Конструкция портальной рамы: конструкция, пролеты, компоненты и стальные системы

Контент

1 Что такое рама портала?
2 Как каркас портала выдерживает нагрузки
3 Основные компоненты здания с каркасом портала
4 Основные типы портальных рамок
5 Типичные пролеты, расстояние между пролетами и пропорции
6 Ключевые соображения по проектированию перед началом изготовления
7 Портальный каркас или ферменный каркас: какой победит?
8 Строительство и монтаж: шаг за шагом
9 Общие применения конструкции портального каркаса
10 Строительство каркаса портала: часто задаваемые вопросы

Что такое рама портала?

Портальная рама представляет собой жесткую стальную конструкционную систему, в которой вертикальные колонны соединяются с горизонтальными или наклонными стропилами через соединения, сопротивляющиеся моменту . Поскольку соединение колонны со стропилом передает изгибающий момент, а не только вертикальную силу, рама выдерживает нагрузки ветра, снега, крана и крыши без необходимости использования отдельных диагональных распорок.

На первом месте стоит практический вывод: если вам нужно одноэтажное здание с широкой площадью пола без колонн, обычно лучше всего подойдет стальная портальная рама. самая экономичная структурная система вы можете указать. Вот почему портальные рамы остаются доминирующим решением для каркасов складов, мастерских, ангаров и сельскохозяйственных зданий практически на всех рынках с активным сектором стального строительства.

Геометрия обманчиво проста. Две колонны и два стропила образуют один жесткий изгиб. Ряд изгибов, соединенных прогонами и боковыми перилами, составляет основную и второстепенную конструкцию здания. Моментное соединение на карнизе создается с помощью выступа — конического углубления стропильной части в месте соединения с колонной. Бедра распределяют пиковый изгибающий момент по большей длине стали и не позволяют соединению стать хрупким.

Бригады на объекте предпочитают эту систему, поскольку детали известны, изготовление несложно, а последовательность монтажа быстрая. В отличие от пространственной рамы или сложной решетчатой конструкции, согнутый портал можно скрепить болтами на земле, проверить на предмет посадки и поднять как единое целое. Этот простой факт позволяет сократить сроки строительства и обеспечить эффективный контроль качества.

Как каркас портала выдерживает нагрузки

Путь нагрузки портальной рамы объясняет, почему она ведет себя как единая непрерывная конструкция. Каждая нагрузка, поступающая на крышу, в конечном итоге спускается к фундаменту в той же последовательности:

Кровельный настил и изоляция переносят снег, дождь и эксплуатационные нагрузки на прогоны.
Прогоны проходят между стропилами и передают нагрузки на верхнюю полку стропил.
Стропила изгибаются между опорой и вершиной карниза, причем изгибающий момент на карнизе увеличивается с увеличением пролета.
Моментное соединение в верхней части колонны передает этот изгибающий момент на колонну.
Колонна ведет себя как вертикальная балка, прогибаясь по высоте и передавая нагрузку на основание.
Опорная плита и анкерные болты передают усилия на железобетонную опору.

Два решения, которые больше всего меняют распределение внутренних сил, — это базовое соединение и геометрия бедра . Штифтовое основание предназначено для передачи только осевой силы и сдвига. Он имеет меньшую опорную плиту, меньшее количество анкерных болтов и меньшую бетонную основу, поэтому он используется по умолчанию для большинства каркасов пролетом от 12 до 25 метров. Фиксированное основание противостоит вращению у подножия колонны, что уменьшает момент на карнизе и может сэкономить сталь в высоких колоннах, но в фундаментах это обходится дороже. Выбор является экономическим, а не техническим предпочтением.

Горизонтальным нагрузкам, таким как ветер, сейсмические воздействия и пульсации крана, противостоит действие кадра . Ветер на боковой стене изгибает колонну, момент проходит через окорочок в стропило, а соединение вершины уравновешивает противоположные моменты двух половин стропила. Изгиб устойчив в своей плоскости; Устойчивость перпендикулярно раме обеспечивается за счет распорок крыши, боковых поручней и распорок.

Основные компоненты здания с каркасом портала

Каждый портальный каркас, от сельскохозяйственного сарая длиной 12 м до логистического зала длиной 45 м, собирается из одного и того же набора деталей. Понимание того, что делает каждый компонент, подскажет вам, на что следует обратить внимание инженеров во время проектирования, изготовления и проверки на месте.

Основные компоненты фрейма портала и их структурные роли
Компонент	Функция	Типичная деталь
Столбцы	Вертикальный элемент, поддерживающий стропило и передающий момент на основание	разделы UB или UC; высота от 4 до 12 м
Стропила	Наклонный элемент крыши, несущий нагрузку от прогонов на колонны.	Пролет от 12 до 45 м; наклон от 5 до 10 градусов
Карнизный окорок	Углубленный участок в месте соединения колонны со стропилом, выдерживающий пиковый изгибающий момент.	Глубина от пролета/30 до пролета/40
Вершина бедра	Углубленный участок на гребне, зона положительного момента	Меньше карниза; часто вырезают из одной и той же тарелки
прогоны	Пролет между стропилами, поддерживающий настил кровли	секции Z или C; расстояние от 1,2 до 2,5 м
Боковые рельсы	Пролет между колоннами, поддерживающий обшивку стен	секции Z или C; расстояние от 1,2 до 2,0 м
Брекеты для мух	Ограничьте внутреннюю сжатую полку стропила	Угловые секции возле линий прогонов
Крыша и вертикальные крепления	Передача продольных ветровых нагрузок на фундамент	Диагональные углы или лыски в торцевых пролетах

карниз заслуживает особого внимания как при проектировании, так и при изготовлении. Максимальный изгибающий момент в портальной раме возникает именно в месте стыка колонны и стропила, и в этом месте нижняя полка стропила сжимается. Правильно подобранный таз углубляет секцию именно там, где напряжение наибольшее, повышая момент сопротивления сечения и экономя сталь на остальной части пролета. Большинство проблем в легких портальных рамах начинаются именно с этого соединения, либо из-за того, что задняя часть слишком коротка, либо из-за того, что компрессионный фланец не был закреплен.

Основные типы портальных рамок

Портальные рамы обычно рисуются как односкатные, изогнутые, но семейство включает в себя несколько конфигураций, каждая из которых выбирается в соответствии с пролетом, использованием и ограничениями на месте.

Однопролетный портальный каркас - классический выбор для пролетов в свету от 12 до 30 м: одна скатная крыша, две колонны, отсутствие внутренних колонн, простейшие детали и минимальная стоимость изготовления.
Многопролетный портальный каркас - несколько жестких рам, расположенных рядом, с общими внутренними колоннами. Это экономичный вариант для широких перекрытий, где допустима линия внутренних колонн.
Коническая портальная рама - Секции колонн и глубина стропил сужаются к вершине, что позволяет снизить вес длинных пролетов и высоких колонн в обмен на более сложное изготовление.
Изогнутая рама портала - стропила повторяют радиус, создавая характерную арочную линию крыши ангаров, спортивных залов и архитектурных зданий.
Каркас навесного портала - односкатный каркас, прикрепленный к более высокой стене или существующему зданию, обычно используемый для пристроек и крытых переходов.
Портальный каркас навеса - более мелкая, часто односкатная рама для погрузочных площадок, заправочных станций и крытых парковок с меньшими нагрузками и более простыми деталями основания.
Ферменный каркас портала – портальный каркас, стропила или колонны которого заменены фермой. Он используется, когда пролеты превышают около 40 м или когда необходимо нести тяжелые точечные нагрузки от крановых путей и подвешенного оборудования.

Для проектов, где пролет выходит за практический предел портальной рамы из прокатного профиля или где задействованы тяжелые сосредоточенные нагрузки, ферменная рама обычно является лучшим инженерным решением. Модульные стальные мосты являются наиболее ярким примером: треугольная решетка фермы эффективно выдерживает концентрированные нагрузки транспортных средств, сохраняя при этом разумную глубину конструкции.

Типичные пролеты, расстояние между пролетами и пропорции

cost of a portal frame is strongly influenced by span and bay spacing. The following ranges are what design teams use for early cost planning; they are planning ranges, not design tables.

Практические диапазоны пролетов для распространенных типов портальных зданий
Тип здания	Типичный чистый диапазон	Типичная высота карниза
Склад и логистика	от 18 до 30 м	от 6 до 8 м
Легкая промышленность	от 15 до 24 м	от 5 до 8 м
Сельскохозяйственные навесы	от 12 до 24 м	от 4 до 6 м
Спортивные залы и ангары	От 25 до 45 м, часто изогнутые или ферменные.	от 7 до 12 м
Розничная торговля и шоу-рум	от 12 до 20 м	от 4 до 6 м

По предварительной оценке, глубина стропил обычно находится в диапазоне от 40 до 55 для прокатных профилей, а глубина загиба карниза составляет около от 30 до 40 . Глубина колонны обычно составляет от одной трети до половины глубины стропила плюс детали соединения. Расстояние между пролетами обычно составляет от 5 до 8 м: более длинные пролеты уменьшают количество рам, но требуют увеличения прогонов и более тяжелых ветровых колонн. Сохраняйте одинаковое расстояние между пролетами для всего здания, поскольку его изменение приводит к увеличению объема изготовления прогонов.

Для удобства эксплуатации практический предел вертикального прогиба стропил холодной кровли составляет от л/180 до л/240 , тогда как горизонтальный снос у карниза обычно ограничивается от H/150 до H/300 . Крановые здания более строгие: от L/300 до L/600 в зависимости от класса крана. Эти пределы прогиба чаще определяют размер сечения, чем чистую прочность, особенно на крышах с длинными пролетами, где собственный вес стали составляет большую долю общей нагрузки.

Ключевые соображения по проектированию перед началом изготовления

Проект портальной рамы обычно становится дорогим или сложным из-за принятия решений до начала изготовления стали. Это соображения, которые имеют наибольшее значение.

Комбинации нагрузки. design must consider dead load, imposed load, wind, snow, and where relevant crane and seismic actions, combined in the worst credible arrangement. On wide-span roofs, wind uplift often governs the design of purlins and base plates rather than downward load.
Марка стали и защита от коррозии. usual structural grades are S235, S275, and S355. For exposed frames in coastal, chemical, or high-humidity environments, горячее цинкование это практическое решение. Оцинкованное покрытие защищает сталь на десятилетия и избавляет от необходимости периодической перекраски.
Крепость и устойчивость. frame needs roof plan bracing in the end bays, vertical bracing between columns, fly braces to restrain the inner rafter flange, and enough robustness to handle a localised failure without collapse.
Фундаменты. Опорные фундаменты, опорные плиты, анкерные болты и соединительные балки должны быть рассчитаны на реальные реакции основания. Закрепленному основанию нужна скромная опора; фиксированная база требует большего размера. Увеличение жесткости основания для экономии стали редко позволяет сэкономить общую стоимость проекта.

single most common practical mistake in portal frame construction is забыв прикрепить внутренний фланец стропила возле бедра. Этот фланец сжимается в области карниза, и без раскоса или аналогичного ограничителя элемент может прогнуться вбок до того, как достигнет расчетного момента. Исправление дешевое; опуская это нет.

Если вы оцениваете стальные элементы для моста или длиннопролетного сооружения, наша руководство по стальным балкам для модульного строительства мостов объясняет выбор элементов, пределы диапазона и защиту от коррозии на практике.

Портальный каркас или ферменный каркас: какой победит?

question is not which system is better in general, but which one fits the span, the load pattern, and the budget. The table below compares the two approaches across the criteria that drive real project decisions.

Сравнение портальных рам и ферменных рам для типовых металлоконструкций
Критерий	Портальная рамка	Ферменная рама
Соединения	Карнизные соединения, устойчивые к моменту	Преимущественно штифтовые треугольные соединения.
Поведение основного материала	Изгиб колонн и стропил	Осевое растяжение и сжатие элементов
Экономичный диапазон диапазонов	от 12 до 45 м	от 30 до 80 м и более
Лучший тип нагрузки	Равномерные нагрузки на крышу	Точечные нагрузки, подвижные нагрузки, длинные пролеты
Стоимость изготовления	Низкий, потому что суставы простые и повторяющиеся.	Выше из-за большого количества элементов и косынок.
Скорость возведения	Быстро, несколько штук на один изгиб	Медленнее, нужно выровнять больше частей

Обычный склад площадью 18 на 30 м с легкой крышей практически всегда должен представлять собой портальный каркас. Крытый зал длиной 50 м, перевозящий тяжелый кран, или настил автодорожного моста, перевозящий грузы транспортных средств, почти всегда должны представлять собой ферму. Причина в эффективности использования материала: в ферме элементы несут нагрузки в осевом направлении, поэтому работает все поперечное сечение, в то время как большая часть материала изгибаемого элемента находится под напряжением значительно ниже его способности.

Когда проект представляет собой временный мост, подъездной путь с длинными пролетами или переезд для тяжелых грузов, модульная система ферменного типа обеспечивает предсказуемую пропускную способность и быстрое развертывание. большепролетный тяжеловесный оцинкованный мост Бейли является типичным примером ферменной конструкции, созданной именно для этой цели.

Wholesale CB450 Type Large Span Heavy Load Galvanized Bailey Bridge Manufacturer

Оптовый производитель оцинкованного моста Бейли с большим пролетом типа CB450 и тяжелой нагрузкой Компания Jiangsu Zhonghai Bridge Equipment Co., Ltd. является китайским производителем оцинкованного моста Бейли с большим пролетом типа CB450 и OEM-производителем ... Посмотреть продукт →

Строительство и монтаж: шаг за шагом

erection sequence affects cost, programme, and site safety more than any other activity. A well-planned sequence follows these steps in order.

Фундаменты. Литые опорные фундаменты с обоймами анкерных болтов, подобранными по геометрии опорной плиты. Проверьте положение болтов до того, как бетон затвердеет.
Наземная сборка. Разложите колонны, стропила и опоры на земле и прикрепите болтами две половины стропил и опору к одному изгибу, где это возможно.
Возведение колонны. Поднимите каждую колонну на анкерные болты и зафиксируйте ее временными распорками перед установкой стропил.
Подъем рамы. Для небольшой рамы весь изгиб поднимается и крепится болтами. При больших пролетах поднимите каждую колонну и половину стропила отдельно и выполните соединение вершины в воздухе.
Затягивание. Высокопрочные болтовые соединения затягиваются последовательно от наиболее жесткого места наружу. Соединения, критические к скольжению, маркируются и проверяются после затяжки.
Вторичная сталь. Установите прогоны и боковые перекладины, используя их для выравнивания соседних рам перед облицовкой.
Крепление. Прежде чем отпустить кран, установите распорки плана крыши и вертикальные распорки. Структура не является стабильной, пока они не будут завершены.
Облицовка. Закрепите кровельное покрытие, изоляцию, стеновые панели и гидроизоляцию в той последовательности, которая обеспечит водонепроницаемость интерьера как можно раньше.

На этапах 3–5 временная поддержка имеет решающее значение. Портальная рама становится самонесущей только после первого полного изгиба и установки ее распорок. В проектах, где пролеты рамы длинные или где кран необходимо быстро освободить, временная усиленная опора является стандартным решением. Строительная опора Super Bailey грузоподъемностью 900 тонн используемый на мостах и железнодорожных сооружениях с большими пролетами, является практическим примером временных стальных конструкций этого типа.

Wholesale Customized Large Span 900 Ton Load Super Bailey Construction Support M

Оптовая торговля по индивидуальному заказу большой пролет 900 тонн нагрузки Super Bailey Construction Support M Компания Jiangsu Zhonghai Bridge Equipment Co., Ltd. является производителем строительных опор Super Bailey с большой пролетной нагрузкой 900 тонн по индивидуальному заказу... Посмотреть продукт →

Контроль качества на месте в основном визуальный: проверяйте выступы болтов, подтверждайте, что раскосы установлены на каждой линии прогона рядом с бедром, проверяйте, что раскосы натянуты, и никогда не позволяйте фиксировать облицовку до того, как раскосы будут сняты.

Общие применения конструкции портального каркаса

strength of a portal frame is clear, unobstructed space. That single advantage explains its spread across a wide range of building types.

Склады и распределительные центры со стеллажной планировкой, требующие полов без колонн.
Производственные цеха и фабрики, где краны, прессы и сборочные линии определяют конструкцию крыши.
Сельскохозяйственные постройки для скота, техники, хранилища зерна и крытые кормовые площадки.
Ангары для самолетов и спортивные залы, где световой пролет составляет всю суть здания.
Торговые помещения, выставочные залы и здания обслуживания, которые необходимо возвести за недели, а не месяцы.
Навесы и погрузочные площадки, прикрепленные к более крупным зданиям, часто построенные в виде навесов или каркасов навесов.
Промышленные технологические здания с подкрановыми путями и тяжелой установкой на крыше.

same engineering principles, rigid connections, steel sections, and corrosion protection also apply outside buildings. Our модульные системы стальных конструкций конструкции подходов к мостам, опоры труб и временные платформы, расширяя логику фрейма портала на работу в инфраструктуре.

Custom Steel Structure Manufacturers, Steel Structure System Factory

Производители стальных конструкций на заказ, Завод систем стальных конструкций Являясь китайским производителем стальных конструкций и заводом OEM систем стальных конструкций, компания Zhonghai Bridge Equipment Co., Ltd специализируется на изготовлении на заказ и ... Посмотреть продукт →

В мостовых и инфраструктурных проектах рамы портального типа используются в качестве временных подъездных сооружений, монтажных порталов и перемычек. Путь нагрузки и логика устойчивости аналогичны каркасу здания, но нагрузки тяжелее и допуски жестче. Хорошо спланированный набор Применение платформ для строительства мостов может превратить рискованную установку над водой в рутинную процедуру подъема.

Строительство каркаса портала: часто задаваемые вопросы

Чем отличается портальный каркас от фермы?

В портальной раме используются жесткие соединения между колоннами и стропилами, благодаря чему изгибающий момент передается через соединение. В ферме используются треугольные элементы со штифтовыми соединениями, которые несут в основном осевые силы. Портальные рамы обычно дешевле при пролете примерно до 40 м; фермы подходят для более длинных пролетов, тяжелых точечных нагрузок и мостов.

Каков максимальный пролет стальной портальной рамы?

Портальные рамы из прокатного профиля редко превышают 45–50 м, прежде чем вес стропил становится чрезмерным. За пределами этого диапазона проектировщики переходят на ферменные стропила, ячеистые балки или внутреннюю линию колонн, если это позволяет использование здания. Практическая максимальная длина однопролетной стальной портальной конструкции в обычной практике составляет около 60 м при использовании стропил ферменного типа.

Портальные рамы дешевле ферменных?

Для пролетов менее 30 м обычно да. Портальная рама состоит из меньшего количества деталей, меньше сварки, более простые соединения и более быстрый монтаж. При высоте более 45 м или при тяжелых нагрузках крана ферма часто становится дешевле, поскольку ее элементы несут нагрузку в осевом направлении, что значительно уменьшает размеры элементов и компенсирует дополнительные затраты на изготовление.

Что означает моментная связь в фрейме портала?

Моментное соединение передает изгибающий момент, а также осевые и поперечные силы. В портальной раме соединение карниза является моментным, поэтому нагрузки на стропила могут передаваться на колонну без отдельного раскоса. Без способности выдерживать момент в шарнире рама была бы механизмом, и для сохранения устойчивости ей потребовались бы диагональные распорки.

Как долго прослужит стальная портальная рама?

Это зависит главным образом от защиты от коррозии, а не от самой стали. Хорошо детализированная портальная рама с горячим цинкованием или прочной системой окраски легко прослужит. 50 лет и более в типичных атмосферных условиях. Облицовка крыши обычно требует замены раньше, чем каркас; Срок службы рамы зависит от ухода за покрытием и контроля образования конденсата.

Можно ли использовать портальную раму для моста?

Портальные рамы строительного типа иногда используются для коротких мостов с жесткой рамой, но для большинства типов мостов более практичной является модульная система ферменного типа. Благодаря сборным панелям вы получаете более эффективное использование материала, более мелкую структуру и предсказуемую производительность. Самый распространенный способ быстрого строительства временных или постоянных стальных мостов — это использование модульной ферменной системы, такой как мост Бейли; тот Руководство по грузоподъемности и техническим характеристикам моста Бейли объясняет классы нагрузки и конфигурации, используемые на практике.