轻型门式刚架钢结构设计计算书.doc

***建筑工程学院
课程设计任务书

建筑工程学院系 院（系） 土木工程 专业

设计题目 轻型门式刚架钢结构设计

设计编号

学生姓名 *** 班级 土木工程2006
指导教师 *** 职称 ***
学科负责人 2009年06月 日审查

1 课程设计目的
（1）掌握轻型门式刚架钢结构厂房屋盖系统结构布置的方法；
（2）能综合运用有关力学和钢结构知识，对刚架主体结构及次结构进行内力分析、截面设计和节点设计；
（3）掌握钢结构施工图的绘制方法；
（4）学会编制材料表。
2 基本设计资料
台州某地欲建一轻钢厂房，拟采用结构为单跨双坡门式刚架，共12榀。其设计资料如下
（1）车间柱网布置【分16组】
柱距： 6m，7m，8m，9m
跨度： 18m，24m，30m，33m
（2）檐口高度（分2组）： 【A】 6m 【B】 8m
（3）屋面坡度：1/10
（4）屋面、墙面材料： 彩色压型钢板，内填充50mm厚保温玻璃棉板，PVC铝箔及不锈钢丝网；檩条及墙梁均采用冷弯薄壁卷边C型钢，间距1.5m。
（5）荷载：
1）屋盖永久荷载标准值：
彩色压型钢板： 0.15kN/m2
50mm厚保温玻璃棉板: 0.05kN/m2
PVC铝箔及不锈钢丝网: 0.02kN/m2
檩条及支撑： 0.10kN/m2
刚架斜梁自重： 0.15kN/m2
悬挂设备： 0.20kN/m2
2）屋面活载标准值：（分2组）
【a】计算刚架时为0.3 kN/m2，计算檩条时为0.5 kN/m2
【b】计算刚架时为0.48 kN/m2，计算檩条时为0.8 kN/m2
3）风载、雪载：台州市
4）轻质墙面及柱自重：0.50 kN/m2
（6）材料： 钢材：Q235B
焊材：自动焊或 E43 型焊条的手工焊
高强度螺栓： 10.9 级摩擦型高强度螺栓，摩擦面采用喷砂后涂无机富锌漆处理
3 设计任务与要求
3.1 计算书
3.3.1计算书内容要求
完成计算书一份，内容包括以下部分：

（1）选题：柱距—跨度—面活载；檐口高度—屋
（2）结构布置：钢柱平面布置图、屋面和檩条平面布置图、横向刚架立面、纵向框架立面布置图；
（3）结构分析：荷载计算、荷载组合、典型组合下的内力计算和变形计算（机算，结构力学求解器）；
（4）主刚架设计：框架梁设计（一个区段）；
框架柱（边柱或中柱任选一）；
节点（梁柱连接或梁梁连接任选一）；
（5）次结构设计：檩条或墙梁设计，任选一；
柱间支撑设计及其连接；
柱脚节点设计
【注】：必须在正文开头部分将个人选题情况介绍清楚
3.3.2计算书格式要求
计算书必须打印，格式要求如下：
大标题，2号黑体，居中
正文中一级标题，4号黑体；二级标题，小4号黑体；三级标题，小4黑体；左对齐
正文具体内容：5号宋体； 1.5倍行距；上、下、左、右页边距均为2.0cm。
正文必须标注页码，位置为页脚居中，并在目录中注明并对应。
3.3.3计算书装订要求
按先后次序依次为：
1、封面(全班统一格式，但必须将个人的设计选题编号填写清楚! 附件2)
2、课程设计成绩评定表（附件3）
3、课程设计任务书（拷贝教师下达的任务书，但任务书封面必须填写个人的设计选题编号！）
4、计算书正文
5、参考文献
3.2施工图
（1）绘制刚架结构施工图2张；
（2）图纸规格：1号图纸（594mm×841mm）；
（3）图面内容：
结构布置图：钢柱平面布置图；屋面和檩条平面布置图；横向刚架立面；纵向框架立面布置图；
施工详图：梁、柱施工详图；柱头、柱脚、拼接节点施工详图；檩条或墙梁、拉条施工详图；柱间支撑及其连接施工详图；材料表
（4）作图要求：计算机绘图。图面布置合理；文字规范；线条清楚，符合制图标准；达到施工图要求。标题栏（见附件3）。
设计完成后，图纸应叠成计算书一般大小，与计算书装订后，装入档案袋上交。
3.3设计时间

在房屋钢结构设计课程中，讲解门刚厂房一章时即可开始选题设计。
3.4课程设计选题
见附件1，分组名单
3.5 几点说明
1、每位同学务必按分组要求做，并在计算书、设计图纸中注明设计编号；
2、 计算书可参考课程设计指导书，以及教材中例题；
3、 课程设计成绩单列，不计入房屋钢结构设计课程成绩内；
4、 如发现互相抄袭或拷贝者，均按零分记。

目  录
一、设计资料  …………………………………………………………（2）
二、结构平面柱网及支撑布置…………………………………（3）
三、荷载计算……………………………………………………………（4）
四、内力计算……………………………………………………………（7）
五、内力组合……………………………………………………………（9）
六、截面验算……………………………………………………………（11）
七、节点设计…………………………………………………………… (16)
八、柱间支撑的设计…………………………………………………（18）
九、檩条的设计…………………………………………………………（19）

门式刚架厂房设计

一、设计资料
台州某地欲建一轻钢厂房，拟采用结构为单跨双坡门式刚架，共12榀。其设计资料如下
（1） 车间柱网布置
柱距： 9m
跨度： 30m
（2）檐口高度：8m
（3）屋面坡度：1/10
（4）屋面、墙面材料： 彩色压型钢板，内填充50mm厚保温玻璃棉板，PVC铝箔及不锈钢丝网；檩条及墙梁均采用冷弯薄壁卷边C型钢，间距1.5m。
（5）荷载：
1）屋盖永久荷载标准值：
彩色压型钢板： 0.15kN/m2
50mm厚保温玻璃棉板: 0.05kN/m2
PVC铝箔及不锈钢丝网: 0.02kN/m2
檩条及支撑： 0.10kN/m2
刚架斜梁自重： 0.15kN/m2
悬挂设备： 0.20kN/m2
2）屋面活载标准值：（分2组）
计算刚架时为0.48 kN/m2，计算檩条时为0.8 kN/m2
3）风载、雪载：台州市,地面粗糙类别B类
4）轻质墙面及柱自重：0.50 kN/m2
（6）材料： 钢材：Q235B
焊材：自动焊或 E43 型焊条的手工焊
高强度螺栓： 10.9 级摩擦型高强度螺栓，摩擦面采用喷砂后涂无机富锌漆处理

二、结构平面柱网及支撑布置
该厂房长度99m，跨度30m，柱距9m，共有12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，因此在厂房第二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；
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，因此柱间支撑不用分层布置。
（布置图详见施工图）

三、荷载的计算
1、计算模型选取
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8m，考虑到檩条和梁截面自身高度，近似取柱高为7.7m；屋面坡度为1：10。
因此得到刚架计算模型：

2.荷载取值

1．屋盖永久荷载标准值（对水平投影面）
YX51-380-760型彩色压型钢板 0.15 KN/m2
50mm厚保温玻璃棉板 0.05 KN/m2
PVC铝箔及不锈钢丝网 0.02 KN/m2
檩条及支撑 0.10 KN/m2
刚架斜梁自重 0.15 KN/m2
悬挂设备 0.20 KN/m2
合计 0.67 KN/m2
2．屋面可变荷载标准值
屋面活荷载：计算刚架时为0.48 kN/m2，计算檩条时为0.8 kN/m2
雪荷载：基本雪压S0=0.30 KN/m2。对于单跨双坡屋面，屋面坡角
α=5°42′38″，μr=1.0，雪荷载标准值Sk=μrS0=0.35 KN/m2。
取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.50 KN/m2，不考虑积灰荷载。
3．轻质墙面及柱自重标准值（包括柱、墙骨架等）0.50 KN/m2
4．风荷载标准值
按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002附录A的规定计算。
基本风压ω0=0.55 KN/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，μz=1.0。风荷载体型系数μs：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＋0.55和－0.65(CECS102：2002中间区)。

3.刚架荷载计算
（1）屋面荷载：
标准值：
柱身恒载：

（2）屋面活载
屋面雪荷载小于屋面活荷载，取活荷载

（3）风荷载
（地面粗糙度类）

荷载如下图：

四.内力计算：
1、截面形式及尺寸初选：
梁柱都采用焊接的H型钢

截面
截面名称
长度
面积

mm

mm
柱

7700
14906
1507.19
376.8
54.06
36

317.4

60.6
梁

15075
13808
1639.8
385.8
54.06
36

344.6

62.5

柱梁2、截面内力：
根据各个计算简图，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：
计算项目
计算简图及内力值(M、N、Q)
备注

恒
载
作
用

恒载下弯矩

恒载下剪力图

恒载下轴力

弯矩图

剪力图“+”
→

轴力图(拉为正，压为负)

活
荷
载
作
用

活荷载(标准值) 弯矩图

弯矩图

活
荷
载
作
用

活荷载(标准值)剪力图

活荷载(标准值)轴力图

剪力图“+”
→

轴力图(拉为正，压为负)

风
荷
载
作
用

风荷载(标准值)弯矩图
.
风荷载(标准值)剪力图

风荷载(标准值)轴力图

弯矩图

剪力图“+”
→

轴力图(拉为正，压为负)
五、 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)
按承载能力极限状态进行内力分析，需要进行以下可能的组合：
① 1.2×恒载效应+1.4×活载效应
② 1.2×恒载效应+1.4×风载效应
③ 1.2×恒载效应+1.4×0.85×{活载效应+风载效应}
取四个控制截面：如下图：

各情况作用下的截面内力
截面
内力
恒载
活载
左风

Ⅰ－Ⅰ

0
0
0

-125.55
-64.8
70.94

-47.43
-33.81
42.7

Ⅱ－Ⅱ

-365.21
-260.35
292.02

-56.24
-64.80
70.94

-47.43
-33.81
33.15

Ⅲ－Ⅲ

-365.21
-260.35
292.02

-50.90
-40.09
40.05

85.73
61.11
-67.29

Ⅳ－Ⅳ

245.69
175.15
-165.4

-47.19
-33.64
40.05

-4.72
-3.36
0.75
内力组合值
截面
内力

Ⅰ－Ⅰ

0
0
0

-241.38
-51.34
-143.35

-104.25
-2.82
-46.34

Ⅱ－Ⅱ

-802.74
-29.42
-400.56

-1583.21
-31.83
-60.18

-104.25
-10.51
-57.7

Ⅲ－Ⅲ

-802.74
-29.42
-400.56

-117.21
-5.01
-61.13

188.43
8.67
95.52

Ⅳ－Ⅳ

540.04
63.27
306.43

-103.72
-0.56
-49.00

-10.37
-4.61
-8.77
六、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)
③ Nmax与相应的M，V(以最大轴力控制)
④ Nmin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
2-2截面的控制内力为
3-3截面的控制内力为
4-4截面的控制内力为
1、刚架柱验算：取2-2截面内力
平面内长度计算系数：
，

⑴ 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
（满足要求）
② 柱腹板
（满足要求）
（2）柱有效截面特征

：、

2、刚架梁验算：取3-3截面内力

⑴ 局部稳定验算
③ 梁翼缘
（满足要求）
④ 梁腹板

（满足要求）
（2）梁有效截面特征

3、位移验算：
（1）柱顶水平位移验算：

柱梁

（2）横梁扰度验算：
，位移图如下：

七、节点设计：
1、梁柱节点设计：
梁柱节点形式见下图：
连接处选用如下组合内力值：

采用如下图所示的连接形式。

梁柱连接节点示意图

螺栓群布置如图

梁柱连接节点螺栓群布置图

2、柱脚设计：

柱脚节点见下图：

设计内力采用：
基础混凝土抗压承载力 ,底面面积
地脚锚栓选用采用钢
底板剪力
按一边支承计算弯矩
按三边支承计算弯矩,,查表得

柱脚底板厚度为取
抗剪承载力故需设抗剪键
抗剪键所需承载力面积为
取长度为100mm的角钢705其承载面积为A=70100=7000

八、柱间支撑的设计

柱间支撑为斜杆，采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑。直杆用檩条兼用，因檩条留
有一定的应力裕量，根据经验及类似工程，不再作压弯杆件的刚度及承载力验算。
柱间支撑荷载及内力：
作用于两侧山墙顶部节点的风荷载为（山墙高度取9.65m）：
风压高度变化系数1.0，风荷载体型系数0.9
风荷载设计值:ω=1.4×1.0×0.9×0.55=0.693KN/m
按一半山墙面作用风载的1/4考虑节点荷载标准值为：
单片柱间支撑柱顶风荷载集中力Fw=1/4×0.693×8×30=41.58KN
斜杆拉力设计值N=41.58/cos40.5°=54.72KN
考虑拉杆的预加张力作用,在拉杆设计值中留出20%的余量,刚杆设计值为
N=1.2×54.72=65.66KN
斜杆截面设计及强度验算
斜杆选用φ20圆钢，A=314.2mm2
强度验算：N/A=65660N/314.2mm2<f= 208.98N/mm2满足要求
刚度验算：张紧的圆钢不需要考虑长细比的要求。
九、檩条的设计

1、基本资料
檩条选用冷弯薄壁卷槽形钢，按单跨简支构件设计。屋面坡度1/10，檩条跨度9m，于跨中设一道拉条，水平檩距1.5m。材质为钢材Q235。
2、荷载及内力
考虑永久荷载与屋面活荷载的组合为控制效应。
恒载设计值：=1.2×0.22×1.5=0.396KN/m
活载设计值：=1.4×0.8×1.5=1.68KN/m
q=+=2.076KN/m
qx=qsinα=0.0.2KN/m，=qcosα=2.06KN/m；
弯距设计值：
Mx=qyl2/8=2.06×92/8=20.86KN·m
My=-qxl2/90=-0.2×92/90=0.18KN·m
3、截面选择及截面特性
(1)截面选取
选用C250×100×20×4
Ix=1846.55cm4，Wx=147.72cm3，ix=9.86cm；
Iy=233.58cm4，Wymax=81.29cm3，Wymin=32.77cm3，iy=3.5cm，χ0=2.87cm，Iw =2634421786
It=9745mm4
先按毛截面计算的截面应力为：
（压）
（压）
（拉）
(2)受压板件的稳定系数
A．腹板

腹板为加劲板件，ψ=σmin/σmax=－143.43/146.71=－0.978>－1，
k=7.8－6.29ψ+9.78ψ2=23.306
B．上翼缘板
上翼缘板为最大压力作用于部分加劲板件的支承边，
ψ=σmin/σmax=139.001/146.71=0.947>－1，
kc=5.89－11.59ψ+6.68ψ2=0.901
(3)受压板件的有效宽度
A．腹板
k=23.306，kc=0.901，b=250mm，c=100mm，t=4mm，σmax=146.71N/mm2

板组约束系数k1=0.11+0.93/(ξ－0.05)2=0.346

由于ψ=σmin/σmax<0，取α=1.15，
bc=b/(1－ψ)=250/(1+0.978)=126.39mm
b/t=250/4=62.5
18αρ=18×1.15×3.357=69.49
所以18αρ>b/t
则截面有效宽度
be==126.39mm
be1=0.4be=0.4×126.39=50.556mm，be2=0.6be=0.6×126.39=75.834mm
B．上翼缘板
k=0.901，kc=23.306，b=100mm，c=250mm，σmax=146.71N/mm2

板组约束系数

由于ψ=σmin/σmax>0，则α=1.15－0.15ψ=1.15－0.15×0.901=1.008，
bc=b=100mm，b/t=100/4=25
18αρ=18×1.008×1.339=24.29，38αρ=38×1.008×1.339=59.05
所以18αρ<b/t<38αρ
则截面有效宽度

be1=0.4be=0.4×98.49=39.396mm，be2=0.6be=0.6×98.49=59.094mm
C．下翼缘板

下翼缘板全截面受拉，全部有效。
(4)有效净截面模量
上翼缘板的扣除面积宽度为：100－98.49=1.51mm；
腹板全部有效，同时在腹板的计算截面有一φ13拉条连接孔（距上翼缘板边缘45mm），所以腹板的扣 除面积按φ13计算。有效净截面模量为：

4、强度计算
按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑：

.

5、稳定性计算
檩条计算长度=0.33×9000=2970mm
檩条弯矩作用平面外的长细比
查表得

故

则
满足要求

6、檩条构造以及变形计算
A、长细比计算
强轴平面内计算长度为=9000mm
强轴平面外计算长度为=0.33×9000=2970mm
檩条弯矩作用平面内的长细比,满足要求!
檩条弯矩作用平面外的长细比,满足要求!
B、在恒载、活载、雪载作用下的变形计算
线荷载标准值为:

,挠度满足要求!
C、在恒载、风载作用下的变形计算
线荷载标准值为:

,挠度满足要求!
十、施工图见图纸