对门式刚架柱截面设计的分析

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1、对门式刚架柱截面设计的分析2理论分析及公式推导计算刚架柱，确定一个经济合理的H形钢柱断面很关键。根据现行《钢结构设计规范》要求，H形截面的压弯构件必须满足强度要求，稳定要求和刚度要求，《门刚规程》中利用张力场原理，允许考虑腹板屈曲后强度，放宽了对腹板局部稳定的要求。只满足翼缘局部稳定即可。实际工程中，截面必须满足钢材规格并兼顾施工方便，最优设计目标不能定为截面积A最小，而应是在满足各方面要求的前提下A尽可能小。由钢结构基本理论可知：如果给定杆件计算长度lox,loy和A，杆件越薄，即b/t,h0/t=h/b,可得截面特性表达式为：(2)由（2）式可推导出（3）式：图一H型截面图(3)定义:，，

2、（4）将（1），（2）代入式（4）可得:（6）将（6）式代入文献[1]规范平面内稳定公式（5.2.2-1）并整理得：(7)定义：，，（8）则式(7)简化为：（9）显然截面最优时上式取等号，记F1（lx）=Cx=x+k1CMx•lx，F2（lx）=jx/lx2，则F1（lx）是lx的线性增函数，F2（lx）是lx的单调减函数。在直角坐标系中分别作出直线F1（lx）～lx和曲线F2（lx）～lx，则它们必有一交点使F1（lx）=F2（lx），此交点对应的lx就是式（9）取等号的值。由式（9）求得lx后，由式（3）可得h、b。同样道理，将（6）式代入文献[1]规范平面外稳定公式（5.2.2

3、-3）并整理得：（10）定义：（11）式(10)变为：Cy=y+k2CMy•ly≤jy/ly2(12)显然若k2已知，则由上式就可得到保证平面外整体稳定的ly。下面再分析k1，k2的合理取值。显然，N必小于轴压力单独作用时的稳定承载力jxAf，若记N=hjxAf，必有h≤1，代入(8)式得到：（13）从式(13)可以看出：对于给定的钢材，E，f,已k1随h、lx两个独立参数变化。当h增加时，分母减小，k1增加。由文献[1]附录三中给出的轴心受压构件的稳定系数表可知：随着lx的增加各种钢材的k1都是减小的。为保证满足规范平面内整体稳定公式（5.2.2-1）,应取k1值为可能

4、的最大值，即k1≈1。但k1取值偏大会造成浪费，一般取k1=0.9。对k2可作类似的分析，可以得到k2=0.9。，若由式(9)、(12)所得到的截面尺寸非常接近，则此时就是最优截面。这样通过杆件长细比lx、ly这个重要系数，就把杆件的内力和截面特性联系起来，并在已知内力的条件下，通过计算确定最合理截面。但在门式刚架计算中，钢柱内力又是和截面取值密切相关的。在实际设计中，正确确定截面的高宽比系数，不仅可以使设计人员建立正确的概念，也减少因截面调整而试算的次数。对设计人员来说，是非常实用的。本人在实际工程中经过大量的试算和分析，发现在大多数情况下，m=1时即可得到最优截面。但考虑到轧制

5、H型钢翼缘的边缘残余压应力随截面的高宽比而变化，当h/b£.1.2时，翼缘的残余应力可达0.5fy；当1.21.7时，翼缘的残余应力小于0.3fy。本人认为m取1.2～2这个比例最合理。对工业厂房来说，当刚架的跨度和吊车吨位都比较小，且柱子的几何长度比较大时，钢柱的内力较小，截面本身翼缘和腹板尺寸很薄，而平面外稳定应力较大，这种情况下m取低值时，钢柱的强度应力、平面内、外稳定应力比较接近。因为宽翼缘柱对抵抗平面外的失稳非常有效。当刚架的跨度和吊车吨位都比较大时，构件内力较大，这时m取高值，才能保证构件的强度应力、平面内、外稳定应力比较

6、接近。而且由于截面翼缘的厚度较大，再加宽翼缘会很不经济，。但m也不易大于2。虽然《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中应用张力场原理，允许考虑腹板屈曲后强度，但规定当利用腹板屈曲后抗剪强度时，要加横向加劲肋，加劲肋间距为h0～2h0。这样又会给施工带来很大麻烦，所以m取值不能太高。在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中提出采用在压弯构件上加隅称的方法来减小压弯构件平面外计算长度，从而保证压弯构件的平面外整体稳定。但这种方法对刚架柱来说就不一定全适合。因为首先对多跨刚架中间的摇摆柱来说，就无处加隅称。另外现在许多工程为节省附属结构檩条的用钢量和满足保温隔热的要求，都采用双侧挂板的形式，钢柱的隅称也

7、不好加上去。这时宽翼缘截面柱就比窄翼缘截面柱优越的多。下面以具体的工程实例加以说明。3工程实例洛阳某厂的非金属车间，是一个18米跨的单跨门式刚架结构，有两台10吨吊车，下柱几何长度7.7米。基础为桩基。刚架材料为Q235B。设计中，考虑此刚架跨度和吊车吨位不是很大，下柱又比较长，且钢柱采用焊接H型断面，所以m取为1.14，具体尺寸为H400´350´14´8（高´宽´翼缘´腹板）。其计算结果见表一