钢结构课程设计门式钢架.docx

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钢结构课程设计门式钢架

门式钢架设计

、设计资料

某厂房为单跨双坡门式刚架，长度150m,檐高H=7.5m,屋面坡度B=1/10,跨度L=15m，柱距S=7.5m。

冈寸架为等截面的梁、柱，柱脚为铰接。

屋面材料、墙面材料米用单层彩板。

檩条和墙梁均采用冷弯薄壁卷边Z型钢，间距为1.5m，钢材采用Q235钢，焊条采用E43型。

基本风压W。

=0.35kN/m2，地面粗糙度B类。

二、结构平面柱网及支撑布置

该厂房长度150m，跨度12m，柱距7.5m，共有21榀刚架，由于纵向温度区段不大于300m、横向温度区段不大于150m,因此不用设置伸缩缝。

厂房长度>60m,因此在厂房第一开间和中部设置屋盖横向水平支撑；并在屋盖

相应部位设置檩条、斜拉条、拉条和撑杆，檩条间距为1.5m;同时应该在与屋盖横

向水平支撑相对应的柱间设置柱间支撑，由于柱高〉柱距，因此柱间支撑用分层布置，布置图详见施工图。

三、荷载的计算

（一）计算模型的选取

取一榀刚架进行分析，柱脚采用铰接，刚架梁和柱采用等截面设计。

厂房檐高7.5m,考虑到檩条和梁截面自身高度，近似取柱高为7.2m；屋面坡度为1:

10<因此得到刚架计算模型：

11B

（2）荷载取值计算

长度

（m）

柱距

（m）

跨度

（m）

檐高

（m）

恒载

（kN/m2）

活载

（kN/m2）

基本风压

（kN/m2）

150

7.5

12

7.5

0.6

0.5

0.35

o.6k）Nm

2

0.15kN/m

2

0.75kN/m

0.50kN/m，不考虑积灰荷载。

CECS102:

2002附录A的规定计算

基本风压30=1.05X0.45kN/m2,地面粗糙度类别为B类;

风荷载高度变化系数按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）的规定采用，当

高度小于10m时，按10m高度处的数值采用，卩z=1.0。

风荷载体型系数卩s：

迎风面柱及屋面分别为+0.25和—1.0,背风面柱及屋面分别为一0.55和一0.65（CECS1022002中间区）。

（3）各部分作用荷载：

（1）屋面恒载:

标准值：

1

0.757.5=5.60kN/m

cosQ

柱身恒载:

0.257.5=1.88kN/m

5.6kn/m

i1

LJ

U

1J

I1

?

1

LJ

ii1

!

j

ii

1,EEkn/n1,SBkh/jR

（2）屋面活载

1

屋面活荷载0.507.5=3.76kN/m

cos日

3.TGkN'tn

（3）风荷载

以风左吹为例计算，风右吹同理计算：

根据公式

冷根据查表h乞10m,取1.0,」s根据门式刚架的设计规范，取下图:

（地面粗糙度B类）

风荷载如下图:

（4）内力计算:

（1）截面形式及尺寸初选

梁、柱都米用热轧中翼缘H型钢

梁的截面高度h—般取（1/30—1/45）L,故取梁截面高度为600mm

暂取HM588300,截面尺寸见图所示,柱的截面采用与梁相同

截

面

截面名

称

长度

（mm）

面积

（mm2）

lx

64

（汇10mm）

Wx

43

（心0mm）

Iy

64

仔10mm）

Wy

43

（勺0mm）

ix

mm

iy

mm

柱

HM

588700

7200

18721

1128.27

388.95

90.09

60.07

247.15

69.37

梁

HM

600汉300

6030

18721

1128.27

388.95

90.09

60.07

247.15

69.37

（2）截面内力

根据各个计算简图，用《结构力学求解器V2.0》计算，得结构在各种荷载作用下的内力图如下：

注：

剪力图：

“+”表示方向“-”；轴力图：

拉为正，压为负。

（A）恒载作用（标准值）下，计算简图及内力值（考虑基础埋深0.8m）:

恒载作用下弯矩图

（B）活载作用（标准值）下，计算简图及内力值（考虑基础埋深0.8m）:

-6.11

3.89

活荷载作用下剪力图

活荷载作用下弯矩图

（C）风荷载作用（标准值）下，计算简图及内力值（不考虑基础埋深）：

风荷载作用下剪力图

风荷载作用下弯矩图

（3）内力组合

由于恒载和活载关于结构竖向对称，因而风荷载只要考虑一个方向作用，风荷载只引起剪力不同，而剪力不起控制作用。

刚架结构构件按承载能力极限状态设计，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009

—2001）的规定，采用荷载效应的基本组合：

丫oS

本工程结构构件安全等级为

二级，丫0=1.0

按承载能力极限状态进行内力分析，需要进行以下3种组合：

A:

1.2X永久荷载+1.4xmax｛屋面均布活荷载｝+1.4X0.7风荷载

B:

1.2X永久荷载+1.4X0.7xmax｛屋面均布活荷载｝+1.4X风荷载

C:

1.0X永久荷载+1.4X风荷载

组合A、B--用于截面强度和构件稳定性计算，

组合C--用于锚栓抗拉计算。

本工程不进行抗震验算。

最不利内力组合的计算控制截面取柱底、柱顶、梁端及梁跨中截面，取四个控制截面：

如下图：

控制截面示意图

各情况作用下的截面内力及内力组合见下表：

各情况作用下的控制截面内力

截面

内力

恒载

活载

左风

1-1

N

-48.64

-22.56

19.59

Q

-5.79

-3.89

9.17

M

0

0

0

2-2

N

-9.10

-22.56

19.59

Q

-5.79

3.89

4.20

M

-46.31

-31.09

48.11

3-3

N

-33.60

-6.11

6.13

Q

32.86

22.06

-19.08

M

-46.31

-31.09

-48.11

4-4

N

-5.76

-3.87

6.13

Q

0.58

0.39

-2.43

M

51.02

34.25

-16.74

控制截面内力组合

截面

内力

1.2X永久荷载+1.4X

max｛屋面均布活何载｝

+1.4X0.7风何载

1.2X永久荷载+1.4X0.7X

max｛屋面均布活何载｝+1.4X

风荷载

1.0X永久荷载+1.4X风

何载

1-1

N

-70.75

-53.05

-21.214

Q

-3.41

2.08

7.05

M

0

0

0

2-2

N

-23.31

-5.60

18.33

Q

2.61

2.74

0.09

M

-51.95

-18.69

21.04

3-3

N

-42.87

-37.73

-25.02

Q

51.62

34.34

6.15

M

-146.25

-135.39

-113.66

4-4

N

-6.32

-2.12

2.82

Q

-1.14

-2.32

-2.82

M

92.77

71.35

27.58

（五）截面验算

控制内力组合项目有：

1+Mmax与相应的N,V（以最大正弯矩控制）

2—Mmax与相应的N,V（以最大负弯矩控制）

3Nmax与相应的M,V（以最大轴力控制）

4Nmin与相应的M,V（以最小轴力控制）

所以以上内力组合值，各截面的控制内力为：

1-1截面的控制内力为M=0,N=-70.75KN,Q=-3.41KN

2-2截面的控制内力为M=-51.95KN・M,N=-23.31KN,Q=2.61KN

3-3截面的控制内力为MH-146.25KN*M,N=-42.87KN,Q=51.62KN

4-4截面的控制内力为M=92.77KN・M,N--6.32KN,Q--1.14KN

（1）刚架柱验算：

取2-2截面内力

平面内长度计算系数：

H0x=81.115=8.92M

平面外长度计算系数：

考虑压型钢板墙面与墙梁紧密连接，起到应力蒙皮作用，与柱连接的墙梁可作为柱平面外的支承点，但为了安全起见计算长度按两个墙梁间距考虑,即Hdy=8000/2=4000mm

（A）局部稳定验算

构件局部稳定验算是通过限制板件的宽厚比来实现的

①柱翼缘

150-32

6

（B）柱有效截面特征

②柱腹板

=8.48_166.15上174.63N/mm2

厂157.67

由于考虑屈曲后强度：

；丁2-157.67

0.90

6174.63

584

hc=174.63174.63157.67=306.9mm

16

k=—215

厂［（1「）20.112

（1）2］0.51「

°九几==584/^=0.56兰0.8,

y28.121.5

p28.1235/f

则匸刊，截面全部有效。

（C）抗剪强度验算:

柱截面的最大剪力为

W37k'23

0.8：

：

：

*:

：

1.4,则fv'

Vnax二58.59kN

584/8ecu

0.85

37「5.341

hw/tw

5/fy

2

二［1-0.64（w-0.8）］仁=0.973125=121.63N/mm

Vd=hwtwfv=5848121.6310”=568.2KN■Vmax,满足要求。

弯剪压共同作用下的验算:

因为V：

：

：

0.5Vd,按公式M乞M；=Me-NWe/人进行验算，

其中Me二Wef=17310421510^=371.95kNm

M；=Me—NWe/Ae=371.95-79.93371.95/9472

=371.95-3.14=368.81kNm■288.10kNm,满足要求。

（D）稳定性验算：

①刚架柱平面内稳定性验算:

X=38.1：

：

丨1-180,—=x.fy/235=38.1

b类截面，由《钢结构设计规范》附表C-2查得，x=0.906

二2EA3.1422.061059472

2~=2

（1.1x）（1.138.1）

N仏Mx79.931031.0288.10106

不x[1-0.8（N/Nex）]Wx=°.9069472〔a173馆口心型）12048

=9.31159.45=168.76N/mm:

:

:

f满足要求。

②刚架柱平面外稳定性验算

■-■f/235二64.9

b类截面，由《钢结构设计规范》查得，\=0.78

二0.650.35匹=0.650.35丄二0.825

M12

—2

6

0.825288.1010

0.974173104

=10.81141.0^151.82N/mm2

（2）刚架梁验算:

取3-3截面内力；M=288.10KN*M，N--77.03KN，Q=83.45KN

（A）局部稳定验算

①梁翼缘

②梁腹板

（B）梁有效截面特征

门式刚架坡度为1/10<1/5，可以不考虑横梁轴梁的影响，按受弯构件验算。

GM288.101062

4166.53N/mm

6We173104

.上三―1

-1

he=5841二292mm

c2

（C）强度计算

1抗剪强度验算：

梁截面的最大剪力为Vmax=83.45kN

k=5.34

扎二九冬584/8

w37k235/fy37,5.341

0.8：

w1.4,则fv二[1一0.64（w-0.8）]fv=0.973125=121.63N/mmVd二hwtwfv'=5848121.6310°=568.25kNWax,满足要求。

2弯矩作用下的验算：

4_6

Md=M-17310421510

-371.95kNm288.10kNm，满足要求。

（D）稳定性验算①刚架梁平面内稳定验算:

验算方法与柱平面内的稳定验算相同，由于N梁:

：

:

N柱,M梁二M主，因而可以满足要求。

②刚架梁平面外稳定验算:

一般刚架平面外稳定靠支撑来保证，

考虑檩条处设置隅撑以保证屋脊负弯矩使下翼缘受压时有支撑，在支撑点处设置隅撑以保证横梁全截面受支承，则横梁成为平面外3m支撑的压弯构件，取其中一段计算。

由二3000=46.2及b类截面查《钢结构设计规范》得，\=0.874

y64.9

2

由于有端弯矩与横梁荷载，取：

=1.0，则\=1.07-1.02

44000

由于内力沿杆件线性变化，取较大值77.07kN

从而N+JtxMx_77.07"03+1"匹竺0空

%A半bWpx0.87424721.02<173<104

-9.31163.27=172.58N/mm2

四、位移验算

（一）柱顶水平位移验算：

位移验算为正常使用极限状态下的承载力验算，荷载应选用标准值。

构件截面参数：

EA=2.06108947210^=1.95106kn.

Elx=2.0610852010610」2=1.07105kn・m2

刚架柱顶等效水平力按下式计算：

柱底刚接，均布风荷载：

F=0.45W=0.45X16.62=7.48KN

其中W=@1+34）•h=（0.86+1.91）8旳=16.62KN

11.14乂80003

242.06105520106

:

［」］=H/150=53.3mm

（二）横梁扰度验算:

荷载标准值=1.0恒载+1.0活载=4.3+4.5=8.8kN/m,由矩阵位移法结构力学计算程序计算位移，位移图如下:

32"4二」L满足要求

L24000747250

五、节点设计

（一）梁柱节点设计:

梁柱节点形式见下图：

dJ

rr

i

$

T

*

■

I

f

k

ESJni—

ll

言

*

詰

丁

s

■f

%

连接处选用如下组合内力值:

M=-288.10KN*M，N=-79.93KN（使螺栓受压），Q=58.59KN

采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN,

摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数J=0.45，

螺栓承受拉力为:

My

N

288.10x0.372

79.93

W

n

222

4（0.132+0.2120.372）

10

My,

N

288.10x0.212

79.93

r2

n

4（0.1322+0.21220.3722）

10

M%

N

288.10x0.132

222

79.93

第一排：

N=

=133.46-7.99=125.47kN

第二排：

N2=

=76.06-7.99=68.07kN

第三排：

N3=

=47.36-7.99=39.37kN

n

其抗拉承载力为：

”[N；]=0.8P=0.8x225=180kN、卄口旳+

b2；2>125.47kN,满足要求。

NthMeft/4=y"21.18500/4=176.2kN

螺栓群的抗剪力（M24螺栓）（下面三排不计外加压力，只考虑预压力）

Vb八09,f（P-1.25NJ=2[0.90.45（225-1.25125.47）0.90.45

（225-1.2568.07）0.90.45（225-1.2539.37）]0.90.452256

=2[27.6156.6671.19]546.78=857.7kN58.59kN

端板厚确定:

采用端板厚t=26mm。

端部腹板设置加劲肋，加强腹板强度，详见施工图

连接处选用如下组合内力值：

M=179.92KN・M,N=-58.32KN（使螺栓受压），Q=5.83KN

采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN,

摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数」=0.45，

螺栓承受拉力为:

第——排：

NV皿92；。

3722-58.32=91.27-7.29=83.98kN

、yn4（0.21220.3722）8

其抗拉承载力为:

>83.98kN，满足要求

[N；]=0.8P=0.8225=180kN

b

Nt

=愿d；ftb/4v»21.182500/4=176.2kN

螺栓群的抗剪力（M24螺栓）（下面二排不计外加压力，只考虑预压力）

Vb八09»（P-1.25NJ=2[0.90.45（225-1.2583.98）0.90.45

（225-1.2543.72）]0.90.452254

二2[48.6168.99]364.5二599.7kN5.79kN

端板厚确定:

采用端板厚t=26mm。

端部腹板设置加劲肋，加强腹板强度，详见施工图

Vfb=0.4N=0.4104.12=41.65kN<58.59kN

抗剪承载力不满足要求，需要设置抗剪连接件

六、施工图设计（详见图纸）

设计内力米用:

M=-180.66KN*M,N=-104.12KN（使螺栓受压），Q=-58.59KN

（A）柱脚底板面积的确定

b=b0+2t+2c=3OO+28+2^（20~50）=364~416mm,取b=400mm；h=h0+2t+2c=6OO+28+2>（20~50）=664~714mm,取h=700mm；验算底板下混凝土的轴心抗压强度设计值：

基础采用C25混凝土，fc=11.9N/mm2*,锚栓采用4M20。

3

10412=<1032冉2

匚=0.371N/mm:

:

cfc=11.9N/mm

400700

（B）底板厚度计算：

M=1fc2=0.50.3712002=7420Nmm

2

t'6274；20""mm，因此采用t=20mm

（C）抗剪连接件计算