《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102 : 2002(2012 年版)),其简称为规程,是由中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会组织编制的。接下来针对该规程进行介绍。
1. 形式和尺寸
多坡的屋面常用屋面坡度小于 10°。
屋面应当采用压型钢板,而夹心板很少被使用。外墙除了可以使用压型板之外,还能够使用砌体。
3)跨度宜为9~36m(不是限定),国内最大72m;
4)高度一般不超过12 m,不应大于18m;
5)柱距应与跨度匹配,常用6、7.5、9m
6)常用截面尺寸:
单跨:加腋端的高度约为 L/30,其高宽比在 6.5 以内,加腋的长度在(0.15~0.25)L 之间。
跨中高(1/50~1/60)L;工形截面高宽比2~5;
多跨时,中柱加腋端大约在 L/25 处,加腋的长度为(1/45 到 1/55)L 。
单元运输长度≤12m。
7)温度区间:纵向不大于300m,横向不大于150m
横向为门式刚架(含摇摆柱),纵向设柱间支撑
刚架构件腹板宽厚比允许不超过250,常用150左右
8)刚架为变截面构件,单元间采用高强度螺栓端板连接
9)次结构包括檩条、墙梁、面板、墙架等
2. 适用范围
吊车起重量不大于 20t 的属于轻中级(A1~A5)的桥式吊车,或者是 3t 的悬挂式起重机(在有需要且采取可靠技术措施的情况下允许不大于 5t)。
2)不适用于有强烈侵蚀性介质的环境。
多层钢结构房屋的顶层采用了门式刚架以及屋时者。这部分的设计能够参照本规程。同时,需要对其作整体分析,并且要进行抗震计算。
3. 柱顶位移和横梁挠度应依据 GB50017 来确定。
3.调整结构重要性系数
设计使用年限为50年时,重要性系数取1.0;
为25年时,重要性系数取不小于0.95,但宜慎用。
4.结构抗震验算规定
这种房屋自重轻且低矮,国外有报导称其抗震性能相当好。GB50011 规定,对于单层钢结构厂房有相关规定,而“不适用于单层轻型钢结构厂房”。
地震对于单层钢结构厂房的控制情况并不稳定。试验设计表明,当跨高比大于 3.5 时,通常不会受到控制。在地震不控制的情况下门式钢结构,可以按照《门规》来确定宽厚比;而在地震控制时,翼缘和柱的长细比应适当减小,尤其要注意斜梁檐口部位和柱的翼缘宽厚比。本规程并未对不同烈度时的相关要求作出具体规定。
试设计表明,在没有吊车的情况下,横向框架和纵向框架在 7 度时可不进行抗震验算。然而,当有吊车时,以及在无吊车但处于 8 度的情况下,一律都应该进行抗震验算。
4)横向刚架和纵向框架应分别进行抗震计算
抗震计算最好选用底部剪力法;在进行反应谱计算时,将阻尼比设定为 0.05;
6)大跨度结构应按规定考虑竖向地震作用。
当存在局部多于一层且与门式刚架相连接的附属房屋时,需要按照有关规范进行抗震验算。对于重型楼盖,尤其应该重视这一情况。
8)当设计由抗震控制时,应采取相应的抗震构造措施。构件之间最好采用螺栓连接;斜梁下翼缘与刚架柱连接处的腋部最好加强,且承载力要留有余地;在该处附近,翼缘受压区的宽厚比应适当减小;柱间支撑的连接是关键部位,角钢连接时要考虑单面连接以及净截面对承载力的影响,需按高于支撑屈服承载力来进行设计;柱脚锚栓要充分考虑抗剪和抗拔的要求等。
5.调整钢材设计指标
承重结构通常应使用 Q235B 级或级别在 Q345B 级以上的钢材来制作。
受静荷载的次要构件,允许用Q345A。
Q235A 不做冲击韧性试验,Q345A 也不做冲击韧性试验。B 级规定要做常温(20℃)冲击,C 级规定要做 0℃冲击,D 级规定要做-20℃冲击。
Q345 钢材如果厚度在 16mm 以下,那么其强度标准值由 315N/mm² 调整为 310N/mm²。
3)高强度螺栓连接应为摩擦型,承压型很少用。
6.屋面活荷载标准值
荷载面积>60m2 的构件的荷载从 0.3kN/m2 保持不变,其他构件的荷载从 0.3kN/m2 提高到 0.5kN/m2。
两级荷载的必要性。
7.补充檩条风荷载体型系数规定
1)低矮型和非低矮型房屋风荷载的划分和适用条件
2)低矮型房屋风荷载的特点
3)两套荷载不能混用
4)《门规》采用MBMA规定得到荷载规范组支持
5)对檩条受风面积小于10m2风荷载的体型系数作了补充。
当角部檩条的受风面积大于 10 平方米时,其值为-1.4;当角部檩条的受风面积小于 1 平方米时,其值为-2.9。
墙面风载对受风面积不敏感。
基本风压的调整系数从 1.1 变为 1.05。
7)风荷载附录简介
·封闭式房屋
·部分封闭式房屋
·敞开式房屋
8.调整结构刚度指标
刚架柱顶位移限值,在无吊车且采用轻型钢墙板的情况下,从 1/50 改为 1/60;在有桥式吊车且有驾驶室时,从 1/240 改为 1/400;而在有桥式吊车由地面操作时,仍取 1/180。
斜梁竖向挠度表 3.4.2-2 的注 1 存在错误,应当采用 GB50018 中的如下规定:
单跨山形门式刚架中,是“L 系一侧斜梁的坡面长度”,而非构件跨度。并且,因为柱顶位移以及构件挠度而导致的屋面坡度改变值,不能比坡度设计值的 1/3 还要大。
3) 跨度大于30m的斜梁宜起拱。
4) 表3.4.2-2应为刚架柱顶位移(计算值)的限值。
9. 支撑布置要求
圆钢支撑只能用于没有吊车的厂房。其直径需要通过计算来确定。在考虑净截面要求的情况下,圆钢支撑的直径不得小于 10mm。圆钢支撑与构件腹板相连接的地方,当 t 小于等于 5mm 时,应该对腹板进行补强。适宜采用专用的楔形连接件,并且适宜设置花兰螺丝。
2)有5t及以上吊车时,柱间支撑应采用型钢支撑。
当有 15t 及以上的吊车时,需要设置屋盖的纵向支撑,并且要增加吊车梁的侧向刚度。
无吊车时,柱间支撑的间距不大于 30 米且不大于 45 米。并且,柱间支撑应与屋盖横向支撑位于同一开间。
当建筑物宽度大于 60 米时,在内柱适宜适当地设置柱间支撑。并且要在在外柱支撑的相应位置进行设置。如果内柱不能设置交叉支撑,那么就可以改用角撑或者纵向刚架。
当有吊车时,下柱支撑会被设置在温度区间的中部。下柱支撑也会被设置在温度区间的三分点处。而在端部则不设置下柱支撑。
7)保证房屋纵向刚度的措施。
10. 刚架构件计算主要规定
1)弹性设计,不能考虑塑性。
板件的最大宽厚比,其中翼缘的最大宽厚比为 15 除以根号下 235 除以 fy,腹板的最大宽厚比为 250 除以根号下 235 除以 fy。
3)通常改变腹板高度,不改变翼缘。
刚架的稳定可归结为楔形柱的稳定。要注意计算公式的特点,同时还要考虑摇摆柱以及柱脚连接对计算长度所产生的影响。
腹板受弯时的有效宽度需要进行计算;腹板受剪时的屈后强度有相应的计算方法;还需要设置加劲肋。
6)刚架柱的平面外稳定计算。
斜梁在平面内仅需计算强度,而无需计算稳定。平面外的稳定情况可归结为下翼缘的隅撑设置问题。
8)考虑屈后抗剪强度时,变截面构件楔率应小于60mm/m。
无吊车时柱脚为铰接,其下部的最小宽度为 200mm,要注意进行抗剪计算。当有桥吊时,柱脚应采用刚接的方式,并且适宜使用等截面柱。
11. 檩条计算
1)受力特点,风吸力使下翼缘受压,上翼缘为弹性嵌固。
截面包含冷弯 C 形和 Z 形门式钢结构,还有高频电焊 H 型钢;构件有简支这种形式,有搭接连续这种形式,还有悬臂式这种形式。
3)檩条的作用和设置,Z形檩时的设置特点。
简支檩条有几种不同情况的计算方法:其一,搭接板可将面板约束纳入考虑;其二,浮动式面板不考虑面板约束;其三,若有可靠檩间支撑,只需计算强度。
6)附录E的计算特点。
算例勘误:P.113,末行①应为②。
P.115,第1行,公式根号中的“+”应为“-”。
7) 搭接连续柃条的计算建议
·搭接长度达到跨度10%时,可基本满足均匀连续梁模式;
支座处通常具备双柃承载力。由于连接出现松动的情况,所以可以考虑将支座弯矩降低 10%。
·风吸力作用下可仅计算跨中反弯点间的梁段稳定。
悬臂式檩条隔跨布置,在悬臂的端部设置了铰接段。这样一来,弯矩能够比简支的情况减少一半,不过目前仅仅只有计算方面的建议。
12.隅撑计算规定
1)用隅撑代替通长系杆,减小受压翼缘侧向自由长度。
2)仅在斜梁下翼缘和柱内翼缘翼缘受压区布置。
斜梁下翼缘与刚架柱内侧相交的地方是关键点,在这个点的附近,一定要确保设置隅撑。
隅撑应沿柱高适当进行设置。
业主如果不愿意设置隅撑,那么就应当采取能够保证刚架稳定的其他可靠措施,像设置刚性撑杆或者加大截面等。
6)隅撑允许单面设置,但承载力应符合下式要求。
7)隅撑轴力N按下式计算,A为斜梁被支撑翼缘的截面面积。
N=fA/60/cosθ/sqrt(235/fy)
13.柱脚锚栓抗拔抗剪设计
1)存在只重视上部结构,不重视锚栓设计现象。
2)锚栓上拔力计算应计入柱间支撑产生拉力的竖向量。
3)柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。
4)柱肢抗剪键的设置。
5)日本柱脚设计规定
14.工形截面构件T形连接单面焊
1) 补充了单面焊的规定,列入附录。
2) 单面焊的应用条件和适用范围:
·在设备和其它技术条件具备时才能采用。
仅能用于承受静态的荷载,以及间接的动荷载。并且只能用于非露天的结构构件,以及不存在强腐蚀性介质的结构构件。
底板的连接不得采用单面焊;柱与牛腿的连接不得采用单面焊;梁端板的连接不得采用单面焊;吊车梁的连接不得采用单面焊;支承局部悬挂荷载的吊架的连接不得采用单面焊。
单面焊可用于腹板厚度不超过 8mm 的板件。只有经过工艺评定合格后,才可以采用单面焊。
3)业界对单面焊的看法
15.高强度螺栓端板连接的设计规定
端板优点在于安装较为便捷。当超过设计承载力时,它会呈现半刚性连接的状态。不建议使用普通拼接形式来对其进行替代。
2)厚度计算公式简述。
3)端板的三种布置形式。
4)外伸式和齐平式,后者是半刚性连接。
当端板连接仅受轴力和弯矩时,表面可不作专门处理。当端板连接所受剪力小于其实际抗滑移承载力且此时抗滑移系数取 0.3 时,表面也可不作专门处理。
6)端板连接不得采用普通螺栓代替高强度螺栓。
7) 端板厚度应由计算确定, 但不小于16mm。
8)端板连接抗弯计算的中和轴位置。
9)构件与端板的连接焊缝。
计算疲劳的对接焊缝,受拉横向焊缝应为一级;
不要计算疲劳的结构中,对接焊缝受拉不应低于二级。
角焊缝只能达到三级,不能要求一或二级;
要验算疲劳的对接焊缝,只能规定外观质量符合二级。
16.摇摆柱设计
1)在构造上通常采用圆管,也有采用H型钢的。
2)摇摆柱为负刚度,在多跨厂房不宜连续三根以上。
3)不应用于支承托架或托梁。不宜设置牛腿支承吊车。
4)设计轴力应适当增大,考虑端部嵌固引起的次应力。
17.删除结构构件制作的具体规定
参见《门式刚架轻型房屋钢构件》JG144。
18.补充结构工程安装允许偏差
主要以 GB50205 为参考。
19.与施工有关的几个问题
刚架在施工过程中需要及时安装支撑,要严格按照规定的安装顺序来进行。如果有必要,还应当增设临时支撑,并且要用缆风绳将其充分固定,这是一项强制性规定。
柱脚底板下面的每根锚栓,都应设置调整螺母。设置好调整螺母后进行校准,校准完毕再进行二次灌浆。并且在底板上要预留注浆孔。
压型钢板的搭接长度范围,能够依据屋面的坡度以及所使用的胶条情况来进行确定。最好是采用丁基橡胶胶条。面板与檩条相连接以及面板与墙梁相连接时,其最大钉距不能超过 300。因为房屋端部的风吸力比较大,所以屋面板端头搭接处的钉距应该适当地减小。
房屋的檐口部位应设置泛水板,且该泛水板要具有良好密封性能和外观;房屋的角部等部位也应设置包边板,此包边板同样要具备良好密封性能和外观。