轻型门式钢刚架结构布置与材料选用的详细解析

轻量化门式钢框架设计基础理论

第一节 结构布局及材料选择

1、结构组成

轻型门式钢框架的结构体系包括以下组成部分：

（1）主体结构：横向刚架（包括中端刚架）、楼板梁、托梁、支撑系统等；

(2)二级结构：屋顶檩条、墙檩条等；

(3)围护结构：屋面板、墙面板；

（4）辅助建筑物：楼梯、平台、扶手等；

(5)基础知识。

图2-1示意性地描述了轻型门式钢框架的组成。

图2-1 轻钢结构组成

平面门式刚架及支撑体系加上托梁、楼板梁等构成轻钢结构的主要受力框架，即主体结构体系。屋面檩条和墙檩条不仅是围护材料的支撑结构，而且还为主体结构梁、柱提供局部侧向支撑，形成轻钢建筑的二次结构。屋面板和墙面板起到围合和密封整个结构的作用。由于趋肤效应，它们实际上增加了轻钢建筑的整体刚度。

外部荷载直接作用在建筑围护结构上。其中，竖向荷载和横向荷载通过次要结构传递到主体结构的横向门式刚架上，依靠门式刚架的刚度来抵抗外部作用。纵向风荷载通过屋顶和墙壁支撑传递到基础。

2、结构布局

轻型门式钢框架的跨度和柱距主要根据工艺和施工要求确定。结构布局要考虑的主要问题是温度范围的确定和支撑系统的布置。

考虑温度影响，轻钢结构建筑纵向温度段长度不宜大于300m，横向温度段长度不宜大于150m。当建筑尺寸超过时，应设置温度伸缩缝。温度伸缩缝可通过设置双立柱，或设置二级结构和檩条的可调节结构来实现。

支撑布置的目的是使各温区或分期建设的建筑物形成稳定的空间结构骨架。布局的主要原则如下：

(1)柱支撑和屋盖支撑必须布置在同一开间内，形成抵抗纵向荷载的支撑桁架。支撑桁架的直杆和单斜杆宜采用刚性拉杆，交叉斜杆可采用柔性杆。刚性拉杆是指圆管、H型材、Z型或C型冷弯薄壁型材等。柔性构件是指仅受拉的型材，如圆钢、电缆等。柔性横拉杆必须预紧，以抵消其自重造成的下垂；

(2)支架间距一般为30m-40m，不宜大于60m；

(3) 支架可布置在温度范围的第一或第二隔间中。当布置在第二开间时，应在第一开间的相应位置设置刚性拉杆；

(4)支撑斜杆能最有效地传递水平荷载。当柱高且单层支撑构件角度过大时，应考虑双层柱间支撑；

（5）刚架柱顶、屋脊等转折处宜设置刚性拉杆。结构的支撑桁架节点处应纵向安装全长刚性拉杆；

(6)轻钢结构的刚性拉杆可在相应位置用作檩条。当刚度或承载能力不足时，可加装拉杆。

除了在结构设计中正确设置支撑系统以保证其整体稳定性外，还必须注意结构安装过程中的整体稳定性。安装时，应先搭建稳定的网格单元，然后将平面刚架与稳定单元一一连接，直至整个结构完成。必须使用临时支撑来固定已安装的框架部分，直到形成稳定的网格单元。

3、材料选择

1、材质类型

常用的钢结构类型有：碳素结构钢、低合金结构钢、高强度钢、耐火耐候钢等，其中轻型钢结构一般采用碳素结构钢和低合金结构钢。

(1)碳素结构钢

根据含碳量，碳素结构钢可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。一般来说，含碳量在0.03-0.25%的钢称为低碳钢；含碳量为0.26-0.60%的钢称为中碳钢；含碳量为0.60-2.00%的钢称为高碳钢。 。碳含量越高，钢的强度越高。低碳钢主要用于建筑结构。根据钢材的质量，碳素结构钢可分为A、B、C、D四个等级。A至D代表质量从低到高。不同质量等级对冲击韧性（夏比V型缺口试验）的要求不同。 A级没有冲击能量的规定； B级要求20℃冲击功（纵向）； C级要求0℃冲击能（纵向）； D 级需要 -20°C（纵向）的冲击能量。根据冶炼时的脱氧方法，钢可分为沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ）四类。碳素结构钢的牌号及表示方法见表2-1。

表2-1 碳素结构钢的表示方法

商标

质量水平

脱氧法

阐明

Q195

——

F、b、Z

钢号由四部分组成：代表屈服点的字母Q、屈服点、质量等级和脱氧方法。喜欢：

Q235—A·F

Q235—B·b

Q215

F、b、Z

Q235

F、b、Z

泰兹

Q255

Q275

——

(1)低合金结构钢

低合金钢是在碳素结构钢中添加一种或几种少量的合金元素（钢中每种合金元素的总含量小于5%），从而提高其强度、耐蚀性、耐磨性或低温冲击性能韧性。 。低合金结构钢一般碳含量较低（小于0.20%），以利于钢材加工和焊接。低合金结构钢的质量等级分为A、B、C、D、E五个等级。A至E代表质量从低到高。不同质量等级对冲击韧性（夏比V型缺口试验）的要求不同。 A级无冲击能量要求； B级要求20C°时冲击功Ak≥34J（垂直）； C级要求0C°（垂直）冲击功Ak≥34J； D 级要求 -20C° 时的冲击能量 Ak。 ≥34J（纵向）； E级要求-40C°时冲击功Ak≥34J（纵向）。不同的质量等级对碳、硫、磷、铝的含量也有不同的要求。低合金钢的脱氧方法为镇静钢（Z）或特种镇静钢（TZ）。

表2-2 低合金结构钢的表示方法

商标

质量水平

脱氧法

阐明

Q295

钢号由四部分组成：代表屈服点的字母Q、屈服点、质量等级和脱氧方法。

喜欢：

Q345B——屈服强度345N/mm2，B级镇静钢；

Q390D——屈服强度390N/mm2，D级特种镇静钢；

Q345C——屈服强度345N/mm2，C级特种镇静钢；

Q390A——屈服强度390N/mm2，A级镇静钢。

Q345

TZ,Z

Q390

TZ,Z

Q420

TZ,Z

Q460

泰兹

碳素结构钢用于一般弯曲构件时，可以充分发挥钢材的强度，但难以充分发挥挠度和稳定性的潜力；而低合金结构钢构件的强度、挠度和稳定性三个主要控制指标更容易均衡实现。与碳素结构钢相比，可节省钢材消耗20%左右。

2、钢材规格

钢结构所用钢材主要为热轧钢板及型材、冷弯薄壁型材等。

(1)钢板

钢板主要包括厚钢板、薄钢板和扁钢板（带钢）。

厚钢板：厚度4.5-60mm，宽度600-3000mm，长度4-12m；

薄钢板：厚度1.0-4mm，宽度500-1500mm，长度0.5-4m；

扁钢：厚度3-60mm，宽度10-200mm，长度3-9m。

厚钢板主要用于焊接梁、柱构件的腹板、翼缘和节点板，薄钢板主要用于制造冷弯薄壁型钢，扁钢可用作节点板和连接板。

(1)热轧钢材

钢结构常用的热轧型钢有角钢、槽钢、圆管、工字钢和宽翼缘工字型钢。宽翼缘工字型截面可用于轻钢结构中的受压、弯曲构件。其他型钢一般用于轻钢结构中的辅助结构或支撑结构构件。

(2)薄壁钢

薄壁型钢的截面尺寸可以按照合理的方案进行设计，可以充分利用钢材的强度，节省钢材。薄壁型钢的壁厚一般为1.5-5mm，但承重构件的壁厚不应小于2mm。常用的薄壁型钢有槽形、卷边槽形（C形）、Z形等。轻钢结构中的檩条等次要结构构件一般采用薄壁型钢。

3、钢材选用

钢材选用的原则是使结构安全可靠、满足使用要求，同时还要尽量节省结构钢材、降低成本。一般来说，轻钢结构设计中钢材的选择应考虑以下几个方面：

(1)结构类型及其重要性

结构可分为三类：重要结构、一般结构和次要结构。重型工作吊车梁和特别重要的轻钢结构主体结构和次结构构件是重要结构；普通轻钢结构厂房的主要结构梁、柱及下部结构构件均为通用结构；附属结构中的楼梯、平台等为次要结构。重要结构可采用16Mn钢或Q235-C或D；一般结构可采用Q235-B； Q235-B·F可用于二级结构。

(2) 负载特性

载荷可分为静载荷和动载荷。动载荷可分为常规满载和不频繁满载。直接承受动载荷的结构一般采用Q235-B、Q235-C、Q235-D和16Mn钢。 Q235-B也可用于环境温度-20℃以上、起重能力Q.·F的中、轻工作起重机梁。承受静载荷或间接承受动载荷的结构可选用Q235-B和Q235-B·F。

(2)工作温度

结构的质量等级是根据其工作温度来选择的。例如，当工作温度低于-20℃时，应采用Q235-C或Q235-D；当工作温度高于-20℃时，可选用Q235-B。

第二节 结构设计的一般原则

一、背景

建筑结构的设计方法有两类：许用应力设计法和极限状态设计法。许用应力设计方法是基于经验和近似假设的设计方法。极限状态设计方法是一种基于概率论的将载荷和材料强度视为随机变量的设计方法。它已在国际上得到广泛应用。我国自《钢结构设计规范》（GBJ17-87）[6]和《冷弯薄壁钢结构技术规范》（GBJ18-88）[5]开始采用极限状态设计方法。 《房屋钢结构技术规范》（CECS102：98）[2]直接参照国内外轻钢结构设计规范，采用极限状态设计方法。然而，仍有相当多的国际标准采用许用应力设计方法或同时提供许用应力和极限状态设计方法。

极限状态设计方法基于不同类型荷载的理解，例如恒载、活载、风荷载、地震等。

具有不同的分布规律，其过载概率也不同。与许用应力法相比，极限状态设计法引入了载荷分项系数，对于不同的载荷和不同的极限状态有不同的值；不同的材料也有不同的材料电阻分系数。极限状态设计方法基于统一的可靠性指标，使结构具有一致的有效概率，能够获得更合理的荷载及其作用组合，从而获得更经济、更安全的设计结果。

结构设计的极限状态分为承载力极限状态和正常使用极限状态两类。其中，结构构件的强度、整体稳定性、局部稳定性验证属于承载能力极限状态的范畴；结构及其构件的位移和刚度验证属于正常使用极限状态。一般设计时，首先选择截面，使结构满足承载能力极限状态的要求，然后校核是否满足正常使用极限状态。

2、承载能力极限状态

结构承载能力的极限状态是指在设计荷载作用下不发生强度或稳定性破坏。承载能力极限状态的一般表达式为：

(2-1)

上式中， 为结构重要性系数；为最不利荷载效应组合值；是结构的阻力。

结构的荷载效应是结构构件及其连接在荷载作用下产生的内力（或应力）。采用结构分析理论计算。各种结构分析或设计软件（如ANSYS、SAP84、3D3S等）非常有效和方便。计算手段。结构抗力是指连接和截面的强度以及构件的稳定承载能力。

必须注意的是，在计算承载能力极限状态时，荷载效应和结构抗力均参考设计值。

轻钢结构各构件及各连接节点必须满足式（2-1）。

3.正常使用极限状态

除了满足结构的承载能力极限状态外，设计者还必须确保结构在使用荷载下能够令人满意地发挥其预期功能。对于轻钢结构来说，正常使用极限状态是指结构和构件的位移满足相应的允许值，可以通过检查结构的变形来保证；同时，结构和部件不会振动，这可以通过限制部件的细长来保证。更多保证。

轻钢结构的位移指标包括柱顶横向位移和梁柱构件相对变形。位移验证的一般公式为：

(2-2)

验算构件长细比的一般公式为：

(2-3)

必须注意的是，计算结构正常使用极限状态时必须采用荷载的标准值。

轻钢结构设计时，一般按承载力极限状态设计构件截面，然后校核是否满足正常使用极限状态。由于轻钢结构相对灵活，在许多情况下构件截面是通过位移来控制的。相对而言，结构强度和稳定性问题的研究比结构位移允许值的研究要深入得多。因此，对于同一类型的结构体系，国家规范乃至国内不同法规对位移限值的规定是不同的。

轻钢结构位移极限的确定必须考虑以下因素：

（1）不影响二级结构与主体结构、围护结构与二级结构连接的承载能力以及围护结构之间连接的水密性；

（2）不能造成屋面板排水坡度太缓，造成平坡积水、渗漏；

(3) 不得造成屋顶、地板梁和吊顶的视觉上明显的、过大的挠度；

(4) 由于有抗风柱支撑，端部刚架梁竖向位移较小，而中部刚架梁位移较大。结构位移不会造成屋脊线明显偏转；

（5）维修时不得造成屋顶变形；

(6)结构在风荷载作用下不会产生过度的扭转运动或吱吱作响的噪音；

(7)不会影响、危及悬挂在刚架梁上的起重机的正常运行；

（8）不会影响、危及轨道起重机的正常运行；

(9)不得造成内外砖墙开裂和损坏。

4.荷载及其组合

1. 负载

作用在轻钢结构上的荷载包括以下类型：

(1)恒载(G)：结构自重和设备重量。按照现行《建筑结构荷载规范》采用；

（2）活荷载：包括屋面均布活荷载、集中维护荷载（M）、尘土荷载（D）、雪荷载等。其中，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（ CECS102:98)[2]规定均布活荷载标准值（按投影面积计算）为0.3kN/m2；维修集中荷载标准值为1.0kN或实际值；粉尘荷载和雪荷载按现行《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）[7]采用。同时考虑均布活荷载和雪荷载，取较大值（记为L）进行计算；积雪荷载较大，同时考虑积灰荷载和均布活荷载；维护荷载仅与结构自重荷载同时考虑；

（3）风荷载（W）：现行《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）[3]风荷载参照GB50009-2001。关于风荷载形状系数 按照美国金属建筑制造商协会MBMA《低层住宅系统手册》（1996）中关于小坡度房屋的规定取；

(4)温度(T)：根据实际环境温差考虑；

(5)起重机(C)：按GB50009-2001的规定使用，但起重机的组合一般不超过两台；

(6)地震作用(E)：按GB50009-2001的规定计算，不与风荷载作用同时考虑。

2.荷载组合

计算承载力极限状态时，轻钢结构可采用以下荷载组合[1][3][7]：

(1)1.2G+1.4L；

（2）1.2G+1.4M；

(3)1.2G+1.4C；

（4）1.2G+1.4W；

(5)1.2G+0.9(1.4L+1.4D)；

（6）1.2G+0.9（1.4L+1.4W）；

(7)1.2G+0.9(1.4C+1.4W)；

(8)1.2G+0.9(1.4L+1.4T)；

(9)1.2G+0.9(1.4W+1.4T)

(10)1.2G+1.4L+1.4E

(7)G+W+0.7xL；

(8)G+C+0.6xW；

(9)G+W+0.7xC；

(8)G+L+0.6xT；

(9)G+W+0.6xT；

(10)G+L+E

2.集肤效应

在竖向荷载作用下，坡屋面门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。屋顶板将以深梁和支撑檩条的形式抵抗这种变形趋势。此时，屋面板承受剪力并充当深梁的腹板。边檩承受轴向力，起到深梁翼缘的作用。显然，屋面板的抗剪力远大于其抗弯力。因此，趋肤效应是指蒙皮板由于其剪切刚度而对引起板平面变形的载荷的抵抗作用[26][28][29]。对于坡顶门式刚架，抵抗竖向荷载的集肤效应取决于屋盖坡度。斜率越大，趋肤效应越显着；而抵抗水平荷载的集肤效应则随着坡度的减小而增大，如图2-3所示。

图2-3 集肤效应

构成整个结构趋肤效果的是趋肤单元。蒙皮单元由蒙皮板、边缘部件、连接件以及两个刚架之间的中间部件组成，如图2-6所示。边缘构件是指相邻的两根刚架梁和侧檩条（脊、檐檩条），中间构件是指中间的檩条。

图2-4 皮肤单元

集肤效应的主要性能指标是强度和刚度。皮肤单位有以下三种强度损坏可能性：

1.边缘部件损坏

边缘部件可能会导致弯曲不稳定损坏或强度损坏。这种损坏属于脆性损坏。在实际施工中，

过程中应尽量避免。

1.蒙皮板的剪切屈曲

这也是一种脆性破坏，在荷载较大、钢板较薄或板形较差时都可能发生，在实际工程中应避免发生。

2. 连接断开

连接损坏包括面板之间的连接损坏以及面板与边缘部件之间的连接损坏。板与檩条连接处平行于檩条方向的破坏为脆性破坏，其他破坏为延性破坏。

影响蒙皮单元刚度的因素主要有以下三个：

1、蒙皮板本身的变形刚度

蒙皮面板的变形包括面板的拱形扭曲变形（即所谓的“手风琴”效应）和剪切变形。

2、连接器的变形刚度

3、边缘构件轴向变形刚度

一般来说，中间构件对蒙皮单元的剪切刚度影响不大，但对强度影响较大。屋面板类型选定后，连接件和边缘构件直接影响蒙皮单元的剪切刚度和强度。

由于集肤效应，在实际的轻钢结构建筑中，压型钢板在宏观尺度上参与受力，为刚架构件分担了部分外荷载，同时为这些构件提供了良好的侧面保护具有良好的人脉关系。轴向和扭转约束改善了结构的应力条件。特别是对于受稳定性控制的薄壁刚架构件和檩条构件，趋肤效应尤为显着。然而，由于趋肤效应的机理、运行条件和影响非常复杂，因此在实际工程设计中定量应用趋肤效应仍然存在困难。因此，现行的设计规范并没有明确规定利用集肤效应。所有设计计算公式均忽略趋肤效应，只是规定有充分依据的情况下可以考虑趋肤效应。但必须注意的是，无论我们在设计时是否考虑趋肤效应，趋肤效应都是客观存在的。例如，现行的轻钢结构设计规范对水平位移有非常宽的限制，但实际上结构的测量值总是远小于计算值；而在实际工程中，也曾出现过在正常工作荷载下屋面压型钢板起主导作用的情况。破坏性工程事故。因此，忽略趋肤效应的设计方法有时可以获得更安全的结果，有时却可能适得其反。考虑趋肤效应的设计方法不仅具有经济意义，更重要的是可以使结构的设计工况与实际工况更加一致。

3.一阶弹性理论和二阶弹性理论

轻钢结构内力和位移的计算采用一阶弹性理论，是一种线性结构力学方法。一阶弹性理论的基本假设是结构处于弹性状态，结构产生的小位移所引起的二阶效应可以忽略不计。如果能够利用一阶弹性理论对结构的内力和位移获得足够精确的分析结果，则此类结构称为线弹性结构。

一阶弹性理论具有线性叠加特性，即荷载效应的组合结果与荷载组合后的效应分析结果一致。荷载效应组合结果是指：首先分析各个单一荷载工况下的内力和位移效应，然后将效应叠加得到结果；荷载组合后的效果分析结果是指：首先将荷载组合叠加，然后分析各荷载组合下的内力和位移效应。根据我国现行建筑结构设计规范，内力和位移的计算结果应为荷载作用的组合。事实上，轻钢结构的分析可以取荷载效应的综合值，也可以取荷载组合下效应的分析值，这是一致的。但必须注意的是，每种单一荷载工况下结构构件中最大内力（位移）的位置是不同的。组合效果时，必须计算并比较最大效果组合值及其对应位置，以确定组合载荷。确定受作用部件内的最大内力（位移）及其相应位置相对简单且容易。

事实上，一阶弹性理论是近似的。结构的节点位移会产生杆端内力的作用，杆件本身的变形也会产生杆体内力的作用，如图2-5所示。以及影响，进而导致结构位移的变化。这种相互耦合、相互影响的效应称为结构的二阶效应。如果结

结构的二阶效应太大，不容忽视，必须采用二阶弹性理论来分析其内力和位移。相应地，这类结构也称为非线性弹性结构。

图2-5 结构和效应

二阶弹性理论不具有线性叠加性质，即荷载效应的组合结果不再等于荷载组合后的效应分析结果。非线性结构的内力和位移是指在组合载荷作用下的效应。因此，必须先将各个荷载工况进行组合，然后对结构在组合荷载作用下进行二阶弹性分析。

一阶弹性理论适用于线弹性结构，内力和位移的计算值可作为荷载效应组合值或荷载组合下的计算效应值；二阶弹性理论适用于非线性弹性结构，内力和位移的计算值必须作为荷载组合下的计算效果。

4.薄壁构件的结构力学

轻钢结构的主框架一般由焊接或轧制型钢组成，内力分析采用一般结构力学理论。一般结构力学理论研究结构及其构件的弯曲问题。重要的假设是平面截面假设。构件因弯曲而产生截面弯曲正应力和弯曲剪应力。

二级结构的檩条一般为冷弯薄壁型材。冷弯薄壁型钢是通过冷轧或冲压等加工方法，在常温下弯曲较薄的钢板或钢带，形成各种截面的钢材。由冷弯薄壁构件组成的结构的分析应使用薄壁构件结构力学。薄壁构件力学研究构件的弯曲和扭转问题。一个重要的假设是截面的刚性周长假设。构件截面内的应力包括弯曲正应力、弯曲剪应力、翘曲正应力、自由扭转剪应力和约束剪应力。

开放式薄壁构件在外力作用下常常同时发生弯曲变形和扭转变形。成员的弯曲将产生横截面正常应力和剪切应力。薄壁成员有两种类型的扭转：自由扭转和约束扭转。游离扭转仅产生剪切应力；受限的扭转会产生剪切应力和扭曲正常应力。

在平行于质心的主轴的外力的作用下，如果外部力和横截面剪切流在两个质心主轴的方向和扭转方向的方向上平衡，则该外部的作用线力是剪切应力流的最终作用线，如图2-6所示。薄壁构件中弯曲剪切应力的计算公式是：

(2-4)

在这里，代表外力； ，，分别是惯性，区域矩和板厚度的横截面。

从方程式（2-4）可以看出，截面上弯曲应力的分布模式仅取决于截面的面积矩，并且面积矩由截面的几何形状确定，因此全截面剪切流的作用仅与截面的几何形状有关。二

所得的剪切流的作用线平行于质心的主轴平行于一个点，即横截面弯曲中心，剪切中心或扭转中心。连接截面的剪切中心的线称为剪切中心轴。当外部载荷穿过剪切轴时，成员仅弯曲但不会扭曲[40]。

图2-6平行于截面主轴和横截面弯曲流量平衡的外力

当载荷未穿过剪切中心轴时，负载可以分解为通过剪切中心的力和扭矩。对相应组件的分析也可以分解为在通过剪切中心的载荷的作用下和在扭矩作用下的组件的扭曲的作用下的弯曲，如图2-7所示。 。考虑组件扭转时未知数量是截面的扭转角，其余的仅与该截面的几何特性有关。

图2-7负载下剪切中心周围成员的弯曲和扭转

组件的扭转有两种类型：游离扭转和约束扭转。构件的自由扭转符合条件：（1）成员的两端由一对相等大小和相反方向的扭矩作用； （2）成员结束时没有扭转约束。由成员的游离扭转引起的扭矩与成员厚度的立方体成正比。该成员的自由扭转应力的表达是：

(2-5)

在上面的公式中：是自由扭矩； G是钢的剪切弹性模量；这是惯性的横截面扭转力矩，BI和Ti分别代表每个部分的板宽度和厚度。

考虑到成员的约束扭转，需要使用新的广义坐标 - 部门坐标，如图2.8所示。图A是薄壁成员的横截面；图B显示了整个部门坐标的定义，将剪切中心B作为极点，在截面中心线上的任何点N1作为起点，将所考虑的截面中心线上的点作为计算点，将起点，连接计算点的线和截面中线形成区域两倍，并顺时针规定为正。当横截面由常规直线段组成时，扇形坐标将易于计算。

图C中的起点是合适的，因此横截面上风扇坐标的积分为0，而这样的风扇坐标是主要的风扇坐标。

图2-8部门坐标和主部门坐标

部门坐标可以表示该部分中任何点的轴向位移，并且可以通过扇形坐标来定义相应的部门面积矩和惯性矩后。限制应力扭转可以分解为翘曲剪切应力和扭曲正常应力。翘曲剪切应力分布与风扇区域矩数相同，而扭曲的正常应力分布与主风扇坐标相同。翘曲剪切流可以合成整个截面的约束扭矩，并与自由扭矩合成总扭矩。扭曲的正常应力在剪切中心形成了双时刻。所谓的双动力矩是指f的力矩f和距离平面r的一个点C的矩C。 F×R称为C的双矩，如图2-9所示。在图2-9的左图中，力F被D分开，形成矩f×d，其相对点C是矩的力矩。右图显示了剪切中心B上风扇正常应力的双重矩。

图2-9扭曲正常应力和双运动图

扭曲的正常应力和由约束扭转引起的薄壁切片的剪切应力的约束是：

(2-6)

(2-7)

在上面的公式中，是扭曲的正常应力。是翘曲的剪切压力；是扭转角；是受约束的扭转应激；是主要风扇坐标；是风扇静态时刻；是惯性的粉丝时刻；是风扇扭矩；是组件的厚度。

第4节稳定设计的基本知识

1。整体稳定设计

1。稳定问题的基本类型

结构性稳定性问题可以分为以下五类：

第一种类型的稳定性问题：理想结构的Euler屈曲

稳定性问题的第二种类型：实际结构的最终轴承能力

稳定性问题的第三种类型：屈曲后的终极轴承能力

稳定性问题的第四种类型：缺陷敏感结构的稳定性

第五类稳定性问题：跳跃稳定性

五种类型的稳定性问题的负载 - 位置关系特征如图2-10所示。

图2.10稳定性问题类型

图2-10结构稳定的基本类型

如前所述，轻质钢结构的计算模型是平面刚性框架。平面刚性框架的整体稳定性设计可以分为两个部分：平面中的整体稳定性设计以及从飞机上方的整体稳定性设计。刚性框架平面中的总体稳定性属于上述第二种类型的稳定性问题，并且平面外的总体稳定性属于第一种稳定性问题。轻钢结构构件的局部稳定性问题属于稳定性问题的第三类。

2。具有理想边界条件的基本组件的总体稳定性

基本组件的总体稳定性设计基于对具有铰链末端和两个相等端弯矩的理想成分的分析，如图2-11所示。

图2-11具有理想边界的单个成员的总体稳定性

基本组件的稳定设计有三个基本标准。

标准1：临界屈曲载荷标准。该成员的关键屈曲负荷被用作成员不稳定性的标准，该标准适用于压力弯曲成员的平面外稳定性和弯曲成员的弯曲反应稳定性设计；

标准2：边缘纤维产量标准。考虑组件的二阶效应后，横截面边缘纤维的最大应力产量用作组件不稳定性的标准，该标准适用于弯曲平面中薄壁的组件的稳定设计；

标准3：稳定的最终轴承能力标准。具有初始缺陷的实际组件的最终轴承能力用作组件不稳定性的标准，该标准适用于轴向压缩组件和弯曲组件的平面稳定性设计。

（1）轴向压缩成员

对于轴向压缩柱，初始缺陷，截面类型和大小都会影响成员的最终轴承能力。当前的规格采用多个列曲线（曲线）来考虑各种影响因素，并使用统一的稳定系数表达弯曲稳定性和扭转稳定性的比例，该组件围绕该部分的两个主轴与材料设计的两个主轴围绕组件的最终应力表示。力量，也就是说：

(2-8)

因此，轴向压缩柱的平面内和平面内弯曲和扭转稳定性的设计公式可以写为：

(2-9)

在上面的公式中，分别是组件的轴向压和横截面区域。

（2）弯曲成员

对于具有弯曲构件的光束，平面问题是强度，平面外问题是稳定性问题的第一种类型。它的平面外稳定性设计公式是：

(2-10)

在上面的公式中，分别是临界弯矩，临界应力和组件的弯曲屈曲系数。并分别是成员的弯矩和截面阻力力矩。

（3）弯曲组件

对于弯曲成员的平面稳定性，当前代码首先根据截面边缘产量的标准，在成员中具有初始缺陷和截面的最大应力的二阶弯曲力矩的表达。在此基础上，进行了修改以获得第二种稳定性问题的设计公式。推导过程如下：

该节的最大压力是：

(2-11)

在上面的公式中，是结束偏心率（代表初始缺陷）；是成员的最大挠度；这是成员遭受的平面内弯矩和截面阻力。

假设成员的挠度曲线是正弦分布，则可以根据外部弯曲矩和截面的内部弯矩相等的条件来推导它：

(2-12)

（2-13）

在上面的公式中，当外部弯矩为可以从中得出的表达式被替换回公式（2-13），最后可以将部分的最大应力得出为：：

(2-14)

考虑到，当分量因平面中的弯曲不稳定性而损坏时，横截面应力将被塑料加深。根据方程的最大边缘应力（2-14）修改当前规范的设计公式。它的一般形式是：

(2-15)

在上面的公式中，是横截面塑性深度系数，这是一个恒定系数。

弯曲成员的平面外稳定性问题是稳定性问题的第一种类型。当前规格使用线性相关形式近似并安全地获得组件稳定性的设计公式，如下所示：

(2-16)

在上面的公式中，是组件平面外轴向压缩稳定系数。

（3）双向弯曲组件

对于双向弯曲成员，当前代码使用近似和面向安全的线性相关公式来提供两个主轴周围成员的稳定性检查公式，如下：

(2-17)

3。轻质钢结构的总体稳定设计的基本理论

轻质钢结构帧的稳定性设计包括面板稳定性设计和平面外稳定性计算。主框架的平面稳定性由框架的平面刚度和组件截面刚度提供。主框架的平面稳定性是通过对结构和组件部分刚度的纵向支撑来保证的。

主帧总体稳定轴承能力的准确数值分析理论是二阶弹性理论，它也称为最终轴承能力理论。与二阶弹性理论相比，在分析二阶弹性理论时，必须考虑组件横截面材料的可塑性深度。尽管现在可以用于对结构组件和系统的二阶弹性分析进行各种商业软件包，但当前代码仍然使用近似公式来设计结构的整体稳定性。原因是：（1）使用软件对结构进行二阶弹性分析需要深入的专业知识，并消耗大量计算时间。它用于在工程师和工作的要求方面，用于大量结构的工程设计。就效率而言，这是不现实的； （2）通过使用软件对结构进行二阶弹性分析获得的稳定最终轴承能力仅是结构稳定性的标准电阻值，而稳定轴承能力的部分系数和结构的初始缺陷是A一系列随机变量。相关，它涉及基于可靠性理论的稳定设计问题。目前，关于这个问题没有实践研究结果。

主要林分总体稳定性的近似设计方法是分解结构稳定性问题，并等同于梁和色谱柱成分的稳定性。弯曲动量不平坦系数的实际弯曲力矩分布用于考虑组件中的实际弯曲矩。计算长度概念当量考虑了刚性框架中梁和柱组件的边界约束条件。

（1）无法解释的弯矩系数

弯矩的不平坦系数反映了沿组件长度沿弯矩的长度的分布。因为当前规格考虑的基本组件在两端的角色上都是相同的末端，也就是说，此时弯曲力矩沿组件均匀分布。显然，弯曲力矩的分布越少，它应该越小。另外，在组件的弯曲和屈曲稳定系数中还考虑了水平载荷位置的影响。如果水平载荷在梁的机翼边缘上作用，一旦梁被扭曲并弯曲，载荷的第二阶效应将对弯曲变形产生积极影响。这是一种反向效果。负载分布和位置的影响如图2-12所示。

图2-12加载对稳定性和道德计算的影响

（2）计算长度确定

有关稳定设计的当前规格的类似公式是基于两端理想组件的研究和推导。但是，实际结构中的梁和圆柱边界的条件非常复杂。实际组成部分和理想组成部分的等效原理是两者等于两者的临界力量。基于此等效原理，可以获得实际组件的计算长度。换句话说，实际组件是具有计算长度的理想组件的一部分。这样，标准稳定设计与实际组件相似，但仅计算长度而不是实际组件长度。

记住实际组件的临界力，假设其计算长度为。长度理想组成部分的屈曲的临界力为。根据同等原则，计算长度的一般公式为：

（2-18）

图2-13给出了简单边界支持条件下组件的计算长度。图2.14给出了实际刚性框架结构中梁和柱组件的计算长度。

图2-14刚刷子的计算长度

如前所述，确定实际组件的计算长度的关键是确定组件屈曲的临界力。尽管现有的商业软件包可以轻松确定各种结构和组件的关键力，但在实际设计中，简化的近似公式或图表用于确定组件的计算长度。原因是：①对商业软件包的高需求的专业知识在广泛应用大型工程设计方面有一定的困难； ②一般来说，结构和组件的计算长度与其上的负载有关。如果计算商业软件，则必须计算每个负载组合下的计算长度，并且必须将其最大值（最小临界力）作为设计期间的计算长度，并且工作量太大。

基于上述原因，当前规格由相似的公式和图表计算出光钢结构组件平面的平面长度。轻钢结构组件的平面外的计算长度是其侧支撑点之间的距离。基础主要是因为支撑点通常是平面外的抗稳定的抗凸起点。可以认为，交叉支撑，刚性杆以及刚性梁和柱的连接点是组件的侧支撑点。屋顶杆和墙壁的壁通常连接到梁和支柱的机翼的机翼，梁和柱的两侧的翅膀可能导致侧面 - 稳定性和侧面位移。因此，如图2-15所示，不能将支柱和梁支柱的单侧机翼边缘的连接点用作梁支柱组件的侧支撑点。

图2-15无法在组件的侧面支撑恰好范围的光束和柱的单侧机翼边缘的连接

但是，如果Puppet条和组件连接设置了支撑（如图2-16所示），该连接是否可以有效防止组件两侧的机翼边缘的侧位移作为组件的侧支撑点？如果是一个开放的结构，则支撑连接可以有效防止组件的扭转变形，以防止组件的弯曲和变形，但不能防止组件平面外的平行弯曲变形。因此，当计算分量弯曲稳定系数时，应将刚性杆支撑之间的距离作为平面外的计算长度。支撑系数之间的距离计算为计算长度。但是，木偶建立和支撑的轻钢结构通常是封闭的结构。

结构部件可以围绕其弱轴转换，因此，当组件平面弯曲和扭曲稳定性以及稳定系数的弯曲时，可以用作组件平面之间的计算长度。

图2-16神经节梁和支柱双侧翼边缘。

2。当地稳定设计

1。普通钢结构组件中板零件的局部稳定设计

普通钢结构组件的局部稳定性是稳定性问题的第一种类型，并且在设计过程中弹力弹性后不使用极限强度。图2-17显示了工作形状类型的局部消失波形和屈曲应力。