栓同时受剪和受拉，【钢标11.4.2-3】有此复合受力的计算公式，实际上，最外4个螺栓以外的螺栓的受拉力是较小的，可兼顾抗剪。

3.端板厚度计算

计算公式：【门刚10.2.7-2】

端板厚度的计算，类似于柱脚底板，计算方法是对端板进行分区，分别计算每个分区的厚度取最大值(板厚不小于16mm和0.8d，使用“中和轴在受压翼缘中心”的计算方法时，还要满足1.0d)

4.节点域剪应力计算

按刚接点计算，软件按理想完全刚接来计算，两根杆件始终保持垂直，没有考虑节点域的剪应力，仅仅是杆件的变形，实际上并不是完全刚接，节点处肯定会有变形，并且相比于箱型和钢管，H型钢节点域刚性比较弱，大概会放大10%的变形，例如算出来是50mm，实际可能为55mm。当满足【门刚10.2.7-3】的计算公式，则可认为实际构件也是接近于理想刚接，此时就可忽略节点变形，不满足时设置加劲肋。