钢结构课程设计门式钢架.doc

门式钢架设计
一、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。刚架为等截面梁、柱，柱脚为铰接。
屋面材料、墙面材料采用单层彩板。
檩条与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 ，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与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、拉条与撑杆，檩条间距为1.5m；同时应该在及屋盖横向水平支撑相对应柱间设置柱间支撑，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、荷载计算
（一）计算模型选取
取一榀刚架进行分析，柱脚采用铰接，刚架梁与柱采用等截面设计。厂房檐高7.5m，考虑到檩条与梁截面自身高度，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：
（二）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
1．屋盖永久荷载标准值
屋面板
刚架斜梁自重（先估算自重）
合计 0.75
2．屋面可变荷载标准值
屋面活荷载：按不上人屋面考虑，取为0.50，不考虑积灰荷载。
3．轻质墙面及柱自重标准值 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规定计算。基本风压ω0=1.05×0.45 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)规定采用，当高度小于10m时，按10m高度处数值采用，μz=1.0。
风荷载体型系数μs：迎风面柱及屋面分别为＋0.25与－1.0，背风面柱及屋面分别为－0.55与－0.65(CECS102：2002中间区)。
（三）各部分作用荷载：
（1）屋面恒载：
标准值：
柱身恒载：
（2）屋面活载
屋面活荷载
（3）风荷载
（地面粗糙度类）
—0.6 —0.5
风载体形系数示意图
风荷载如下图：
（四）内力计算：
（1）截面形式及尺寸初选
梁、柱都采用热轧中翼缘H型钢
截面
截面名称
长度

面积
（m㎡）

mm

mm
柱
HM

7200
18721
1128.27
388.95
90.09
60.07
247.15
69.37
梁
HM

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）：
恒载作用下轴力图
恒载作用下剪力图
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）：
活荷载作用下轴力图
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）：
风荷载作用下轴力图
风荷载作用下剪力图
风荷载作用下弯矩图
（3）内力组合
由于恒载与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)规定，采用荷载效应基本组合：γ0S≤R。本工程结构构件安全等级为二级，γ0=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：1.2×永久荷载+1.4×max{屋面均布活荷载} +1.4×0.7风荷载
B：1.2×永久荷载+1.4×0.7×max{屋面均布活荷载}+1.4×风荷载
C：1.0×永久荷载+1.4×风荷载
组合A、B --用于截面强度与构件稳定性计算，
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
各情况作用下截面内力及内力组合见下表：
各情况作用下控制截面内力
截面
内力
恒载
活载
左风

1－1

-48.64
-22.56
19.59

-5.79
-3.89
9.17

0
0
0

2－2

-9.10
-22.56
19.59

-5.79
3.89
4.20

-46.31
-31.09
48.11

3－3

-33.60
-6.11
6.13

32.86
22.06
-19.08

-46.31
-31.09
-48.11

4－4

-5.76
-3.87
6.13

0.58
0.39
-2.43

51.02
34.25
-16.74
控制截面内力组合
截面
内力
1.2×永久荷载+1.4×max{屋面均布活荷载} +1.4×0.7风荷载
1.2×永久荷载+1.4×0.7×max{屋面均布活荷载}+1.4×风荷载
1.0×永久荷载+1.4×风荷载

1－1

-70.75
-53.05
-21.214

-3.41
2.08
7.05

0
0
0

2－2

-23.31
-5.60
18.33

2.61
2.74
0.09

-51.95
-18.69
21.04

3－3

-42.87
-37.73
-25.02

51.62
34.34
6.15

-146.25
-135.39
-113.66

4－4

-6.32
-2.12
2.82

-1.14
-2.32
-2.82

92.77
71.35
27.58
（五）截面验算
控制内力组合项目有：
① ＋Mmax及相应N，V (以最大正弯矩控制)
② －Mmax及相应N，V (以最大负弯矩控制)
③ Nmax及相应M，V (以最大轴力控制)
④ Nmin及相应M，V (以最小轴力控制)
所以以上内力组合值，各截面控制内力为：
1-1截面控制内力为
2-2截面控制内力为
3-3截面控制内力为
4-4截面控制内力为
（1）刚架柱验算：
取2-2截面内力
平面内长度计算系数：
平面外长度计算系数：
（A） 局部稳定验算
构件局部稳定验算是通过限制板件宽厚比来实现。
① 柱翼缘
（满足要求）
② 柱腹板
（满足要求）
（B）柱有效截面特征
（C）抗剪强度验算：
（D）稳定性验算：
① 刚架柱平面内稳定性验算：
② 刚架柱平面外稳定性验算
（2）刚架梁验算：
取3-3截面内力；
（A） 局部稳定验算
① 梁翼缘
（满足要求）
② 梁腹板
（满足要求）
（B）梁有效截面特征
（C）强度计算
① 抗剪强度验算：
② 弯矩作用下验算：
（D）稳定性验算
① 刚架梁平面内稳定验算：
② 刚架梁平面外稳定验算：
四、位移验算
（一）柱顶水平位移验算：
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=0.45×16.62=7.48KN
其中W=(ω1+ω4)·h=(0.86+1.91)×8.0=16.62KN
（二）横梁扰度验算：
，位移图如下：
五、节点设计
（一）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：
（二）梁梁节点设计：
梁梁节点形式见下图：
连接处选用如下组合内力值：
（3）柱脚设计：
柱脚节点见下图：
设计内力采用：
（A）柱脚底板面积确定
b=b0+2t+2c=300+2×8+2×(20~50)=364~416mm，取b=400mm；
h=h0+2t+2c=600+2×8+2×(20~50)=664~714mm，取h=700mm；
验算底板下混凝土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。
（B）底板厚度计算：
（C）抗剪连接件计算
六、施工图设计（详见图纸）
第 11 页