m轻型门式钢架设计计算书.docx

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轻型门式刚架厂房主体结构设计

计算书

目录

一，设计资料…………………………………………………………..3

二，钢架布置简图…………………………………………………..3

三，荷载简图和计算………………………………………………4

（1）荷载简图……………………………………………………4

（2）荷载计算……………………………………………………5

四，内力分析与组合………………………………………………6

（1）内力计算和组合………………………………………6

（2）控制截面的确定………………………………………12

五，钢架设计…………………………………………………………12

（1）截面设计……………………………………………………12

（2）构件验算……………………………………………………13

1.构件宽厚比验算

2.钢架柱验算

3.钢架梁验算

4.钢架位移计算

（3）节点设计……………………………………………………..22

1.梁柱连接节点设计

2.横梁跨中节点设计

（3）柱脚设计………………………………………………………29

一，设计资料

一单层厂房采用单跨双坡轻型门式钢架，柱距6m,长度60m,钢架檐口高度H=6m,钢架跨度为36m,钢架为等截面的梁和柱，屋面坡度取1/10.屋面和墙面均采用彩色钢板，保温层，檩条或墙梁，檩条和墙梁均采用冷弯薄壁卷边C型钢，间距均为1.45m，材料采用Q235钢材，焊条采用E43型。

恒载：

彩色钢板0.25KN/m2

保温层 0.4KN/m2

檩条 0.05KN/m2

活载：

屋面活载和雪载0.3KN/m2

风荷载 0.4KN/m2

地震：

由于轻型门式钢架自重较轻，地震作用产生的荷载效应一般很小，本建筑为一般性建筑，不考虑地震作用。

二，钢架布置简图

该厂房长度60m,跨度36m，共有11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，

檩条间距为1.45m,墙梁间距1.5m。

A

C

1:

10

B

36000

6000

1

2

3

4

5

（1）

（2）

（3）

（4）

钢架立面简图

三，荷载简图和计算

（1），荷载简图

恒载作用

27000

4.2

4.2

4.2

4.2

36000

6000

1

2

3

4

5

（1）

（2）

（3）

（4）

活荷载作用

3.0

3.0

36000

6000

1

2

3

4

5

（1）

（2）

（3）

（4）

风荷载作用

qw2=2.22

qw4=1.443

qw1=0.555

qw3=1.221

36000

6000

1

2

3

4

5

（1）

（2）

（3）

（4）

取左风为例计算，右风同理计算（地面粗糙度为B类）

（2）荷载计算

已知

恒载

彩色钢板

保温层

檩条

0.25KN/m2

0.4KN/m2

0.05KN/m2

活载

活载和雪载

风荷载

0.3KN/m2

0.4KN/m2

各荷载标准值计算

屋面

恒荷载标准值

4.2KN/m2

活荷载标准值

3.0KN/m2

柱荷载

柱身荷载（墙重）

4.2KN/m2

风荷载

迎风面

柱上qw1

0.555KN/m2

横梁上qw2

2.22KN/m2

背风面

柱上qw3

1.221KN/m2

横梁上qw4

1.443KN/m2

附风载体型系数

迎风柱

0.25

迎风屋面

-1.00

背风屋面

-0.65

背风柱

-0.55

四，内力分析与组合

（1）内力计算与组合

根据各个计算简图，使用结构力学求解器计算，得结构在各种荷载作用下的内力图如下：

恒载作用

恒载下弯矩图（单位KN∙m）

恒载下剪力图（单位KN）

恒载下轴力图（单位KN）

活载下弯矩图（单位KN∙m）

活载下剪力图（单位KN）

活载下轴力图（单位KN）

风荷载下弯矩图（单位KN∙m）

风荷载下剪力图（单位KN）

风荷载下轴力图（单位KN）

此设计只考虑全部荷载同时作用的一种情况，即：

1.2×恒载+1.4×0.9×（活载+风载）

各种情况下控制截面的内力

截面

内力

恒载

活载

左风

组合值

柱上A

M

0

0

0

0

Q

-61.24

-43.75

29.25

-91.76

N

-90.63

-49.75

33.87

-128.76

柱上B

M

-306.20

-218.76

139.3

-467.56

Q

-61.24

-43.75

26.47

-95.26

N

-69.63

-49.75

33.87

-103.56

梁上B

M

-306.20

-218.76

139.3

-467.56

Q

63.19

45.15

-31.07

93.57

N

-67.86

-48.49

29.71

-105.09

梁上C

M

167.20

119.46

-70.67

262.12

Q

-6.09

-4.35

5.74

-5.56

N

-60.94

-43.54

29.71

-90.55

（2）控制截面确定

C

B

A

A

取控制截面为上图的A，B，C三处共四个截面：

柱上A，柱上B，梁上B，梁上C。

五，钢架设计

（1）截面设计

初选梁柱截面均采用焊接工字钢600×300×6×12，具体尺寸和截面信息见下图表：

梁、柱截面形式和尺寸

截面名称

面积

Ix

Iy

Wx

Wy

ix

iy

mm2

mm4

mm4

mm3

mm3

mm

mm

H600×300×6×12

10656

71797.7×104

5401×104

2393.3×103

360.1×103

259.6

71.2

（2构件验算

1.构件宽厚比验算

翼缘部分b1t=300-6212=12.3<15235fy=15

腹板部分hwtw=5766=96<250235fy=250

满足要求

2.钢架柱验算

因为梁，柱是等截面的，因此高度变化率<60mm/m的条件。

所以考虑板件屈曲后的强度，腹板抗剪承载力按下式计算

Vd=hwtwfv'

梁柱都不设横向加劲肋

kτ=5.34hw=576mmtw=6mm

λw=hwtw37235fykτ=5766375.34235235=1.12

因为0.8<λw<1.4

fv'=1-0.64λw-0.8fv

=1-0.641.12-0.8×125=99.4Nmm2

柱上A截面

强度验算

因为柱上A截面只存在轴力和剪力，分别验算截面的正应力和剪应力M=0KN∙mV=-91.76KNN=-128.76KN

a.正应力验算

σ1=NA=12876010656=12.08Nmm2

弯矩为0，故截面边缘正应力比值β=1.0

用γRσ1代替公式λρ=hwtw28.1kσ235fy

γRσ1=1.1×12.08=13.29Nmm2

kσ=161+β2+0.1121-β2+1+β

=4.0

λρ=hwtw28.1kσ235fy=576628.1×223513.29=0.41

因为λρ<0.8，ρ=1

柱上A截面全部有效

σ1=NA=12876010656=12.08Nmm2

b.剪应力验算

V1=91.76

经验算柱上A截面强度满足要求

柱上B截面

柱上B截面受到压弯作用

M=-467.56KN∙mV=-95.26KNN=-103.56KN

a.正应力验算

σ1=NA+MW=10356010656+467.56×1062393.3×103=205.08Nmm2

σ2=NA-MW=10356010656-467.56×1062393.3×103=-185.64Nmm2

故截面边缘正应力比值

β=σ2σ1=-185.64205.08=-0.91

因为σ1

γRσ1=1.1×205.08=225.59KNmm2

kσ=161+β2+0.1121-β2+1+β=21.75

λρ=hwtw28.1kσ235fy=576628.1×21.75235225.59=0.72

因为λρ<0.8，ρ=1，所以柱上B截面全部有效

柱上B截受剪力，弯矩，轴力共同作用

V1=95.26<0.5×576×6×99.4=171.76KN

所以采用下列公式进行强度验算

MeN=Me-NWeAe=f-NAeWe=215-103.56×10310656×2393.3×103=491.3KN∙m>M=467.56KN∙m

经验算柱上B截面强度满足要求

b.剪应力验算

V1=95.26

整体稳定验算

a.平面内稳定验算

钢架柱高5000mm,梁长2X16582=33164

柱线刚度k1=Ich梁线刚度k2=Ib2ψs

Ic=IbK1=k2k1=50002×16582=0.15

K2=0.1（采用平板支座）

查表得μ=2.635

lox=μh=5000×2.635=13175mm

λx=13175259.6=50.75<λ=150

平面内稳定

λx=50.75查表b类截面得φx=0.853

NEx'=π2EA1.1λ2=π2×2.06×1051.1×50.752=7647.09KN,有侧移，

故βmx=1.0

NφxA+βmxM1-NNEx'φxWe=212.37Nmm2

满足要求

b.平面外整体稳定验算

考虑到墙面压型钢板与墙梁紧密连接，起到应力蒙皮作用，与柱相连的墙梁可作为柱平面外的支撑点，计算时，为了安全起见，计算长度按两个墙梁间距或隅撑间距考虑。

loy=3000mm

λy=loyiy=300071.2=42.13查表B类截面φy=0.89

对等截面构件

γ=0，μs=μw=1,λy=42.13

φby=4320λy2A0h0wx0μsμw2+λyot04.4h02235fy=432042.13210656×6002393.3×1031+42.13×124.4×6002

=3.13>0.6

用φby‘代替φbyφby‘=1.07-0.2823.13=0.98<1

βt=1-NNEx0'+0.75NNEx0'2=1-128.767647.09+0.75128.767647.092=0.98

N0φyAe0+βtM1φbywe1=128.76×1030.89×10656+0.98×467.56×1060.98×2393.3×103=208.94Nmm2

3.钢架梁验算

因为梁，柱是等截面的，因此高度变化率<60mm/m的条件。

所以考虑板件屈曲后的强度，腹板抗剪承载力按下式计算

Vd=hwtwfv'

梁柱都不设横向加劲肋

kτ=5.34hw=576mmtw=6mm

λw=hwtw37235fykτ=5766375.34235235=1.12

因为0.8<λw<1.4

fv'=1-0.64λw-0.8fv

=1-0.641.12-0.8×125=99.4Nmm2

梁上B截面

强度验算

因为梁上B截面存在轴力，剪力，弯矩

M=467.56KN∙mV=93.57KNN=105.09KN

a.正应力验算

σ1=NA+MW=10509010656+467.56×1062393.3×103=205.22Nmm2

σ2=NA-MW=10509010656-467.56×1062393.3×103=-185.50Nmm2

故截面边缘正应力比值

β=σ2σ1=-185.50205.22=-0.90

因为σ1

γRσ1=1.1×205.22=225.74KNmm2

kσ=161+β2+0.1121-β2+1+β=22.31

λρ=hwtw28.1kσ235fy=576628.1×22.31235225.74=0.71

因为λρ<0.8，ρ=1，所以梁上B截面全部有效

梁上B截受剪力，弯矩，轴力共同作用

V1=93.57<0.5×576×6×99.4=171.76KN

所以采用下列公式进行强度验算

MeN=Me-NWeAe=f-NAeWe=215-105.09×10310656×2393.3×103=490.96KN∙m>M=467.56KN∙m

经验算梁上B截面强度满足要求

b.剪应力验算

V1=93.57KN

梁上C截面

强度验算

因为梁上C截面存在轴力，剪力，弯矩

M=262.12KN∙mV=-5.56KNN=-90.55KN

a.正应力验算

σ1=NA+MW=9055010656+262.12×1062393.3×103=118.02Nmm2

σ2=NA-MW=9055010656-262.12×1062393.3×103=-101.02Nmm2

故截面边缘正应力比值

β=σ2σ1=-101.02118.02=-0.86

因为σ1

γRσ1=1.1×118.02=129.82KNmm2

kσ=161+β2+0.1121-β2+1+β=20.56

λρ=hwtw28.1kσ235fy=576628.1×20.56235129.82=0.56

因为λρ<0.8，ρ=1，所以梁上C截面全部有效

梁上C截面受剪力，弯矩，轴力共同作用

V1=5.56KN<0.5×576×6×99.4=171.76KN

所以采用下列公式进行强度验算

MeN=Me-NWeAe=f-NAeWe=215-90.55×10310656×2393.3×103=494.22KN∙m>M=262.12KN∙m

经验算梁上C截面强度满足要求

b.剪应力验算

V1=5.56KN

钢架梁整体稳定验算

a.根据规定，在钢架梁平面内可按压弯构件计算其强度，平面内无需验算稳定

b.平面外的稳定验算

考虑到屋面压型钢板与檩条紧密连接，檩条可作为钢架梁平面外的支撑点，计算时为安全考虑，取ly=3000mm

λy=loyiy=300071.2=42.13查表B类截面φy=0.89

λy<120235fy=120βtx=1.0

φby=1.07-λy244000fy235=1.03>0.6

φby‘代替φbyφby‘=1.07-0.2821.03=0.8<1

N0φyAe0+βtM1φbywe1=90.55×1030.89×10656+1×262.11×1060.8×2393.3×103=146.45Nmm2

满足要求

4.钢架位移验算

钢架在风荷载作用下的侧位移

由于钢架坡度不大于1:

5，钢架侧位移可按μ=Hh312EIc2+ε1

计算。

受力简图见下图

w=0.555+1.221×5=8.88KN

H=0.67×8.88=5.95KN

ε1=IcLIbh=Lh=335=6.6

μ=Hh312EIc2+ε1=3.61mm

满足要求

（3）节点设计

1.梁柱连接节点设计

梁柱节点连接采用端板竖放的连接形式，连接处内力

M=467.56KN∙mV=93.57KNN=105.09KN

连接如图

梁柱连接节点示意图

（1）

螺栓布置图

（2）

采用10.9级摩擦型高强度螺栓连接，连接表面采用喷砂的处理方法，摩擦面的抗滑移系数，预拉力，则每个螺栓的抗剪承载力为：

初步采用8个高强度螺栓。

螺栓群的布置如图

螺栓验算

假定中和轴位于节点板中心处，不考虑压力的有利作用，计算最大拉力，并按照此拉力配置螺栓，则顶排螺栓的拉力最大

Nmax=My1yi2=467.56×103×476.54×114.52+476.52=231.92KN<0.8P=0.8×355=284KN

抗拉满足要求。

第二排螺栓：

N2=My1yi2=467.56×103×114.54×114.52+476.52=55.73KN

第三排螺栓：

，取

第四排螺栓：

，取

螺栓群的抗剪承载力

Nv=0.9nfμP-1.25Nu

=0.9×1.0×0.45×2×355-1.25×231.92+355-1.25×55.73+355×2

=868.35KN>V=93.57KN

抗剪满足要求

端板厚度

端板厚度t根据支承条件计算确定。

在本例中有两种计算类型：

两边支承类端板（端板外伸）和两边支承类端板（端板平齐），分别按照协会规程中相应的公式计算各个板区的厚度值，然后取最大的板厚作为最终值。

a、两边支承类端板（端板外伸）：

ef=175mm,ew=67mm,Nt=231.92KN,b=300mm,f=215

t≥6efewNtewb+2efew+eff=6×175×67×231920215×67×300+2×175×67+175=26.91mm

b、两边支承类端板（端板平齐）：

ef=175mm,ew=67mm,Nt=55.73KN,b=300mm,f=215

t≥12efewNtewb+4efew+eff=12×175×67×55730215×67×300+4×175×67+175=13.87mm

综上所得结果可取端板厚度为t＝32mm

节点域验算

斜梁与柱相交的节点域的剪力验算：

节点域是指弯剪共同作用下应力情况比较复杂的节点区域。

节点域板件的国度变形会影响节点刚度，从而降低计算模型的准确性，对构件强度和结构变形造成不利的影响；未经加强的节点域板件在复杂应力下甚至会发生破坏。

一般通过增加节点域加劲板或额外增加该区域板件厚度来加强节点域承载能力，轻钢规程CECS102推荐采用下面公式进行节点域验算：

τ=Mdbdctc=467.56×106600×600×6=216.46Nmm2>120Nmm2

节点域剪应力不满足轻钢规程CECS102要求，应设置斜加劲肋，加劲肋厚度采用t=12mm的钢板，如图

（1）所示。

在端板设置螺栓处，应按照轻钢规程CECS102第7.2.11条的规定验算构件腹板的强度。

采用翼缘内第二排一个螺栓的拉力设计值：

因为，所以

因此，构件腹板的强度满足要求。

刚架构件的翼缘和腹板与端板的连接

刚架构件的翼缘和腹板与端板的连接，应采用全熔透对接焊缝，坡口形式应符合现行国家标准《手工电弧焊焊接接头的基本型式与尺寸》GB985的规定。

斜梁与斜梁的拼接节点设计

采用以下图的连接方式计算。

（1）节点连接方式：

节点采用M20（10.9级）高强度摩擦型高强螺栓连接，构件接触采用喷砂，摩擦面抗滑移系数u=0.45，每个高强度螺栓的预拉力P=225KN（查《钢结构设计手册》，表4-12）。

（2）节点内力：

M=354.2，N=78KN，Q=85KN。

（3）螺栓杆轴方向受拉受剪验算：

（4）端板厚度计算：

a）伸臂类端板：

；

b）两边支承类端板：

当端板外伸时，；

当端板平齐时，；

故，取端板厚度t=20mm。

2.梁梁节点设计

梁梁拼接节点连接形式如图（3）所示，连接处选用如下组合内力值：

M=262.12KN∙mV=5.56KNN=90.55KN

采用级摩擦型高强度螺栓连接，连接表面采用喷砂的处理方法，摩擦面的抗滑移系数，预拉力，则每个螺栓的抗剪承载力为：

初步采用8个高强度螺栓。

螺栓群的布置如图（4）所示。

梁梁连接节点示意图（3）

螺栓布置图（4）

螺栓验算

假定中和轴位于节点板中心处，不考虑压力的有利作用，计算最大拉力，并按照此拉力配置螺栓，则顶排螺栓的拉力最大

Nmax=My1yi2=262.12×103×476.54×114.52+476.52=130.02KN<0.8P=0.8×190=152KN

抗拉满足要求。

第二排螺栓：

N2=My1yi2=262.12×103×114.54×114.52+476.52=31.24KN

第三排螺栓：

，取

第四排螺栓：

，取

螺栓群的抗剪承载力

Nv=0.9nfμP-1.25Nu

=0.9×1.0×0.45×2×190-1.25×130.02+190-1.25×31.243+190×2

=452.32KN>V=5.56KN

抗剪满足要求

端板厚度

端板厚度t根据支承条件计算确定。

在本例中有两种计算类型：

两边支承类端板（端板外伸）和两边支承类端板（端板平齐），分别按照协会规程中相应的公式计算各个板区的厚度值，然后取最大的板厚作为最终值。

a、两边支承类端板（端板外伸）：

ef=175mm,ew=52mm,Nt=130.02KN,b=300mm,f=215

t≥6efewNtewb+2efew+eff=6×175×67×130020215×52×300+2×175×52+175=18.64mm

b、两边支承类端板（端板平齐）：

ef=175mm,ew=52mm,Nt=31.02KN,b=300mm,f=215

t≥12efewNtewb+4efew+eff=12×175×52×31240215×52×300+4×175×52+175=9.54mm

综上所得结果可取端板厚度为t＝22mm

刚架构件的翼缘和腹板与端板的连接

刚架构件的翼缘和腹板与端板的连接，应采用全熔透对接焊缝，坡口形式应符合现行国家标准《手工电弧焊焊接接头的基本型式与尺寸》GB985的规定。

（4）柱脚设计

按照计算假定，柱脚的形式为铰接，不能抵抗弯矩。

剪力由底板与混凝土之的摩擦力承担（若经过验算不满足，则需设置抗剪键）。

柱脚的形式如图（5）所示，采用四个锚栓与基础连接。

锚栓为，，。

基础砼标号。

基础底板设计采用如下荷载组合进行：

N=128.76KN，V=91.76KN

1.柱脚混凝土强度验算

计算受压混凝土面积为

则其单位应力

σ=NA=128760204000=0.63Nmm2

柱脚详图（5）

2.柱脚底板尺寸的确定

假定底板宽度

底板长度L=1BNfc+A0=1340×12876012.5+1256=33.99mm

取

3.柱脚底板