门式钢架设计.docx

《 钢结构 》

课程设计报告

题 目： 单层工业厂房设计

院 （系）： 城市建设学院

专业班级： 土木1304班

学生姓名：

学 号： 20133101170

指导教师： 邹思敏

2016 年 5 月 8 日至2016 年 5 月 14 日

武昌首义学院制

29

目 录

一、 设计资料……………………………………………………………………………8
二、 结构平面柱网及支撑………………………………………………………………8
三、荷载计算……………………………………………………………………………8
1.计算模型…………………………………………………………………………8
2.荷载取值…………………………………………………………………………8
3.各部分作用荷载…………………………………………………………………9
4.内力计算………………………………………………………………………13
5.荷载组合………………………………………………………………………13
6.内力组合………………………………………………………………………13
四、 梁柱截面设计……………………………………………………………………15
1.截面尺寸确定…………………………………………………………………15
2. 截面几何特性…………………………………………………………………15
3. 构件宽厚比验算………………………………………………………………15
四、 刚架斜梁验算……………………………………………………………………15
1. 抗剪验算……………………………………………………………………16
2.有效宽度计算及在M、N、V共同作用下的验算……………………………16
3. 斜梁的整体稳定验算…………………………………………………………17
五、 刚架柱验算………………………………………………………………………17
1.抗剪验算………………………………………………………………………18
2.有效宽度计算及在M、N、V共同作用下的验算……………………………18
3.斜梁的整体稳定验算…………………………………………………………19
六、 节点设计…………………………………………………………………………20
1.构造要求………………………………………………………………………21
2.节点验算………………………………………………………………………22

钢结构 课程设计任务书
一、 设计题目

1、 单层工业厂房设计
一、 设计资料
单层厂房采用单跨双坡门式刚架，厂房横向跨度12m（a）、15m（b） 、18m（c），柱顶高度5.1m（a、b）、6.3m（c），共有8榀刚架。柱距6.3m（a）6m（b、c），屋面坡度1/10，柱底铰接。窗高出柱脚1.5m，尺寸为1.5x3m，每个柱距间居中设置一个。两端山墙上各设门一个（居中），尺寸为3.3x4.5m。
取中间跨刚架(GJ-1)进行计算，刚架构件截面采用变截面焊接工字形。屋面及墙面均为带100mm厚岩棉夹层的双层压型钢板；檩条（墙梁）采用薄壁卷边C型钢，间距为1.5m。钢材采用Q235B，焊条E43型。抗震设防烈度为6度。
二、 荷载

1、 屋面不可变荷载标准值（按水平投影面）：a 0.35kN/㎡
b 0.4kN/㎡
c 0.5kN/㎡
2、 屋面可变荷载标准值（按水平投影面）： a 0.5kN/㎡
b 0.4kN/㎡
c 0.3kN/㎡
3、 雪荷载（基本雪压）： a 0.3kN/㎡
b 0.35kN/㎡
c 0.5kN/㎡
4、 风荷载（基本风压）： a 0.35kN/㎡
（地面粗糙度系数按C类） b 0.45kN/㎡
c 0.35kN/㎡

三、 课程设计要求
1、 根据设计资料进行结构布置（含屋面支撑和柱间支撑）。并绘制结构平面布置图（1:100）
参考图：

2、 绘制屋面和墙面支撑系统的布置图（1:100）
提示：布置屋面檩条、拉条、隅撑；布置墙面墙梁、拉条、隅撑。布置墙面檩条时，注意预留门窗洞口的空间。

3、 根据题目给定的荷载，进行荷载组合。找出各构件的控制截面及内力值，并根据内力值对刚架梁和刚架柱以及一个梁柱刚性节点进行设计。出具相关计算书。（门式刚架内力分析可借助分析软件）
4、 绘制GJ-1的施工图。要求对每一个单元板件均编号并列入材料表并计算重量由此统计单榀刚架总重量。
参考图：

5、 绘制不少于两个节点详图；绘制3个零件大样。（比例自定）
参考图：

6、要求刚架柱和刚架梁均按变截面设计。
七、 参考资料推荐
1、《门式刚架轻型房屋钢结构(无吊车)》（02SG518-1）
2、《钢结构课程设计指导与设计范例》 王静峰 主编 武汉理工大学出版社
3、其它与钢结构设计实际例子的书籍均可参考。

指导教师（签名）：

20 年 月 日
课程设计成绩评定表

成
绩
评
定
项 目
比例
得 分
平时成绩（百分制记分）
30%

业务考核成绩（百分制记分）
70%

总评成绩（百分制记分）
100%

评定等级
优 良 中 及格 不及格

指导教师（签名）：

20 年 月 日

门式钢架设计

一、 设计资料
单层厂房采用单跨双坡门式刚架，厂房横向跨度12m，柱顶高度5.1m，共有8榀刚架。柱距6.3m，屋面坡度1/10，柱底铰接。窗高出柱脚1.5m，尺寸为1.5x3m，每个柱距间居中设置一个。两端山墙上各设门一个（居中），尺寸为3.3x4.5m。
取中间跨刚架(GJ-1)进行计算，刚架构件截面采用变截面焊接工字形。屋面及墙面均为带100mm厚岩棉夹层的双层压型钢板；檩条（墙梁）采用薄壁卷边C型钢，间距为1.5m。钢材采用Q235B，焊条E43型。抗震设防烈度为6度。

二、结构平面柱网及支撑布置
该厂房长度44.1m，跨度12m，柱距6.3m，共有8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，因此不需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，因此柱间支撑不需用分层布置。
三、荷载的计算
1、计算模型的选取
取一榀刚架进行分析，柱脚采用刚接，刚架梁和柱采用等截面设计。厂房檐高5.1m；屋面坡度为1：10。

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）

44.1
6.3
12
5.1
0.35
0.35
0.35
（1）、 屋面不可变荷载标准值（按水平投影面）： 0.35kN/㎡

屋面可变荷载标准值（按水平投影面）： 0.3kN/㎡
（2）、雪荷载（基本雪压）： 0.35kN/㎡
（3）、轻质墙面自重标准值0.25
（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=0.35，地面粗糙度类别为c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=074。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、各部分作用荷载：
（1）屋面荷载：
标准值：
柱身恒载：

（2）屋面活载
屋面雪荷载大于屋面活荷载，取活荷载

（3）风荷载
根据公式计算风压高度变化系数应根据建筑物离地面或海平面的高度以及地面的粗糙程度进行确定，按《荷载规范》中表7.2.1取值为=0.74。风荷载体型系数按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中附录A.0.2取值。风荷载体型系数如下：

风载体形系数示意图

迎风面 侧面：；
屋顶：；
背风面 侧面 :;

屋顶 ：；

风荷载如下图：

（4）水平地震作用 由于单层门式刚架轻型房屋钢结构的自重小，当抗震
设防烈度为7度及7度以下时，一般不需进行抗震验算。

4、内力计算：
根据各个计算简图，利用结构力学求解器计算内力，得结构在各种荷载作用
下的内力图。
(1)在不可变荷载作用下内力图：

M图（KN.m）

N图（KN）

V图（KN）

（2） 在雪荷载作用下内力图

M图（KN.m）

N图（KN）

V图（KN）

（3） 在风荷载作用下的内力图：

M图（KN.m）

N图（KN）

V图（KN）
5、荷载组合
该结构值考虑屋面不可变荷载、雪荷载、风荷载。所以进行刚架内力分析时，所需考虑荷载效应组合主要有：
（1）1.2x永久荷载+1.4x{屋面活荷载，雪荷载}max +1.4x0.7x风荷载
（2）1.2x永久荷载+1.4x0.7x{屋面活荷载，雪荷载}max +1.4x风荷载
（3）1.0x永久荷载+1.4x风荷载

6、内力组合
根据不同荷载组合下的内力分析结果，找到控制截面的内力组合。控制截面的位置一般在柱底、柱顶、梁端、梁跨中等截面，控制截面内力组合主要有：
最大轴压力和同时出现的M及V较大值
最大弯矩和同时出现的N及V较大值
最小轴压力和同时出现的M及V较大值
其内力组合如下表所示:

截面

内力

永久荷载

雪荷载

风荷载
1.2x永久荷载+1.4x雪荷载+1.4x0.7x风荷载
1.0x永久荷载+1.4x风荷载

柱小头
M
0
0
0
0
0
N
-21.24
-13.32
10.69
-33.65
1.74
V
-4.04
-4.07
5.11
-8.48
3.11

柱大头
M
-20.61
-20.75
20.46
-33.73
8.03
N
-13.23
-13.32
10.69
-24.05
1.74
V
-4.04
-4.07
2.02
-8.59
-1.24

梁大头
M
-20.61
-20.75
20.46
-33.73
8.03
N
-5.3
-5.3
3.9
-9.96
0.16
V
12.76
12.85
-10.35
23.16
-1.73

梁小头
M
16.65
16.76
-10.3
33.35
2.23
N
-4.02
-4.05
3.9
-6.67
1.44
V
-0.40
-0.40
0.5
-0.55
0.3
由上表可知，各截面的内力为：
柱脚截面：M=0，N= -33.65KN，V=-8.48KN
柱顶截面：M= -33.73KN.m，N= -24.05KN，V= -8.59N
梁端截面：M= -33.73KN.m，N= -9.96KN，V= 23.16KN
梁跨中截面：M= 33.35KN.m，N=-6.67KN，V=-0.55KN
四、梁柱截面设计
1.截面尺寸确定
（1）焊接工字型截面尺寸：截面高度h以10mm为模数；截面宽度b以5mm为模数，但工程中经常以10mm为模数；腹板厚度可取4mm、5mm、6mm，大于6mm以2mm为模数；翼缘厚度t≥6mm，以2mm为模数，且大于腹板厚度。
(2)工字型截面的高厚比（h/b）：通常取h/b=2-5mm；梁与柱采取端板竖放连接时，该梁端h/b≤6.5。
（3）变截面梁的端高不宜小于跨度的1/40~1/35，中段高度则不小于跨度
的1/60。变截面柱在铰接柱脚处的截面高度不宜小于200-250mm。
综上所述，选择梁柱截面尺寸为：
梁 大头400×200×6×8
小头300×100×6×8
柱 大头400×200×6×8
小头300×100×6×8
2.截面几何特性

构件名称

截面
A

（）
（）
（）
（）

（mm）

(mm)

梁
大头
5504
15124
1064
756
166
44
小头
3304
4556
133
304
117
20

柱
大头
5504
15124
1064
756
166
44
小头
3304
4556
133
304
117
20
3.构件宽厚比验算
（1） 柱
大头

小头

（2）斜梁
大头

小头

五、刚架斜梁验算
1.抗剪验算
大头
梁截面大头剪力设计值为
大头梁腹板平均切应力为
腹板可不设中间横向加劲肋，此时，则：

所以
由于,故抗剪强度满足要求。

‚小头
梁截面小头剪力设计值为
小头梁腹板平均切应力为
腹板可不设中间横向加劲肋，此时，则：

所以
由于,故抗剪强度满足要求。

2.有效宽度计算及在M、N、V共同作用下的验算
大头
内力设计值为,因为，故按计算。
即：

‚小头
内力设计值为,因为，故按计算。
即：

3.斜梁的整体稳定验算
当斜梁坡度不超过1:5时，因轴力很小可按压弯构件计算其强度和刚架平面外的稳定，不计算平面内的稳定。
实腹式刚架斜梁的平面外计算长度，取侧向支撑点的间距。当斜梁两翼缘侧向支撑点间的距离不相等时，应取最大受压翼缘侧向支撑点间的距离。斜梁不需计算整体稳定性的侧向支撑点间最大长度，可取受压翼缘宽度的倍。侧向支撑点由檩条配合支撑体系来提供，其间距不超过此值。
任务书中檩条间距1500mm，以梁小头200x100x6x8为例，因为100×16×√235/235=1600>=1500，故不需计算斜梁平面外整体稳定性。
六、刚架柱的验算
1.抗剪验算
大头
柱截面大头剪力设计值为
大头柱腹板平均切应力为
腹板可不设中间横向加劲肋，此时，则：

所以
由于,故抗剪强度满足要求。
‚小头
梁截面小头剪力设计值为
小头梁腹板平均切应力为
腹板可不设中间横向加劲肋，此时，则：

所以
由于,故抗剪强度满足要求。
2.有效宽度计算及在M、N、V共同作用下的验算
在M、N、V共同作用下，取控制截面为柱上端截面，即柱大头。
内力设计值为,因为，故按计算。
即：

3.柱整体稳定性验算
平面内整体稳定性验算
根据二阶分析法计算柱的计算长度系数

‚平面外整体稳定性验算
假定分段出内力大小为大头和小头截面的平均值，即M=16.87KN.m，N=28.85KN，V=8.54KN。且其截面尺寸取平均值为350x150x6x8,可以算出分段处截面的几何特性:
, ,,
计算上段的平面外稳定性，此段的小头在分段处
查规范得，对于分段处，

经计算全截面有效，故受压区高度为

柱的楔率

梁整体稳定系数

等效弯矩系数
因上柱段两端弯曲应力相差不多，取

七.节点设计
1.构造要求
螺栓排列应符合构造要求，采用端板竖放。
（1）此节点取。
（2）螺栓排列间距不应小于2倍螺栓孔径，选取螺栓为8.8级M22型号，则d0=21.5mm，端距大于43mm,因此宽度方向端距取47mm,因此宽度方向端距取47mm，长度方向端距取50mm。
（3）两排螺栓之间最小距离为3倍螺栓直径，最大距离不应超过500mm，因此确定端板长L=500+40x2+2x50=680mm，宽b=8+75x2+2x47=252mm。
2.节点验算
a、 节点螺栓验算
柱节点处内力值：M=33.73KN.m，N=24.05KN， V=8.59KN
梁节点处内力值：M=33.73KN.m，N=9.96KN， V=23.16KN
一个螺栓的抗拉承载力设计值
一个螺栓的抗剪承载力设计值
柱截面：螺栓所受剪力

受力最大的螺栓所受拉力

第二排螺栓所受拉力

高强度螺栓摩擦型连接同时受剪和受拉时，其承载力计算

梁截面
螺栓所受剪力

受力最大螺栓所受拉力

第二排螺栓所受拉力

高强度螺栓摩擦型连接同时受剪和受拉时，其承载力计算

b、端板厚度设计
此结构的端板厚度t可根据支撑条件按伸臂类和两边支撑类公式计算，但不应小于16mm，和梁端板相连的柱翼缘部分应与端板等厚度。
伸臂类：

两边支撑类：

综上，取端板厚度t=24mm。
c，腹板强度验算
柱截面：

梁截面：

d、梁柱节点域剪力验算
满足要求