门式刚架设计论文.doc

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课程设计报告纸

TONGJI UNIVERSITY

《建筑钢结构课程设计》课程设计

课题名称
轻型门式钢架单层工业厂房
院 (系)
土木工程学院 建筑工程系
专 业
土木工程
姓 名

学 号

指导教师

日 期

目录:
第一章 基本设计资料……………………………………………………3
第二章 主钢架设计与计算………………………………………………4
第三章 节点设计…………………………………………………………7
第四章 屋面檩条的计算与布置…………………………………………13
第五章 屋面水平支撑及柱间支撑的设计………………………………24

第一章 基本设计资料
1.1设计题目

门式刚架设计

1.2设计资料

1．车间柱网布置要求
车间长度63m，跨度21m，柱距9m，檐高9m。
2．屋面坡度：1:10
3．屋面材料：夹芯板
4. 墙面材料：单层彩板或夹芯板
5. 天沟：彩板天沟或钢板天沟
6. 基础混凝土标号为C30

1.3荷载资料
恒载 0.25kN/m2
活载 0.5kN/m2
基本雪压 0.2kN/m2
基本风压 0.6kN/m2

3．材料选用
主刚架：Q345B
抗风柱、屋面支撑，柱间支撑等：Q235B
檩条、墙梁：Q235B

第二章 主刚架设计与计算

单元编号图
截面信息：

荷载组合：
(1) 1.20 恒载 + 1.40 活载工况1
(2) 1.20 恒载 + 1.40 风载工况2
(3) 1.20 恒载 + 1.40 风载工况3
(4) 1.20 恒载 + 1.40 活载工况1 + 1.40 x 0.60 风载工况2
(5) 1.20 恒载 + 1.40 活载工况1 + 1.40 x 0.60 风载工况3
(6) 1.20 恒载 + 1.40 x 0.70 活载工况1 + 1.40 风载工况2
(7) 1.20 恒载 + 1.40 x 0.70 活载工况1 + 1.40 风载工况3
(8) 1.00 恒载 + 1.40 风载工况2
(9) 1.00 恒载 + 1.40 风载工况3

最不利内力：

设计验算结果：
结构最大水平相对位移: 1/112
结构最大水平相对位移节点号: 2

结构最大竖向相对位移: 1/185
结构最大竖向相对位移节点号: 3
本工程有1种材料：
Q345弹性模量: 2.06*105N/mm2;泊松比: 0.30;线膨胀系数: 1.20*10-5;质量密度: 7850kg/m3.

第三章 节点设计
3.1梁梁节点设计
（I）斜梁间节点
a、节点形式：梁端与端板焊接，端板通过螺栓连接
b、材料特性：选用Q345B钢材（抗拉、抗压和抗弯强度 ，抗剪强度 ），弹性模量 。
c、连接节点处，梁端尺寸为，如图3-1。

（图3-1）
d、节点内力
根据3D3S计算所得的连接处内力，最不利组合为1.2恒+1.4活
相应内力为：轴力 ；剪力 ；弯矩
e、节点螺栓设计：
采用8个10.9级M20高强螺栓，通过端板连接。螺栓布置如图3-2所示。
接触面采用喷砂方式处理，查相关规范可得， ；每个高强螺栓预拉力 。
螺栓中心至腹板表面的距离 ；
螺栓中心至翼缘板表面距离 。
f、螺栓群验算
①螺栓受拉承载力验算
每个螺栓受拉承载力为
位于受拉翼缘最外侧螺栓受到的拉力为 ；满足要求。
②螺栓抗剪验算（只需验算受拉翼缘一侧）
受拉翼缘侧最外层每个螺栓所受拉力：
受拉翼缘侧第二层每个螺栓所受拉力：
故螺栓群抗剪承载力：
；满足要求。
g、端板厚度设计
根据图3-2中螺栓的分布情况及加劲肋的设置情况，端板有两类板：两边支承类端板、三边支承类端板。
对两边支承类端板（端板外伸）：
端板厚度
对三边支承类端板：
端板厚度
故取端板厚度 （图3-2）
h、腹板强度验算
由于腹板范围内仅设置了一排螺栓，故可不验算腹板强度。
（II）屋脊处梁梁节点
屋脊处两边梁做成一个整体，此处无节点。
3.2梁柱节点设计
a、节点形式
采用端板竖放的形式。
b、材料特性：选用Q345B钢材（抗拉、抗压和抗弯强度 ，抗剪强度 ），弹性模量 。
c、连接节点处，
梁端尺寸为，考虑到坡度的影响，梁端尺寸实际为如图3-5；柱端尺寸为，如图3-6。

（图3-5） （图3-6）
d、节点内力
根据3D3S计算所得的连接处内力，最不利组合为1.2恒+1.4活
相应内力为：轴力 ；剪力 ；弯矩
e、节点螺栓设计：
采用12个10.9级M24高强螺栓，通过端板连接。螺栓布置如图3-7所示。
接触面采用喷砂方式处理，查相关规范可得， ；每个高强螺栓预拉力 。
螺栓中心至腹板表面的距离 ；
螺栓中心至翼缘板表面距离 。
f、螺栓群验算
①螺栓受拉承载力验算
每个螺栓受拉承载力为
位于受拉翼缘最外侧螺栓受到的拉力为 ；满足要求。
②螺栓抗剪验算（只需验算受拉翼缘一侧）
受拉翼缘侧最外层每个螺栓所受拉力：
受拉翼缘侧第二层每个螺栓所受拉力：
受拉翼缘侧第三层每个螺栓所受拉力：
故螺栓群抗剪承载力：
；满足要求。
g、端板厚度设计
根据图3-7中螺栓的分布情况及加劲肋的设置情况，端板有两边支承类端板和三边支承类端板，取约束较弱的两边支承类端板计算。
对两边支承类端板（端板外伸）：
端板厚度
故取端板厚度 （图3-7）
h、腹板强度验算
翼缘内第二排一个螺栓的轴向拉力设计值
故： ；满足要求。
i、节点域剪应力验算
节点域宽度
节点域厚度
节点域高度
节点域剪应力
因此，满足节点域抗剪要求。

3.3柱脚设计
a、节点形式
柱脚与底板焊接，通过锚栓与基础相连。
b、材料特性：
Q235B钢材：屈服强度fy：235.0 MPa；抗拉强度设计值f：215.0 MPa；
抗剪强度设计值fv：120/125MPa(视直径而定)；
弹性模量E：206000.0 MPa 。
基础混凝土：强度等级：C30；抗压强度设计值fc：14.3MPa；抗拉强度设计值ft：1.43MPa 弹性模量E：
c、连接节点处，
柱脚尺寸为，如图3-8。

（图3-8）
d、节点内力
根据3D3S计算所得的连接处内力，最大压力对应的最不利组合为1.2恒+1.4活
相应内力为：轴力 ；剪力 ；弯矩
最大拔力对应的最不利组合为1.0恒+1.4风，并考虑柱间支撑的影响
相应的内力为：轴力
剪力
弯矩
e、柱脚设计
①锚栓选择
由于柱脚为铰接柱脚，故选用4M24的双螺母普通锚栓，锚栓布置如图3-9；底板锚栓孔直径26mm，锚栓孔面积

（图3-9）
②底板宽度确定
底板伸出部分宽度取；
故底板宽度
③底板长度确定
由于 ，实际取；满足要求。
⑤底板厚度确定
锚栓布置如图3-9所示，则底板有两类板：悬臂板及三边支承板。

对悬臂板：

对三边支承板：
；；故；
查表得：

故板厚
板厚取16mm。
⑥锚栓抗拔验算
锚栓直径 有效面积

锚栓满足抗拔力要求
⑦抗剪键
在抗拔最不利情况下，由于柱脚受拉力作用，没有摩擦力参与抗剪，故应设置抗剪键。

第四章 屋面檩条的计算与布置
4.1基本资料
①截面选择
檩条截面选用内卷边C型槽钢；
截面信息：截面高度；截面宽度；卷边宽度；檩条厚度。
②结构尺寸
檩条跨度：9m；檩条间距：1.5m；屋面坡度：1:10。
③材料特性
材料选用Q235B钢材；屈服强度；抗拉强度设计值； 抗剪强度设计值；弹性模量。
④荷载信息
恒载标准值： ；
活载标准值： ；
基本风压： ；
地面粗糙度类别：；
屋脊标高：；
⑤其他计算条件
檩条为简支檩条；拉条数量为2根；檩条端部连接孔数量为2个，连接孔直径为13.5mm；屋面板能阻止受压上翼缘侧向失稳，但不能阻止受压下翼缘侧向失稳。

4.2毛截面特性计算
①壁中线尺寸计算
截面高度；截面宽度；卷边宽度；檩条厚度；截面角点倒角半径；壁中线周长
②毛截面特性（查教材附表D-12-3）
截面面积；绕强轴的截面惯性矩；形心到腹板外边线的距离；绕弱轴的截面惯性矩；绕强轴回转半径；
绕弱轴回转半径；绕强轴的截面抗弯模量；绕弱轴的截面抗弯模量（腹板侧）；绕弱轴的截面抗弯模量（卷边侧）；
截面扭转惯性矩；截面翘曲惯性矩；剪心到形心的距离。

4.3“1.2恒+1.4活”组合下强度验算
①内力计算
恒载标准值：；
活载标准值：；
线荷载设计值：；
屋面倾角：；
沿强轴线荷载：；
沿弱轴线荷载：；
跨中截面：
绕强轴弯矩（下翼缘受拉为正）：
绕弱轴弯矩（腹板侧受拉为正）：
支座截面：
沿强轴剪力：；
②跨中截面按毛截面正应力（拉为正，压为负）计算
角点1的应力；
角点2的应力；
角点3的应力；
角点4的应力
③受压板件的有效宽度计算
a）计算板件的受压稳定系数k（压为正）
对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：
受压板件边缘的最大应力；受压板件另一边缘；压力分布不均匀系数；最大压应力作用位置为卷边一侧。
根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-4式：
受压板件的稳定系数；
对腹板（板件类型属于加劲板件）：
同理可得：；；；
根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-2式：
受压板件的稳定系数；
b）计算板组约束系数k1
对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：
计算板件的宽度；相邻板件的宽度；计算板件的受压稳定系数；相邻板件的受压稳定系数；
根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-3式：参数；
根据GB50018-2002中5.6.3-1式：；
对腹板（板件类型属于加劲板件）：
同理可得：；；；；；
根据GB50018-2002中5.6.3-2式：；
c）计算有效宽厚比be/t
对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：
受压板件最大压应力；
根据GB50018-2002中5.6.1可得：系数；；
板件宽厚比，故根据GB50018-2002中5.6.1-2式：有效宽度系数；
对腹板（板件类型属于加劲板件）：
同理可得：；；；；
故：；
d）计算板件的有效宽度
对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：
板件受压区宽度；板件受拉区宽度；受压板件的有效宽度；
根据GB50018-2002中5.6.5-3：；；
对腹板（板件类型属于加劲板件）：
根据GB50018-2002中5.6.1可得：；；受压板件的有效宽度；
根据GB50018-2002中5.6.5-2：；；
④有效截面特性
受压翼缘失效宽度；失效面积
腹板失效宽度；失效面积；
毛截面面积；有效截面面积；有效截面面积比率；
失效腹板到毛截面形心轴x-x轴的距离；
失效翼缘到毛截面形心轴y-y轴的距离；
近似认为移动后主轴与原主轴平行。
主轴x-x轴移动的距离（下移为正）；
主轴y-y轴移动的距离（右移为正）；
故：有效截面对xe-xe轴的截面惯性矩 ；有效截面对ye-ye轴的截面惯性矩 ；
有效截面模量（上翼缘边缘）；
有效截面模量（下翼缘边缘）；
有效截面模量（腹板一侧）；
有效截面模量（卷边一侧）；
⑤抗弯强度验算
角点1的应力；
角点2的应力；
角点3的应力；
角点4的应力；
截面最大正应力： 满足要求。
⑥抗剪强度验算
檩条端部腹板净截面；
剪应力 满足要求。
⑦构造要求
由于选用的是型钢，故不需要检验。

4.4“1.0恒+1.4风”组合作用下整体稳定验算
①风荷载计算
基本风压；根据门式钢架规程附录A，风压放大1.05倍。地面粗糙度为B类，又屋脊标高10.05m，故风压高度变化系数；
根据《门钢规程》附表A.0.2-2：风压体型系数；故风压标准值为。
②内力计算
恒载标准值；
风载标准值；
屋面倾角：；
沿强轴线荷载：；
沿弱轴线荷载：；
跨中截面：
绕强轴弯矩（下翼缘受拉为正）：
绕弱轴弯矩（腹板侧受拉为正）：
支座截面：
沿强轴剪力：；
③跨中截面按毛截面正应力（拉为正，压为负）计算
角点1的应力；
角点2的应力；
角点3的应力；
角点4的应力；
④受压板件的有效宽度计算
a）计算板件的受压稳定系数k（压为正）
对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：
受压板件边缘的最大应力；受压板件另一边缘；压力分布不均匀系数；最大压应力作用位置为卷边一侧。
根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-4式：
受压板件的稳定系数；
对腹板（板件类型属于加劲板件）：
同理可得：；；；
根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-2式：
受压板件的稳定系数；
b）计算板组约束系数k1
对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：
计算板件的宽度；相邻板件的宽度；计算板件的受压稳定系数；相邻板件的受压稳定系数；
根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-3式：参数；
根据GB50018-2002中5.6.3-1式：；
对腹板（板件类型属于加劲板件）：
同理可得：；；；；；
根据GB50018-2002中5.6.3-2式：；
c）计算有效宽厚比be/t
对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：
受压板件最大压应力；
根据GB50018-2002中5.6.1可得：系数；；
板件宽厚比，故根据GB50018-2002中5.6.1-2式：有效宽度系数；
对腹板（板件类型属于加劲板件）：
同理可得：；；；；
故：；
d）计算板件的有效宽度
对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：
板件受压区宽度；板件受拉区宽度；受压板件的有效宽度；
根据GB50018-2002中5.6.5-3：；；
对腹板（板件类型属于加劲板件）：
根据GB50018-2002中5.6.1可得：；；受压板件的有效宽度；
根据GB50018-2002中5.6.5-2：；；
⑤有效截面特性
受压翼缘失效宽度；失效面积
腹板失效宽度；失效面积；
毛截面面积；有效截面面积；有效截面面积比率；
失效腹板到毛截面形心轴x-x轴的距离；
失效翼缘到毛截面形心轴y-y轴的距离；
近似认为移动后主轴与原主轴平行。
主轴x-x轴移动的距离（上移为正）；
主轴y-y轴移动的距离（右移为正）；
故：有效截面对xe-xe轴的截面惯性矩 ；有效截面对ye-ye轴的截面惯性矩 ；
有效截面模量（上翼缘边缘）；
有效截面模量（下翼缘边缘）；
有效截面模量（腹板一侧）；
有效截面模量（卷边一侧）；
⑥整体稳定系数计算（按毛截面特性）
根据GB50018-2002中附表A.2.1：由于有两根拉条，故；；梁的侧向计算长度系数。
横向荷载作用点到剪心的距离；
根据GB50018-2002中式A.2.1-2：系数；
檩条计算长度；檩条的平面外长细比；
根据GB50018-2002中式A.2.1-3：系数；
根据GB50018-2002中式A.2.1-1：
整体稳定系数；
根据GB50018-2002中式A.2.1-4：
整体稳定系数；
⑦檩条的整体稳定计算
角点1的整体稳定验算应力；
角点2的整体稳定验算应力；
角点3的整体稳定验算应力；
角点4的整体稳定验算应力；
故截面最大正应力 满足要求。

4.5挠度验算（仅验算“1.0恒+1.0活”作用下沿强轴的挠度）
恒载标准值：；
活载标准值：；
线荷载设计值：；
屋面倾角：；
沿弱轴线荷载：；
跨中挠度：
满足要求。

第五章 屋面水平支撑及柱间支撑的设计
5.1风荷载计算
基本风压；根据门式钢架规程附录A，风压放大1.05倍。地面粗糙度为B类，设置三根抗风柱如图5-1，各柱顶标高如图所示，则查表可得，风压高度变化系数。
根据 《门钢规程》 附表A.0.2-4：风压体型系数取较危险的风吸情况设计，则中间区，端区 。
根据《门钢规程》相关规定：端区宽度；考虑每根柱的受风面积为相邻两跨的半跨范围，同时考虑风荷载组合系数1.4，则每根柱的线荷载设计值为：
；
；
；

（图5-1）
5.2设计计算
屋面水平支撑简化为平面桁架计算，且忽略压杆的影响，如图5-2。
每根柱受风面积范围内的荷载一半传到基础，一半传到屋面水平支撑。故作用于桁架的集中力为：
；
；
；
解如图桁架得：

（图5-2）
；
； ； ；
①屋面水平交叉撑
支撑为拉杆，采用张紧的圆钢，钢材选用Q235B（ ）
选用A16热轧圆钢（ ）
a、强度验算（取拉杆受力最大的38.99kN验算）：
满足要求。
b、长细比限值：由于采用张紧的圆钢，可不受限制。
②刚性系杆
刚性系杆为受压杆件，最大压力为44.98kN。
钢材选用Q235B钢材（）；选用A133×6热轧无缝钢管（；）
a、强度验算
满足要求；
b、长细比限值
满足要求；
c、稳定验算
按a类曲线查表，得稳定系数；
故： 满足要求。
③柱间支撑
柱间支撑计算简图如图5-3，忽略压杆的影响。易解得；
柱间支撑为拉杆，采用张紧的圆钢。钢材选用Q235B钢材（）。
柱间支撑截面选用A21热轧圆钢。
a、强度验算
满足要求。
b、长细比限值
由于采用张紧的圆钢，可不受限制。
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