在单跨门式框架使用热轧工字形钢的设计外文翻译资料

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1 简介

据估计，在英国使用的所有钢结构中有50%是单层建筑的基本框架。在这个主要的市场领域，由于它在经济和多用途上的大跨度，门式框架已经成为在斜屋顶建筑中最常见的结构形式。尽管门式框架的使用在英国被一致认可，仍没有出版物定义这种建筑形式是最佳结构。

本出版物中的指导集中在单跨门式框架使用热轧工字形钢的设计上，但一般原则也适用于多跨门式和装配式截面的使用。

在可能的情况下，所提供的指引已与设计师、钢结构承建商及有关楼宇管制的检查人员达成一致。它处理在设计实践中经常发生的服从于一般的指导的问题。首先介绍概念设计或初步设计所需的方面，然后跟进更多细节以及最终设计。次要元素，如檩条、山墙和保护层也被审查。

计算机辅助设计的使用使得手工计算对于常规门式刚架来说几乎是多余的，因此不包括手工分析方法的详细指导。然而，初步设计的表格和图表被提出，并参考其他出版物的人工分析技术。CSC Fastrak程序的输出包含在附录D中，因为该程序被英国的钢铁制造商广泛使用。

如果其他地方有详细的指导，例如在火灾边界条件下的门式框架的设计，则参考已确立的出版物，并对其内容进行简要解释和审查。参照BS 5950-1:2000[1]的相关条款。

BS 5950-1从1990年版修订为2000版，引起了一些影响门式框架设计的技术改变。此外，条款在2000年的版本中重新编号。影响门户框架详细设计的主要变化如下:

• 截面类型

bull; 侧扭屈曲

bull; 用于屈曲检查的等效等力矩系数

bull; 摇摆稳定性

2 门式框架类型

门式刚架一般为低层结构，由柱和水平或斜椽组成，通过抗弯矩连接(图2.1)。框架依赖于连接点的抗弯能力，这些连接点通过适当的跨部或加深椽子部分来加强。这种形式的刚性框架结构在其平面上是稳定的，并提供了一个清晰的跨度，不受支撑的阻碍。

许多类型的结构可以广义地分类为门式刚架。这些在第2.1至2.12节中简要描述，但本出版物的后续章节集中于单跨对称门式刚架的设计。所述的所有框架类型均可设计为一定范围的稳定基础;选择合适的固定点是一个重要的设计决定(见第5和12节)。为了方便基础设计和施工，名义上最常用的是钉扎基础。它可能不会给最经济的基础和结构的整体解决方案，因为即使是适度的基础刚度往往会给框架稳定性的重大提升。

所给出的有关跨度、屋顶坡度等的信息是所示框架的基本类型。虽然每一种建筑形式都有其最佳的应用和跨度，但这并不意味着信息应该限定这些建筑形式的使用。

2.1 斜屋顶门（UBs制作）

单跨对称斜屋顶门式框架(图2.1)通常具有:

bull; 15米至50米的跨度

bull; 屋檐高度在5到10米之间

bull; 屋面坡度在5E至10E之间(一般采用6E)

bull; 5米至8米之间的框架间距(大间距与大跨度门式框架相关联)

bull;在屋檐和顶部的椽子上

图2.1单跨对称门式框架

Eaves:屋檐

Roof pitch:屋面坡度

Apex：顶点

Apex haunch：顶端腋

Eaves haunch：屋檐腋

Rafter：椽

Column：柱

与其他建筑形式相比，门式刚架的经济性能决定了大多数这些特性。在屋檐和顶部使用的腋既减少了所需的椽子深度，又在这些点上实现了有效的力矩连接。

2.2带夹层的门式框架

办公场所通常在使用部分宽度夹层的门式框架结构中提供(图2.2)。

根据SCI文献BS 5950-1:2000 (P292)[2]的《门式刚架平面稳定性》，门式刚架的设计必须能够稳定夹层。

图2.2带有内部夹层的门式框架

Mezzanine:夹层

2.3带有“披屋”的门式框架

将办公室放在门户框架的外部，可能会产生如图2.3所示的非对称门户结构。这种结构的主要优点是大的柱子和腿不会阻碍办公空间。

办公室结构是一个真正的“披屋”，它依赖于门的稳定性。因此，门式刚架的设计必须能够稳定办公室结构，正如第292页所示的门式刚架能够稳定夹层一样。

图2.3带外部夹层的门式框架

2.4带柱托架的起重机门式框架

如需要一台容量较低(约20吨)的移动起重机，则可在柱子上安装托架，以支撑起重机的扶手(图2.4)。为了减少屋檐的挠度，可能需要使用拉杆构件或名义上的刚性柱基础。

机架在起重机轨道水平上的伸展对起重机的功能可能是至关重要的。建议与客户和起重机制造商核对要求。

可以通过以下几种方法来减少伸展:

bull;选择柱和椽子较硬的构件。

bull;减小屋顶的坡度

bull;在屋檐的水平引入拉杆(如果这些不会与起重机冲突)。

bull;使用名义上的刚性柱基础。

图2.4带有柱支架的起重机门式框架

Column bracket 柱托板

2.5单节距门式框架

一种单节距门式框架。如图2.5所示，通常由于跨度小或靠近其他建筑物而选择。这是一个简单的变化坡屋顶门式框架，并倾向于用于较小的建筑物(高达15米跨度)。

图2.5单节距门式框架

2.6支撑门式框架

门户框架的跨度非常大(大于30米),没有需要提供一个清晰的跨度,支撑门式框架(图2.6)可以减少椽规模和基础的水平推力,节省钢和基础的经济成本。

这种类型的框架有时被称为“单跨支撑门式框架”，但它是一种两跨门式框架的结构行为。

Clear internal height：清晰的内部高度

Possible location of out-of-plane restraint Prop：平面外约束支撑的可能位置

图2.6支撑门式框架

在设计这些结构时，应注意以下几点:

bull;当支柱设计为轴向加载销端构件时，两端的连接应详细说明以实现这一假设。但是，销端道具会降低框架的稳定性，在安装过程中会造成困难，所以不推荐使用这种道具。

bull;为了减少水平荷载引起的挠度和提高框架稳定性，可以将支柱设计为在底部和/或顶部具有刚性连接的柱。柱的尺寸可能需要增加相对于销端支柱，以抵抗由连接刚度引起的力矩。

bull;在中央支柱的两侧使用腋可以减少椽子部分，因为腋可以更好地抵抗在支柱上的大拱力矩。但是，减小椽的尺寸会降低框架的面内稳定性。

bull;根据建筑物的用途，可以在清晰的内部高度水平上对支柱提供平面外约束。这种约束应该在建筑物内的某一点被绑回垂直支撑中。

bull;支柱的设计是为了抵抗与顶腰相连的力矩，屋檐的腰可以做得更小，从而增加建筑的可用内部高度。

bull;如果在火灾的边界条件下使用支撑架(见第15节)，支撑架应该是防火的，以避免在火灾极限状态下必须考虑框架作为一个明确的单跨进行设计。

2.7固定门框

在栓系门式框架中(图2.7)，屋檐的水平移动和柱中的弯矩减少。当起重机被设计成跨系水平以下的结构时，这可能是有用的。缺点是可用的净空也减少了。当坡面小于15°时，梁和梁之间会产生非常大的力。这些大的力降低了框架的稳定性，因此设计和分析应特别谨慎进行。

图2.7系紧门框

Hangers may be required on long spans：在较长的跨度上可能需要悬臂

屋檐上的搭接比较贵。这种连接必须具有足够的刚度和自由运动，以防止设计计算中产生不包括的挠度。

对于常规系结式门式刚架，建议系结的大小应保持在极限状态下的弹性(即拉力小于pyAnet)，以确保分析反映了结构的行为。还建议端部连接应考虑到制造和安装公差的调整。

对于系结式刚架，BS 5950-1第5.5.4.6条要求采用二阶分析方法对刚架的面内稳定性进行检查。由于梁的轴压相对于门跨较小，梁的轴压较大，因此必须考虑梁的面内屈曲。领带的分析应该允许增加力量由于减少杠杆臂从顶点到领带,领带的扩展和变形造成的椽,除非将支持一个衣架旨在避免减少杠杆臂。

2.8双折线门式框架

在需要大跨度的地方，可使用折线式门式框架(图2.8)，但须尽量减少建筑物的屋檐高度。当需要限制屋檐扩展时，系结折叠式门式框架可能是一种经济的解决方案。

图2.8 Mansard门式框架

2.9弯椽门式框架

近年来已经建造了许多弧形椽门式框架建筑(图2.9(A))，主要用于建筑应用。椽子可以通过冷弯曲弯曲成一个半径。对于跨度大于16米的，由于运输的限制，可能需要在椽子上拼接。出于架构上的原因，这些拼接应该被仔细地细化。

这些门式刚架通常使用一种模型来分析，在该模型中，曲线由一系列的四个直线元素表示。关于门式刚架弯梁构件稳定性的指导，请参见SCI出版物《弯钢设计》(P281)[3]。

另外，屋顶必须弯曲的地方，椽子不必弯曲。椽子可以被制作成一系列的直线构件(图2.9(b))。在这种情况下，可能有必要将檩条夹板“垫”起来，以达到弧形屋顶。

图2.9 (a)弧形椽门框架

图2.9 (b)准弯曲门式框架

2.10蜂窝式梁门式框架

近年来，一系列的门式刚架都是用蜂窝梁构造的。这种框架通常有弯曲的椽子(图2.10)，使用蜂窝梁很容易实现。在需要在椽子上拼接的地方(用于运输)，它们应该被仔细照看，以保存这种建筑形式的建筑特征。

图2.10单元梁门式框架

目前已建成多座跨度40 ~ 55 m的蜂窝梁门式刚架;更大的跨度是可能的。

采用弹性设计是因为所采用的截面在截面上不能产生塑性铰，这是塑性设计的基本准则。

2.11山墙框架

山墙框架位于建筑物的末端，可能由柱子和简单支撑的椽子组成，而不是门式框架(图2.11)。如果建筑物以后要扩建，最好采用与内部框架相同大小的门式框架。

图2.11山墙框架为门式框架结构

轻型山墙刚架的平面内稳定性通常是由山墙柱之间的支撑来提供的。平面外的稳定性是通过支撑屋顶和墙壁来提供的，这通常被设计来抵抗建筑末端的风荷载。

山墙柱通常设计为简单支撑构件，跨越基础和屋顶的水平平面支撑。椽子通常被设计成横跨柱子顶部之间的简支梁。它们还支持来自檩条的竖向荷载，以及作为平面支撑系统弦的压缩作用。更详细的考虑山墙刚架在第10节给出。

2.12斜顶框架

斜顶通常用于增强工业结构的外观，或在需要更传统屋顶形状的地方，例如在超市、体育馆或停车场。

斜顶可以用多种方式建造:

bull;末端框架可以与主框架和椽子在倒数第二个框架的顶点相交成一定角度放置在相同的间距。这通常会导致一个比一般屋顶坡度更陡的端屋顶坡度(图2.12)。

bull;可以引入gablette特征，在倒数第二个框架的顶点下方，斜椽相交(图2.13)。这减少了髋关节的间距。

bull;椽子可以布置成45度的角度，以创造一个与主屋顶坡度相等的屋顶坡度。在这种情况下，倒数第二框架和结束框架之间的间距等于跨度的一半，可能需要中间框架;它们可以采用平顶折叠式入口的形式(图2.14)。

在所有这些情况下，结束框架将通常是一个简单的支撑椽和柱子框架。

髋部屋顶的节距将比一般节距大3到5倍(为了清晰起见，省略平面支撑)

Typical portal: 典型门框

General roof pitch：一般屋面坡度

Normal purlins：一般檩条

Penultimate frame：倒数第二框架

UB hip rafters：UB髋部椽

Hip roof pitch：臀部屋面坡度

End frame：终端框架

Hip purlins：臀部檩条

UB rafters cranked where noted thus：木椽在这样注明的地方弯曲

计划

标高

图2.12斜顶比主顶坡度大的斜顶框架

(为了清晰起见，省略了平面图支撑)

Hanger: 吊架

UB rafters cranked where noted thus plus hanger:UB椽子在注意到的地方弯曲，因此加上挂钩

图2.13斜屋顶的框架，斜屋顶的坡度与主屋顶的坡度相等，并具有gablette特征

(为了清晰起见，省略了平面图支撑)

图2.14以平顶折叠式结构作为倒数第二个框架的斜顶屋顶框架

Penultimate frame(portal)：倒数第二框架(门框)

45° in plan：45°计划

Jack rafters：杰克椽

45° on plan：45°计划

3设计注意事项

3.1介绍

3.1.1一般情况

在任何结构的设计和施工中，在设计过程的各个阶段都要考虑大量相互关联的设计要求。设计分为三个阶段:

bull;概念设计，指的是对结构的总体尺寸和形式做出决定的阶段。

bull;初步设计，在此期间，为了进行估算，对构件进行了大致的规模计算。

bull;最终设计，在此期间考虑所有相关的荷载情况，对构件进行详细的检查，确定约束的位置，并设计连接。

在实践中，设计的每个阶段之间很少有明确的区别。在确定近似构

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