門式剛架最大承受荷載的計算分析

身份證號：642102198211111217 寧夏省青銅峽市 751600

摘要：門式剛架是一種較為成熟的結(jié)構(gòu)體系。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)具有受力簡單、傳力路徑明確、構(gòu)件制作快鍵、便于工廠化加工、施工周期短等特點。因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)及文化娛樂公共設(shè)施等工業(yè)與民用建筑中。普通門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論、計算方法、節(jié)點制作在傳統(tǒng)設(shè)計中均有章可依。然而，關(guān)于門式剛架的最大承載計算較少。

關(guān)鍵詞：門式剛架；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；最大荷載

1 輕型鋼結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

建筑工程中通常將按建筑面積平攤后，每平方米用鋼量小于40公斤的鋼結(jié)構(gòu)房屋稱為輕型鋼結(jié)構(gòu)。輕型鋼結(jié)構(gòu)的層數(shù)一般為單層或二層，屋面、墻面通常采用輕質(zhì)材料，其荷載較輕。這種結(jié)構(gòu)外形簡潔、美觀、節(jié)省鋼材、安裝方便、施工速度快、造價相對較低，并可形成系列化和裝配化，能像其它商品一樣，進(jìn)行批量生產(chǎn)，是目前最具有競爭力的結(jié)構(gòu)形式之一。

由于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)具有許多其他結(jié)構(gòu)所不具備的優(yōu)點，而且經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，因此這種結(jié)構(gòu)形式在國外一經(jīng)推出就得到了廣泛應(yīng)用。國外輕型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展較早，由于汽車工業(yè)的發(fā)展，最初用于建造私人汽車庫等簡易房屋。二次世界大戰(zhàn)時期，由于戰(zhàn)爭的需要，一些拆裝方便的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑用于營房和庫房。60年代以來，國外建筑鋼材的發(fā)展有了很大突破，色彩豐富而耐久的彩色壓型鋼板的出現(xiàn)，以及H型鋼和冷彎型鋼的問世，極大地推動了輕型鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，至今已形成為一種特殊的商品。業(yè)主不是帶著圖紙委托加工，而是向承包商定購某種輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋，承包商在短時間內(nèi)按業(yè)主要求按質(zhì)建成，并交付使用。這種高質(zhì)量的快速供貨方式，使業(yè)主感到十分滿意，輕鋼結(jié)構(gòu)得以迅速發(fā)展。目前，歐美各國由輕鋼結(jié)構(gòu)體系建造的非居住單層建筑物占50%以上，日本新建的1—4層建筑大多采用輕鋼結(jié)構(gòu)。許多國家如英、美、日、澳等國家己作為一種經(jīng)濟(jì)快捷的建筑結(jié)構(gòu)體系，以商品的形式出售。

近幾年以來，隨著我國鋼材產(chǎn)量的增加和焊接H型鋼的出現(xiàn)，我國輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速。特別是隨著門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程6C（Ecs102：98）的頒布實施，對推動我國門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展起了顯著作用。這種房屋結(jié)構(gòu)形式重量輕、用鋼省、造價低，在7度及以下地區(qū)不需考慮抗震，形式美觀具有現(xiàn)代感，用途廣泛，制作簡單，施工周期短，深受制作、施工企業(yè)和廣大用戶歡迎。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計顯示到2005年我國已建成的此類結(jié)構(gòu)已達(dá)2000多萬平方米，而且以每年200多萬平方米以上的速度增加。目前，這種結(jié)構(gòu)已成為鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)甚至整個建筑業(yè)中發(fā)展最快的一種結(jié)構(gòu)類型，己在很大程度上取代了傳統(tǒng)的混凝土工業(yè)廠房，取得了重大的經(jīng)濟(jì)效益。但是，由于我國在該方面起步較晚，正式的設(shè)計規(guī)范門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，直到1998年才出版。在此之前，都是參照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范6G（BJ17一88）和冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程6G（BJ18一87）以及國外相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，直到2002年，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的修訂版C（ECS102：2002）才頒布。因此，無論在設(shè)計水平、設(shè)計經(jīng)驗和合理設(shè)計等方面都與西方發(fā)達(dá)國家相比有著較大的差距。近年來，我國的學(xué)者對門式剛架的設(shè)計進(jìn)行了不少的探索和研究，取得了不小的成果，并開發(fā)出了相應(yīng)的實用設(shè)計軟件，如門式剛架輕型房屋設(shè)計系統(tǒng)、剛架輕型房屋設(shè)計系統(tǒng)PS2000、PKPM及同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的3DS3等軟件均可對門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。但按我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，在采用國產(chǎn)材料，設(shè)計同樣的門式剛架廠房，我們的造價要比國外的高20%左右。由于設(shè)計規(guī)范與國外不盡相同，使得我們設(shè)計時又不能照搬國外的設(shè)計軟件。因此，盡快研究出符合我國的門式剛架截面優(yōu)化設(shè)計方法，降低我國門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)成本就顯得格外有意義。

2門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展應(yīng)用前景

一種結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展應(yīng)用和前景除與結(jié)構(gòu)自身的特點有直接聯(lián)系外，還受建材工業(yè)、制造、安裝及施工水平的影響，同時，也受國家或地區(qū)的產(chǎn)業(yè)政策和科技發(fā)展水平的制約。

門式剛架建筑作為一種輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，主要重構(gòu)件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般均采用鋼材制造。因此，鋼材的產(chǎn)量和加工水平，尤其是建筑鋼材對門式剛架的應(yīng)用起決定性作用。我國的鋼鐵工業(yè)在改革開放后取得了迅猛發(fā)展。但目前我國用于建造鋼結(jié)構(gòu)房屋的鋼材所占的比例仍很小，與發(fā)達(dá)國家相比存在較大的差距。因此，我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鋼鐵結(jié)構(gòu)的發(fā)展將進(jìn)一步擴(kuò)大，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中的一支奇葩，未來將得到長足發(fā)展。

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)一方面要求能滿足承載要求，在外荷載作用下保證結(jié)構(gòu)安全、可靠，具有足夠的耐久性；另一方面，又必須提供人類生產(chǎn)生活的舒適環(huán)境。眾所周知，鋼材具有耐腐蝕性差、熱膨脹系數(shù)大和耐火性差等不利因素。我國幅員遼闊，地區(qū)氣候差異較大，有的地區(qū)日溫差也較大，或濕度較大，因此，要使門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用必須克服上述不利條件。解決途徑主要包括：加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性研究，并開發(fā)出經(jīng)濟(jì)、實用且在結(jié)構(gòu)表面涂刷后美觀的防腐材料；對外墻和屋面圍護(hù)材料的研究，實用的圍護(hù)材料應(yīng)具有良好的保溫、隔熱性能，同時應(yīng)厚度小、重量輕，從目前情況來看，在我國墻面與屋面保溫隔熱材料也是制約輕型建筑發(fā)展的重要因素。

在選擇結(jié)構(gòu)形式時，經(jīng)濟(jì)性是一重要指標(biāo)。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)由于重量輕，單位面積耗鋼量小，工程造價與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本持平。由于門式剛架使用工廠化進(jìn)行構(gòu)件加工，制造可達(dá)到自動化水平，我國現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)如雨后春筍，各地紛紛建廠，但制作和安裝水平良莠不齊，在一定程度上使構(gòu)件的加工和施工費用有所提高，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性沒有得到充分的發(fā)揮。因此，提高結(jié)構(gòu)的加工和安裝水平，對于提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用具有重要的意義。

3 工程概況

大部分門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計是在荷載情況、抗震等級、防火強(qiáng)度已知等條件下設(shè)計出一種滿足人們某種需求的剛架。本畢業(yè)設(shè)計是門式剛架設(shè)計的反算，即已知一種類型的門式鋼架，其承受一定的恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載以及自重等，在滿足鋼結(jié)構(gòu)的各種穩(wěn)定條件的前提下，進(jìn)行受力和穩(wěn)定校核，求其所能承受的最大荷載。

3.1 材料選用

3.1.1 鋼材

梁、柱構(gòu)件均選用Q235B鋼材，則： N/mm2，N/mm2。其力學(xué)性能和化學(xué)成分應(yīng)符合《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 700）并應(yīng)有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度以及硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足碳含量的合格保證。

3.2.2 焊接材料

手工焊接時，若主體金屬為Q235鋼，采用43XX型焊條，其性能應(yīng)符合《碳鋼焊接》（GB/T 5117）的規(guī)定。自動焊或辦自動焊所采用的焊絲和焊劑，應(yīng)與主體金屬力學(xué)性能相適應(yīng)，并應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4 橫梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定分析

4.1 構(gòu)件寬厚比的驗算

1 翼緣部分

為了能保證梁和柱等主要構(gòu)件的局部穩(wěn)定性，截面構(gòu)件受壓翼緣板的自由外伸寬度b與其厚度t應(yīng)該滿足：

（3-1）

式中： 為鋼材的屈服強(qiáng)度

2 腹板部分：

截面構(gòu)件腹板的計算高度與其計算厚度之比因滿足：

（3-2）

對工字型截面構(gòu)件腹板受彎及受壓板要利用其屈服后強(qiáng)度時，應(yīng)按照有效寬度計算截面特性，有關(guān)計算方法參見《規(guī)程》。

4.2 抗剪驗算

工字形截面構(gòu)件腹板的受剪板幅，當(dāng)腹板高度變化不超過60mm/m時可以考慮屈服后強(qiáng)度，其抗剪承載力設(shè)計值按下列公式計算：

（3-3）

當(dāng)時， （3-4）

當(dāng)時， （3-5）