学位论文-—《门式刚架轻型钢结构设计》计算书.doc

《门式刚架轻型钢结构设计》计算书
1、工程情况：
无吊车门式刚架跨度13.1m，刚架间距5m，共10榀。钢架柱高4.6 m，屋面坡度1/6，屋面及墙板采用加JXB42-333-1000型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板，芯板面板厚为0.50mm，板厚为80mm，自重0.25 kN/m2，檩条为薄壁卷边C型钢，间距为1.5m，自重0.05kN/m2。钢材采用Q235钢，焊条为E43型。抗震设防烈度为6度。刚架梁在1/3处变截面。
静载：为0.2 kN/m2；活载：0.5 kN/m2 ；雪载：0.2 kN/m2；风载：基本风压W0=0.55 kN/m2，地面粗糙度B类
图1.刚架简图
2、钢架的布置及类型
2.1钢架的布置
按CECS102:2002规范,门式钢架轻型钢结构广房的纵向温度区(伸缩缝间距)应不达于300m,横向温度区段应不大于150m.该工程可不设伸缩缝.
柱网及平面布置如图2:

图2.刚架平面布置图
2.2钢架的类型
根据门式钢架类型钢结构特点,为了充分利用材料的作用达到节省材料的目的,截面应选用变截面实腹式门式钢架轻型钢架结构。由于厂房内无吊车采用铰接柱脚刚架。
3、屋面构件与支撑设置
3.1屋面板
根据保温隔热的要求及建筑外形设计要求,考虑施工方便选用JXB42-333-1000型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板, 芯板面板厚为0.50mm，板厚为80mm.。
3.2檩条
根据屋面板对檩条的要求,檩条间距采用1.5m.按荷载采用冷弯薄壁C型钢C180x70x20x3
,跨中设拉条一道.
3.3屋面支撑与柱间支撑
为了保证厂房的强度 ，空间结构的稳定性，门式钢架结构左右跨横梁顶面设置横向水平支撑，在柱间设置柱间支撑。
3.3.1屋面横向支撑
根据CECS102:2002的要求：屋盖的横向支撑和柱间的支撑一般设置在温度区段端部或第一或第二开间区。柱间支撑布置如图3：
图3.刚架柱间支撑布置图
（1）柱间支撑设计：柱间支撑计算简图见图4.
按CECS102：2002 附录A：
按GB50009-2001 低于10m 取

按一半山墙荷载的考虑节点活荷载标准值：

即节点荷载设计值：

图4.柱间支撑计算图
柱间支撑构件为柔性构件只能承受拉力。则：
直杆的反力设计值：
斜杆的反力设计值：
（2）杆件验算
直杆承受压力采用C180×70×20×3.0按轴心压杆进行验算，斜杆受拉采用圆钢就按轴心拉杆验算。
1）直杆：
截面性质
强度验算：满足要求
刚度：满足要求
稳定性：只需要验算平面外的稳定性：
B类截面查表得
，满足要求。
b）斜杆：
截面性质
强度验算： ，满足要求。
刚度验算：张紧的圆钢不需要考虑长细比。
3．4墙梁设计
墙板采用加JXB42-333-1000型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板。按文献 （4）中墙梁截面选用表11-1，墙梁选用冷弯薄壁卷边槽钢C160×60×20×20，跨中设拉条一道。
4、荷载计算
4.1 荷载取值计算（标准值）：
（1）恒载：
屋面板（JXB42-333-1000型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板）； 0.25
檩条及支撑： 0.15
钢架横梁： 0.15
静载： 0.2

墙面及柱的自重 ： 0.5
（2）活载：
雪载： 0.2
屋面均布活载：由于刚架的受荷水平面积为13.1×5＝65.5＞60,所以屋面活荷载取为0.3
根据GB5009-2001两种取最大值。取活载 0.3

（3）风荷载：

图5风荷载体形系数与风荷载作用
基本风压 地面粗糙类别B类，按CECS102：2002的规定，基本风压乘以1.05的系数。即
以柱顶为标准风压高度变化系数：
4.2 各部分作用荷载：
（1）屋面恒载：
标准值：
设计值：
柱身恒载：0.5×5=2.5
设计值：2.5×1.2=3
(2) 屋面活荷载：
标准值：
设计值：
（3）风荷载： 仅以左风为例，右风相反。
屋面风压设计值；

柱顶集中风载设计值（对于铰接变截面柱按简化取上半段风载为集中风载作用于柱顶计算）

则风荷载作用如图6：

图6.风荷载作用图

5、 截面初择
截面初选按以下的方法进行，单跨双坡对称实腹式变截面刚架的几何尺寸如图7所示 ：

图7.刚架截面初选
，由于一般情况下取，故取

选取截面的特性如表1所示：

表1.截面特性

截面

柱

梁

大头

小头

大头

小头

6040

4840

6040

4440
5.13

5.64
5.63
5.64
5.63

4.11
7.53
7.53
3.10

75216

75130

75216

75102
157.9

103.0

157.9

83.5
30.6

34.1

30.6

35.6
柱截面的平均惯性矩：

梁截面的平均惯性矩：

6、内力和侧移计算
6.1 内力计算
内力计算采用弹性分析法。用梁，柱平均刚度将梁，柱简化为等截面刚梁，然后采用结构力学求解器进行求解。
6.1.1 屋面恒荷载作用
1）输入文件
结点,1,0,0
结点,2,0,4.6
结点,3,4.37,5.33
结点,4,6.55,5.69
结点,5,8.73,5.33
结点,6,13.1,4.6
结点,7,13.1,0
单元,1,2,1,1,0,1,1,1
单元,2,3,1,1,1,1,1,1
单元,3,4,1,1,1,1,1,1
单元,4,5,1,1,1,1,1,1
单元,5,6,1,1,1,1,1,1
单元,6,7,1,1,1,1,1,0
结点支承,7,4,0,0,0
结点支承,1,4,0,0,0
单元荷载,2,3,4.56,0,1,90
单元荷载,3,3,4.56,0,1,90
单元荷载,4,3,4.56,0,1,90
单元荷载,5,3,4.56,0,1,90
单元荷载,6,3,0.5,0,1,180
单元荷载,1,3,0.5,0,1,0
单元材料性质,1,1,-1,10.1,1,-1,-1
单元材料性质,2,5,-1,7.9,1,-1,-1
单元材料性质,6,6,-1,10.1,1,-1,-1

2）输出文件
杆端内力值 ( 乘子 = 1)
-------------------------------------------------------------------------------------------- 杆端 1 杆端 2
--------------------------------------------- ------------------------------------------
单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩
--------------------------------------------------------------------------------------------
1 -32.1680567 -11.1679836 0.00000000 -29.8680567 -11.1679836 -51.3727247
2 -15.9364929 27.6197595 -51.3727247 -15.9364929 7.41643782 26.2421401
3 -15.9226684 7.44605745 26.2421401 -15.9226684 -2.62937580 31.5634290
4 -15.9226684 2.62947240 31.5634290 -15.9226684 -7.44596085 26.2423535
5 -15.9363403 -7.41634107 26.2423535 -15.9363403 -27.6196628 -51.3720827
6 -29.8679369 11.1678440 -51.3720827 -32.1679369 11.1678440 0.00000000
--------------------------------------------------------------------------------------------

3）内力图（设计值）

a.M图（kNm）

b.V图（kN）

c.N图（kN）
图8.刚架在恒荷载作用下的内力图

6.1.2屋面活荷载作用：
1）输入文件
结点,1,0,0
结点,2,0,4.6
结点,3,4.37,5.33
结点,4,6.55,5.69
结点,5,8.73,5.33
结点,6,13.1,4.6
结点,7,13.1,0
单元,1,2,1,1,0,1,1,1
单元,2,3,1,1,1,1,1,1
单元,3,4,1,1,1,1,1,1
单元,4,5,1,1,1,1,1,1
单元,5,6,1,1,1,1,1,1
单元,6,7,1,1,1,1,1,0
结点支承,7,4,0,0,0
结点支承,1,4,0,0,0
单元荷载,2,3,2.13,0,1,90
单元荷载,3,3,2.13,0,1,90
单元荷载,4,3,2.13,0,1,90
单元荷载,5,3,2.13,0,1,90
单元材料性质,1,1,-1,10.1,1,-1,-1
单元材料性质,2,5,-1,7.9,1,-1,-1
单元材料性质,6,6,-1,10.1,1,-1,-1

2）输出文件
内力计算
杆端内力值 ( 乘子 = 1)
--------------------------------------------------------------------------------------------
杆端 1 杆端 2
---------------------------------------- ------------------------------------------
单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩
--------------------------------------------------------------------------------------------
1 -13.9515265 -5.21662394 0.00000000 -13.9515265 -5.21662394 -23.9964701
2 -7.44404602 12.9013350 -23.9964701 -7.44404602 3.46425714 12.2578417
3 -7.43756104 3.47809262 12.2578417 -7.43756104 -1.22819528 14.7434438
4 -7.43753052 1.22824040 14.7434438 -7.43753052 -3.47804750 12.2579414
5 -7.44393921 -3.46421195 12.2579414 -7.44393921 -12.9012898 -23.9961702
6 -13.9514705 5.21655874 -23.9961702 -13.9514705 5.21655874 0.00000000
--------------------------------------------------------------------------------------------

3）内力图

a.M图（kNm）

b.V图（kN）

c.N图（kN）
图9.刚架在活荷载作用下的内力图

6.1.3 风荷载作用：
1）输入文件
结点,1,0,0
结点,2,0,4.6
结点,3,4.37,5.33
结点,4,6.55,5.69
结点,5,8.73,5.33
结点,6,13.1,4.6
结点,7,13.1,0
单元,1,2,1,1,0,1,1,1
单元,2,3,1,1,1,1,1,1
单元,3,4,1,1,1,1,1,1
单元,4,5,1,1,1,1,1,1
单元,5,6,1,1,1,1,1,1
单元,6,7,1,1,1,1,1,0
结点支承,7,4,0,0,0
结点支承,1,4,0,0,0
结点荷载,2,1,7.43,0
结点荷载,6,-1,4.65,180
单元荷载,2,-3,2.43,0,1,90
单元荷载,3,-3,2.43,0,1,90
单元荷载,4,-3,2.02,0,1,90
单元荷载,5,-3,2.02,0,1,90
单元材料性质,1,1,-1,10.1,1,-1,-1
单元材料性质,2,5,-1,7.9,1,-1,-1
单元材料性质,6,6,-1,10.1,1,-1,-1
2）输出文件
内力计算
杆端内力值 ( 乘子 = 1)
--------------------------------------------------------------------------------------------
杆端 1 杆端 2
---------------------------------------- ------------------------------------------
单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩
--------------------------------------------------------------------------------------------
1 19.3114637 11.3988963 0.00000000 19.3114637 11.3988963 52.4349234
2 7.09643555 -18.3936411 52.4349234 7.09643555 -7.62739736 -5.20887197
3 7.08251953 -7.64048352 -5.20887197 7.08251953 -2.27133817 -16.1590800
4 5.97656250 -4.42773271 -16.1590800 5.97656250 0.03550746 -21.0114454
5 5.97607422 0.02441674 -21.0114454 5.97607422 8.97413382 -1.07716780
6 9.83613824 0.23416691 -1.07716780 9.83613824 0.23416691 0.00000000
--------------------------------------------------------------------------------------------

3）内力图

a.M图（kNm）

b.V图（kN）

c.N图（kN）
图10.刚架在风荷载作用下的内力图
6.2侧移验算（采用标准值计算）：
刚架梁坡度 1：6 〈1：5 ，故柱顶的侧移按下计算：
由于无吊车梁，处于6度地震区故水平力作用有风载引起.。
柱顶的等效水平力：

刚度与梁的线刚度比值

则刚架柱顶的水平侧移。

墙板为轻型钢板墙得

满足要求。
7）内力组合
7.1选取控制截面。
由于刚架布置，恒载和活载作用下对称。故选择取控制截面为 a-a，b-b，c-c，d-d，e-e。
如图所示：

图11.刚架控制截面
7.2内力组合：内力组合考虑以下三种
(1)永久荷载+活荷载
(2)永久荷载+风荷载
（3）永久荷载+0.85（活荷载+风荷载）
组合内力见表2：
表2.刚架组合内力：
截面
内力
恒荷载
活荷载
风荷载
恒荷载+活荷载
恒荷载+风荷载
恒荷载+0.85（风荷载+活荷载）
a-a
N
-32.17
-13.95
19.31
-46.12
-12.86
-27.61
V
-11.12
-5.22
11.4
-16.34
0.28
-5.87
M
0
0
0
0
0
0.00
b-b
N
-29.87
-13.95
19.31
-43.82
-10.56
-25.31
V
-11.12
-5.22
11.4
-16.34
0.28
-5.87
M
-51.37
-24
52.43
-75.37
1.06
-27.20
c-c
N
-15.94
-7.44
7.1
-23.38
-8.84
-16.23
V
27.62
12.9
-18.39
40.52
9.23
22.95
M
-51.37
-24
52.43
-75.37
1.06
-27.20
d-d
N
-15.94
-7.44
7.08
-23.38
-8.86
-16.25
V
7.42
3.46
-7.64
10.88
-0.22
3.87
M
26.24
12.26
-5.21
38.5
21.03
32.23
e-e
N
-15.92
-7.44
7.08
-23.36
-8.84
-16.23
V
-2.63
-1.23
-2.27
-3.86
-4.9
-5.61
M
31.56
14.74
-16.16
46.3
15.4
30.35
注：表中N、V的单位为kN，M的单位为kN·m。

8、结构截面验算
8.1 刚梁横梁和柱的计算长度
（1）横梁在刚梁平面内的计算长度
由于刚架坡度1：6＜1：5，因此，刚架横梁在平面内稳定性能够得到保证，不需要验算平面内的稳定性。
（2）横梁在刚梁平面内的计算长度
考虑屋面压型钢板与檩条紧密的连接，有一定的蒙皮效应，在出平面能起到支撑作用，但为了安全计算长度按两个檩条之间考虑即

8.1.2 刚架柱的计算长度
刚架柱在刚架平面内的计算长度采用一阶分析法来计算;
柱顶在水平位移作用下的侧移刚度

当门式铰接单跨对称：

柱在平面内计算长度：
（2）柱在平面外的计算长度
考虑屋面压型钢板与墙梁紧密的连接，有一定的蒙皮效应，在出平面能起到支撑作用，但为了安全计算长度按两个墙梁之间考虑，即

8.2构件的局部稳定性验算
由于梁柱的腹板厚度相同，翼缘宽度相同，因此仅验算梁、柱大头的局部稳定：
柱大头：翼缘部分：，满足要求；
腹板部分：满足要求;

梁大头:翼缘部: 满足要求;
腹板部分：，满足要求;
梁柱局部稳定性均满足要求
8.3加劲肋设置
（1）柱加劲肋：
a-a其腹板均匀剪力

则柱腹板可不设加劲肋，仅在柱端设置加劲肋。
（2）梁加劲肋：
C-C 截面：

d-d 截面：

故，梁腹板可不设加劲肋，仅在梁端设置加劲肋
8.4刚架梁的验算
8．4.1 抗剪验算
刚梁截面的剪力最大处为c-c截面，但d-d截面较小且剪力比e-e截面大因而对c-c，d-d截面进行验算：
c-c截面：
仅考虑支座加劲肋，

,满足要求
d-d截面：
仅考虑支座加劲肋，

满足要求
8.4. 2 弯，剪，压共同作用下的强度验算
由于横梁跨中可能出现较大弯矩，故除了验算截面c-c，d-d，e-e处，尚应验算该反弯点位置的强度。
（1） 求反弯点位置：如图12所示：
图12.刚架梁计算简图

令
相应的
(2) c-c截面在弯，剪，压共同作用下的强度验算
c-c截面内力 ：

梁翼缘承担弯矩设计值

=123.51kN>M，取M=Mf
故，，满足要求。
（3）d-d截面：
d-d截面内力 ：

梁翼缘承担弯矩设计值

取
故， ，满足要求。
（4） 对d-d截面和e-e截面均有，
M<Mf，V<0.5Vu
均取,，
均满足要求。
综上，刚架横梁在弯，剪，压共同作用下强度满足要求。
8.4.3 刚架梁稳定性
刚架横梁的坡度1：6<1：5，故刚架横梁不需要考虑其平面内的稳定性问题，故仅验算刚架横梁在平面外稳定性即可。
（1）变截面段
小头截面：
B类截面，查得：
楔形受弯构件的整体稳定性系数的计算：

受压翼缘与受压腹板1/3高度组成的截面绕y轴的回转半径，按小头全截面受压计算：

则

则刚架梁变截面段的平面外稳定性：
满足要求
等截面段

则：

,满足要求。
8.5刚架柱的验算
8.51 刚架柱的抗剪验算
由于柱顶和柱脚剪力相等 V= 16.34KN，但柱脚截面较小，故仅对柱脚截面进行抗剪验算：按仅有支座加劲肋考虑

，满足要求。
8.52 刚架柱在弯，剪，压共同作用下的强度验算
对于柱脚a-a截面和柱顶 b-b截面，分别验算其承受的内力分别为：
a-a 截面 M=0 ，V = 16.34kN ， N= 46.12kN；b-b截面 M = 75.37kN， V= 16.34kN，N= 43.82kN

（1）a-a截面在弯、剪、压共同作用下的强度验算

故：
满足要求
（2）b-b截面：

故：
，满足要求。
8.5.3刚架柱的稳定性验算
（1）刚架柱平面内的稳定性
由于小头截面弯矩作用为零，按全截面受压故安全截面有效考虑。
按截面小头计算长细比：
B类截面查得
刚架平面内的欧拉临界力：

等弯系数
则： 满足要求
(2) 柱平面外的整体稳定性

B类截面查得
等效弯矩系数：由于一端弯矩为零故：

均匀弯曲楔形受弯双轴对称I字形截面杆件的 整体 稳定性系数按下面方法求。
构件的楔率

受压翼缘与腹板1/3高度组成截面绕y轴的回转半径，按小头计算，全截面受压：

则
故

则，刚架柱在平面外的稳定性：

，满足要求
刚架整体稳定性满足要求
9节点设计
9.1 梁柱的节点：
刚架横梁与刚架柱连接采用端板竖放的连接方式。螺栓采用10.9级M16高强度摩擦型螺栓进行连接
9.1.1 节点构造及螺栓布置
（1）节点的构造见图13

图13.梁柱节点构造和端板
（2） 螺栓的布置
端板螺栓应成对对称布置， 在受拉和受压翼缘都应布置 。并且宜使用螺栓群中心与翼缘中心重合或接近，因此采用将端板伸出截面高度如图13所示：
9.1.2 螺栓强度验算
螺栓采用10.9级M16 高强度摩擦型，查得每个螺栓预应力P=100KN，构件接触面采用喷砂处理，摩擦面抗滑采用连接处传递内力直接用c-c截面内力即：
M =75.37kN·m N = 23.38 kN， V = 40.52 kN
（1）螺栓抗剪验算：
每个螺栓抗滑承载力设计值为：

螺栓群的抗剪承载力设计值：
，满足要求。
（2）每个 螺栓承受的拉力

，满足要求。
（3） 最外排螺栓在拉、剪共同作用下的验算：
，满足要求。
9.1.3 端板设计;
端板的平面—180×580
（1） 端板的厚度：按两边支撑类端板计算

选取端板厚度20mm，满足要求。
（2） 端板设螺处腹板的强度：

，满足要求。

9.1.4 梁柱节点域验算
，满足要求。
综上，梁柱节点采用端板竖放的方式连接，端板为，螺栓选用10颗10.9级M16摩擦型高强螺栓。
9．.2 刚架横梁屋脊处节点连接
同梁柱连接一样采用端板竖放，螺栓连接的方式，螺栓仍选用10.9级M16摩擦型高强螺栓，节点的构造、端板及螺栓的布置见图15所示。

（1） 螺栓群的抗剪承载力
，满足要求
（2） 各螺栓承受的拉力

（3） 最外排螺栓在拉、剪共同作用下的验算：
，满足要求
（4） 端板的厚度：按三边支撑类考虑

选取端板厚度20mm，满足要求。
（5） 端板设螺处腹板的强度：

，满足要求
9.3 刚架横梁1/3处拼接节点
由于端板连接为半刚性连接。在弹性状态下可以认为其是刚性的。而且截面大小和梁屋脊处完全相同，故此处采用同屋脊处完全一样的构造方式连接，这里仅验算螺栓的强度即可：
（1） 螺栓群的抗剪强度：
，满足要求
（2） 每个螺栓承受的拉力：

，满足要求
（3） 螺栓在拉、剪共同作用下（仅验算最外一排）
，满足要求
9.4 柱脚设计
根据计算假定，柱脚设计或铰接。本工程柱脚采用一对锚栓的平板式柱脚。基础混凝土等级为C25，。
9．4.1 柱脚内力组合
柱脚的内力，除按第8.2节中表2选出及相应的组合外，尚应考虑“恒载+风载”的组合，但此时恒载分项系数取1.0。此时对应的各项内力：

则 柱脚处 及对应的内力：M = 0 ，， V = 15.03 kN
及对应的内力：M = 0 ， ， V = 5.6 kN
及对应的内力； M = 0，N = 59.71 ，
9.4.2 柱脚底板计算：
（1） 地板的厚度。按构造

取B = 250mm 满足要求
（2） 底板长度L
，偏安全地取为 1.0

按构造仍取
则 柱脚底板如图 ：

柱脚锚栓布置
（3）底板厚度：
底板反力：
对翼缘内部的板按三角形支撑考虑
查得

对翼缘处的板按悬臂板考虑：

取
则
但底板厚度应大于栓孔的直径，故取柱脚地板为26mm
9.4.3 柱脚锚栓计算
由于柱脚全截面受压，故取 2 M24 的锚栓 布置如图
9.4.4 柱脚抗剪连接。

但对组合有：V = 5.6kN 〉0.4 N = 0.4 x 7.3 = 2.92 kN故应设置抗剪连接件。
初选 为：-20 x 50 x50 。
剪应力
正应力

满足要求 。
综上：柱脚采用一对锚栓的平板式柱脚 ，底板为-250x300x 26。 锚栓为2 M24， 设计连接件 -20x50x50。
10、参考书目
1. 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）
2. 钢结构设计规范GB50017-2003.
3. 混凝土设计规范GB50010-2002.
4. 梁启智.钢结构.华南理工大学出版社.
5. 黄呈伟.钢结构设计.科学出版社.

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