论文部分内容阅读
【摘 要】本文简单介绍了钢结构中应用较多的门式刚架轻型钢结构的设计方法及一些设计中需要注意的问题，供设计参考。
【关键词】钢结构；门式刚架；结构设计
随着经济的发展，钢结构在土木工程中的应用日趋广泛。梁、柱节点为刚性连接的门式刚架具有结构简洁、刚度良好、受力合理、使用空间大及施工方便等特点，并便于工厂化、商品化的制品生产，与轻钢维护材料相配套的轻型钢结构框架体系已广泛应用于建筑结构中。下面就门式刚架钢结构厂房设计中常见的一些问题谈一些体会。
1. 钢材选型
（1）为保证承重结构的承载力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性。承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。
（2）一般来说，钢结构的主要受力构件宜采用Q235B及以上等级的碳素结构钢和Q345B及以上等级的低合金高强度结构钢。质量等级为A级的钢材由于不能保证冲击韧性和延性性能，所以不能用于低温环境和动荷载较大的结构。Q235A级钢由于无碳、锰、硅含量保证，所以一般无法保证其可焊性。如果选用Q235A，要附加冷弯试验合格的保证，并且要根据质保书核算碳含量是否满足《建筑钢结构焊接规程》(JGJ81-91)的要求，为可靠起见，板材厚度一般不宜超过16mm。 当焊接钢结构的钢板厚度等于或大于40mm且承受沿板厚度方向的拉力时，为防止层状撕裂，还应保证含硫量和断面收缩率不低于Z15级的要求。
2. 焊接
在现代钢结构中，焊接连接已成为钢结构最基本的连接方法，焊缝质量的好坏直接影响到结构安全。
2.1 钢结构焊接节点应：
（1）便于焊接操作，避免仰焊位置施焊。
（2）采用刚度较小的节点形式，避免焊缝密集和双向、三向相交。
（3）焊缝位置避开高应力区。
2.2 在焊接材料的选择方面，为了经济合理，焊接材料应与构件钢材相匹配，使焊缝金属与母材的力学性能基本一致。说明焊条时无需标明焊条的具体牌号(如E4301、E4315)，其具体牌号是由焊接工艺所决定的，设计者只需根据母材的种类选择与其匹配的相同强度等级的焊条即可。例如手工电弧焊，当焊接Q235钢构件时，应采用E43系列焊条；当焊接Q345钢构件时，应采用E50系列焊条；。当焊接Q390、Q420钢构件时，应采用E55系列焊条。
2.3 当结构钢构件的母材和焊接材料选定以后，就需要确定焊缝的质量等级。在《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)中将焊缝质量等级分为三个等级，如果经过检查，焊缝缺陷不超过所要求的级别的各项规定，则说明焊接过程中的焊接缺陷得到了控制。对于建筑钢结构，焊缝质量要达到一级标准是很困难的。在实际工程中，除了大跨度重级工作制吊车梁的下翼缘对接，以及大跨度钢桥的受拉构件的对接等对质量要求很高的焊缝要求一级焊缝以外，其他场合很少用到一级焊缝。通常，板材的对接焊缝、承受动力荷载构件的较重要的焊缝、需作疲劳验算的焊缝以及须与钢材等强的受拉、受弯对接焊缝(如梁柱及其连接节点的对接焊缝，工字形截面与其端板的对接焊缝)，其焊缝均应采用坡口全熔透对接焊缝，焊缝质量等级为二级。对于角焊缝，除了在要求熔透的情况下(如对于轮压较大的吊车梁的上翼缘和腹板连接的角焊缝)焊缝质量等级要求二级外，其他情况一般是三级。
3. 螺栓
在设计说明中只需给出高强度螺栓的性能等级和连接面的抗滑移系数即可，不必规定是承压型高强度螺栓或摩擦型高强度螺栓。承压型和摩擦型是螺栓连接的两种力学模型，与螺栓种类没有关系。高强度螺栓按性能等级分为8.8级和10.9级。当然，如有必要，可以推荐用大六角头高强度螺栓，或是扭剪型高强度螺栓。目前高强度螺栓的连接多用摩擦型连接，这种连接的优点是连接节点的刚度大。承压型连接的连接节点由于剪力大于摩擦阻力后螺栓将产生滑移，不宜用于震动荷载。
4. 结构设计
4.1 当工业厂房内设有梁式或桥式吊车时，应选用刚接柱脚刚架，此时，刚架柱宜采用不变截面柱或阶形柱。当采用铰接柱脚刚架时，为美观及节约用材，宜采用渐变截面楔形柱。刚架梁截面高度一般可按跨度的1/30～1/40确定。当刚架跨度较 大时，刚架梁也可采用变截面构造。刚架柱截面高度一般可与梁相同采用。对于大跨度的结构，钢梁一般要分为3～4段，并用高强螺栓现场拼接。分段时应使拼接点位于受力较小处，并且每段钢梁长度不宜大于12m以便于运输。梁柱计算时，平面外计算长度与其隅撑的设置有关。隅撑是用来保证钢梁下翼缘或刚架柱内侧翼缘受压稳定的重要措施。隅撑设置的间距越小，梁柱的平面外计算长度就越小，相应的平面外稳定性就越高。所以隅撑的设置间距一定不能大于计算模型中钢架的平面外计算长度，不然将危及结构的安全。
4.2 当山墙抗风柱与刚架梁下翼缘连接时，连接处的梁下翼缘应设置隅撑，用于将抗风柱的荷载传递至屋面系统，并保证刚架梁的平面外稳定。由于门式刚架屋面系统荷载较轻，所以在屋面檩条设计中往往会出现风吸力作用下为控制条件。所以在计算屋面荷载时并不是荷载越大越安全，这一点要引起重视。在用STS计算刚架时，钢梁的应力比在梁端部可以控制在1.0以内，而在跨中应力比应控制在0.7以内。因为门式刚架梁、柱之间的连接不可能是完全刚性的。连接节点会发生一定的塑性变形，从而导致刚架内力重分配(梁端应力降低，梁跨中应力升高)，这和计算模型是有差异的。所以跨中的富裕度要大一些。
5. 蒙皮效应
蒙皮效应是指建筑物的表面覆盖材料(屋面板和墙板)利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。其工作机理是：围护板与檩条以及板与板之间通过不同的紧固件连接起来，形成了檩条为肋的一系列隔板。这种板在平面内具有相当大的刚度，可以用来传递板平面内的剪力，承受板平面内的各种荷载作用。蒙皮效应加强了结构的空间整体性，但不容易量化，所以一般不考虑应力蒙皮效应。
参考文献
［1］ 国家标准. 钢结构设计规范（GB50017－2003）.中国计划出版社，2003.
［2］ 国家标准. 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS 102:2002).中国计划出版社，2003.
［3］ 崔佳，魏明钟等. 钢结构设计规范理解与应用.中国建筑工业出版社，2004.
【关键词】钢结构；门式刚架；结构设计
随着经济的发展，钢结构在土木工程中的应用日趋广泛。梁、柱节点为刚性连接的门式刚架具有结构简洁、刚度良好、受力合理、使用空间大及施工方便等特点，并便于工厂化、商品化的制品生产，与轻钢维护材料相配套的轻型钢结构框架体系已广泛应用于建筑结构中。下面就门式刚架钢结构厂房设计中常见的一些问题谈一些体会。
1. 钢材选型
（1）为保证承重结构的承载力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性。承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。
（2）一般来说，钢结构的主要受力构件宜采用Q235B及以上等级的碳素结构钢和Q345B及以上等级的低合金高强度结构钢。质量等级为A级的钢材由于不能保证冲击韧性和延性性能，所以不能用于低温环境和动荷载较大的结构。Q235A级钢由于无碳、锰、硅含量保证，所以一般无法保证其可焊性。如果选用Q235A，要附加冷弯试验合格的保证，并且要根据质保书核算碳含量是否满足《建筑钢结构焊接规程》(JGJ81-91)的要求，为可靠起见，板材厚度一般不宜超过16mm。 当焊接钢结构的钢板厚度等于或大于40mm且承受沿板厚度方向的拉力时，为防止层状撕裂，还应保证含硫量和断面收缩率不低于Z15级的要求。
2. 焊接
在现代钢结构中，焊接连接已成为钢结构最基本的连接方法，焊缝质量的好坏直接影响到结构安全。
2.1 钢结构焊接节点应：
（1）便于焊接操作，避免仰焊位置施焊。
（2）采用刚度较小的节点形式，避免焊缝密集和双向、三向相交。
（3）焊缝位置避开高应力区。
2.2 在焊接材料的选择方面，为了经济合理，焊接材料应与构件钢材相匹配，使焊缝金属与母材的力学性能基本一致。说明焊条时无需标明焊条的具体牌号(如E4301、E4315)，其具体牌号是由焊接工艺所决定的，设计者只需根据母材的种类选择与其匹配的相同强度等级的焊条即可。例如手工电弧焊，当焊接Q235钢构件时，应采用E43系列焊条；当焊接Q345钢构件时，应采用E50系列焊条；。当焊接Q390、Q420钢构件时，应采用E55系列焊条。
2.3 当结构钢构件的母材和焊接材料选定以后，就需要确定焊缝的质量等级。在《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)中将焊缝质量等级分为三个等级，如果经过检查，焊缝缺陷不超过所要求的级别的各项规定，则说明焊接过程中的焊接缺陷得到了控制。对于建筑钢结构，焊缝质量要达到一级标准是很困难的。在实际工程中，除了大跨度重级工作制吊车梁的下翼缘对接，以及大跨度钢桥的受拉构件的对接等对质量要求很高的焊缝要求一级焊缝以外，其他场合很少用到一级焊缝。通常，板材的对接焊缝、承受动力荷载构件的较重要的焊缝、需作疲劳验算的焊缝以及须与钢材等强的受拉、受弯对接焊缝(如梁柱及其连接节点的对接焊缝，工字形截面与其端板的对接焊缝)，其焊缝均应采用坡口全熔透对接焊缝，焊缝质量等级为二级。对于角焊缝，除了在要求熔透的情况下(如对于轮压较大的吊车梁的上翼缘和腹板连接的角焊缝)焊缝质量等级要求二级外，其他情况一般是三级。
3. 螺栓
在设计说明中只需给出高强度螺栓的性能等级和连接面的抗滑移系数即可，不必规定是承压型高强度螺栓或摩擦型高强度螺栓。承压型和摩擦型是螺栓连接的两种力学模型，与螺栓种类没有关系。高强度螺栓按性能等级分为8.8级和10.9级。当然，如有必要，可以推荐用大六角头高强度螺栓，或是扭剪型高强度螺栓。目前高强度螺栓的连接多用摩擦型连接，这种连接的优点是连接节点的刚度大。承压型连接的连接节点由于剪力大于摩擦阻力后螺栓将产生滑移，不宜用于震动荷载。
4. 结构设计
4.1 当工业厂房内设有梁式或桥式吊车时，应选用刚接柱脚刚架，此时，刚架柱宜采用不变截面柱或阶形柱。当采用铰接柱脚刚架时，为美观及节约用材，宜采用渐变截面楔形柱。刚架梁截面高度一般可按跨度的1/30～1/40确定。当刚架跨度较 大时，刚架梁也可采用变截面构造。刚架柱截面高度一般可与梁相同采用。对于大跨度的结构，钢梁一般要分为3～4段，并用高强螺栓现场拼接。分段时应使拼接点位于受力较小处，并且每段钢梁长度不宜大于12m以便于运输。梁柱计算时，平面外计算长度与其隅撑的设置有关。隅撑是用来保证钢梁下翼缘或刚架柱内侧翼缘受压稳定的重要措施。隅撑设置的间距越小，梁柱的平面外计算长度就越小，相应的平面外稳定性就越高。所以隅撑的设置间距一定不能大于计算模型中钢架的平面外计算长度，不然将危及结构的安全。
4.2 当山墙抗风柱与刚架梁下翼缘连接时，连接处的梁下翼缘应设置隅撑，用于将抗风柱的荷载传递至屋面系统，并保证刚架梁的平面外稳定。由于门式刚架屋面系统荷载较轻，所以在屋面檩条设计中往往会出现风吸力作用下为控制条件。所以在计算屋面荷载时并不是荷载越大越安全，这一点要引起重视。在用STS计算刚架时，钢梁的应力比在梁端部可以控制在1.0以内，而在跨中应力比应控制在0.7以内。因为门式刚架梁、柱之间的连接不可能是完全刚性的。连接节点会发生一定的塑性变形，从而导致刚架内力重分配(梁端应力降低，梁跨中应力升高)，这和计算模型是有差异的。所以跨中的富裕度要大一些。
5. 蒙皮效应
蒙皮效应是指建筑物的表面覆盖材料(屋面板和墙板)利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。其工作机理是：围护板与檩条以及板与板之间通过不同的紧固件连接起来，形成了檩条为肋的一系列隔板。这种板在平面内具有相当大的刚度，可以用来传递板平面内的剪力，承受板平面内的各种荷载作用。蒙皮效应加强了结构的空间整体性，但不容易量化，所以一般不考虑应力蒙皮效应。
参考文献
［1］ 国家标准. 钢结构设计规范（GB50017－2003）.中国计划出版社，2003.
［2］ 国家标准. 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS 102:2002).中国计划出版社，2003.
［3］ 崔佳，魏明钟等. 钢结构设计规范理解与应用.中国建筑工业出版社，2004.