轻型门式刚架设计课程设计.doc

学 号

《钢结构设计》课程设计

某轻型门式刚架设计

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目录

1.设计资料 2
2.荷载计算 3
2.1荷载取值计算： 3
（1）屋盖永久荷载标准值（对水平投影面） 3
（2）面可变荷载标准值 3
（3）轻质墙面及柱自重标准值（包括柱、墙骨架等） 3
（4）风荷载标准值 3
（5）地震作用 4
2.2各部分作用的荷载标准值计算： 4
（1）屋面 4
（2）柱荷载 4
（3）风荷载标准值 4
3.内力分析 4
3.1在恒荷载作用下： 4
3.2在活荷载作用下： 5
3.3在风荷载作用下： 6
4.内力组合 8
5.刚架设计 9
5.1截面设计： 9
5.2构件验算： 9
（1）构件宽厚比验算 9
（2）刚架梁的验算 9
（3）刚架柱的验算 11
（4）验算刚架在风荷载作用下的侧移 13
5.3节点验算： 13
（1）梁柱连接节点 13
（2）横梁跨中节点 14
（3）柱脚设计 15
6.其他构件设计 16
6.1檩条的设计： 16
（1）荷载及内力 17
（2）截面选择及截面特性 17
（3）强度验算 19
（4）挠度计算 19
（5）构造要求 19
6.2隅撑的设计： 20
6.3墙梁的设计： 20
（1）荷载计算 20
（2）内力计算 20
（4）挠度计算 21
参考文献 21

1.设计资料
哈尔滨市某单层工业厂房，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度24m，柱距6m，柱高8m，屋面坡度1/10，地震设防烈度为6度。刚架平面布置如下图1.1所示，刚架形式及几何尺寸如下图1.2所示。屋面及墙面板均为彩色压型钢板，内填充以保温玻璃棉板，考虑经济、制造和安装方便，檩条和墙梁均采用冷弯薄壁卷边C型钢，间距为1.5米，钢材采用Q345钢，焊条采用E50型。

图1.1 刚架平面布置图

图1.2 刚架形式及几何尺寸

2.荷载计算
2.1荷载取值计算：
（1）屋盖永久荷载标准值（对水平投影面）
YX51—380—760型彩色型钢板 0.15
50 厚保温玻璃棉板 0.05
PVC铝箔及不锈钢丝网 0.02
檩条及支撑 0.10
刚架斜梁自重 0.15
悬挂设备 0.40
合计 0.87
（2）面可变荷载标准值
屋面活荷载：0.48
雪荷载：基本雪压=0.45。对于单跨双坡屋面，屋面坡角=，=1.0，
雪荷载标准值 ：==1.0×0.45=0.45。
取屋面活荷载和雪荷载中的较大值0.48，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）
0.5
（4）风荷载标准值
基本风压：=1.05×0.55=0.58；根据地面粗糙度列别为B类，查得风荷载高度变化系数：当高度小于10时，按10高度处的数值采用，=1.0。风荷载体型系数：迎风柱及屋面分别为＋0.25和－1.0，背风面柱及屋面分别为－0.55和－0.65。
（5）地震作用
哈尔滨地区抗震设防烈度为6度，根据《全国民用建筑工程设计技术措施----结构》中第18.8.1条的建议，所以不考虑地震作用。
2.2各部分作用的荷载标准值计算：

（1）屋面
恒荷载标准值：0.87×6=5.22
活荷载标准值：0.48×6=2.88
（2）柱荷载
恒荷载标准值：0.5×6×8＋5.22×12=86.64
活荷载标准值：2.88×12=34.56

（3）风荷载标准值
迎风面：柱上
横梁上
背风面：柱上
横梁上
3.内力分析
利用结构力学求解器进行内力分析结果如下：
3.1在恒荷载作用下：

图3.1 恒荷载作用下的M图

图3.2 恒荷载作用下的N图

图3.3 恒荷载作用下的V图
3.2在活荷载作用下：

图3.4 活荷载作用下的M图

图3.5 活荷载作用下的N图

图3.6 活荷载作用下的V图

3.3在风荷载作用下：

图3.7 左风向风荷载作用下的M图

图3.8 左风向风荷载作用下的N图

图3.9 左风向风荷载作用下的V图

图3.10 右风向风荷载作用下的M图

图3.11 右风向风荷载作用下的N图

图3.12 右风向风荷载作用下的V图
4.内力组合
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）的规定，采用荷载效应的基本组合：。本工程结构构件安全等级为二级，。刚架内力组合（左半跨）见表4.1。
表4.1 内力组合表
截面
内力组组合项目
荷载组合方式
荷载组合项目
M/KN﹒m
N/KN
V/KN

刚架柱
柱顶 B

（1）

392.10
123.55
-49.01

（2）

-3.10
5.87
-4.48

（1）

392.10
123.55
-49.01

（2）

-3.10
5.87
-4.48
柱底 A

——
——
——
——
——

——
——
——
——

——

（1）

0
151.20
-49.01

（2）

0
28.91
5.26
刚架梁

刚架梁
支座B

（1）

392.10
61.06
118.06

（2）

-3.10
5.05
5.4
跨中C

（2）

-46.66
-1.19
-1.55

（1）

-290.41
48.76
-4.87
5.刚架设计
5.1截面设计：
初选梁柱截面均用焊接工字钢。截面特性：
5.2构件验算：
（1）构件宽厚比验算
翼缘部分： =120/12=10<
腹板部分：=576/10=57.6<
（2）刚架梁的验算
A.抗剪验算
梁截面最大剪力为=118.06kN，考虑到仅有支座加劲肋，，=>，满足要求。
B.弯、剪、压共同作用下的验算
取梁段截面进行验算，N=61.06kN，V=118.06kN，M=392.10kN.m。
因V<0.5，取V=0.5，按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）验算

498.11 kN.m>M=392.10kN.m,取M=
故 ,满足要求。
C.整体稳定性验算
N=61.06kN，M=392.10kN.m
梁平面内的整体稳定性验算：计算长度取横梁长度=24119.7mm，=/=100.5<[]=150，b类截面，查表得0.427。

kN=2150kN。

=193.24，满足要求。
梁平面外的整体稳定性验算：计算长度取=3015mm。对于等截面构件，，b类截面，查表得=0.701。

=3.89〉0.6
取0.998≤1.0。

180.62< ，满足要求。
D.按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）校核该梁腹板容许高厚比。
粱端截面：

故，满足要求。
梁跨中截面：

故，满足要求。

E.验算檩条集中荷载下的局部受压承载力
a．檩条传给横梁上翼缘的集中荷载
KN

<
b．验算腹板上边缘处的折算应力
取梁端截面处的内力M=392.10kN.m，N=61.06kN，V=118.06kN。

<，满足要求。
（3）刚架柱的验算
A.抗剪验算
柱截面的最大剪力是=49.01kN，考虑到仅有支座加劲肋，，=>，满足要求。
B.弯、剪、压共同作用下的验算
取柱端截面进行验算N=123.55kN，V=49.01kN，M=392.10kN.m。
因V<0.5，取V=0.5，按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）验算

544.98 kN.m>M=392.10kN.m,取M=
故 ,满足要求。
C.整体稳定验算
构件的最大内力：N=123.55kN，M=392.10kN.m
a.刚架柱平面内的整体稳定性验算

刚架柱高H=8000mm，梁长L=24119.7mm，3.01，查表得柱的计算长度系数。刚架柱的计算长度=14348mm。 <[]=150，b类截面，查表得。
kN=6076.16kN，

=185.18，满足要求。
b.刚架柱作用平面外的整体稳定性验算
计算长度。
对等截面构件，，b类截面，查表得=0.701。
=3.89>0.6
取0.998≤1.0。
<
D.按《轻型门式刚架设计规程》可知该刚架柱腹板容许高厚比不需验算。
（4）验算刚架在风荷载作用下的侧移

刚架柱顶等效水平力：

<[]=
5.3节点验算：
（1）梁柱连接节点
A.螺栓强度验算
梁柱节点采用10.9级M27高强摩擦型螺栓连接，构件截面采用喷砂，摩擦面抗滑移系数=0.50，每个高强螺栓的预拉力是290kN，连接处传递内力设计值：N=61.06kN，
V118.06kN，M=392.10kN.m。

（a） （b）
图5.1 刚架柱与刚架梁的连接节点
螺栓抗拉承载力验算：
kN<
螺栓抗剪承载力验算：
> ，满足。
最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算：
<1，满足要求。
B.端板厚度验算
端板厚度取t=25mm，按二边支撑类端板计算:

C.梁柱节点域的剪应力验算
< 170 ，满足要求。
D.螺栓处腹板强度验算

kN＜0.4P=116kN。
< ，满足要求。
（2）横梁跨中节点
A.螺栓强度验算
横梁跨中节点采用10.9级M24高强摩擦型螺栓连接，构件接触面采用喷砂，摩擦面抗滑移系数=0.50，每个高强螺栓的预拉力是225kN，连接处传递内力设计值：N=48.76kN，V=4.87kN，M=290.41kN.m。

（a） （b）
图5.2 刚架梁跨中节点
螺栓抗拉承载力验算：

kN<
螺栓抗剪承载力验算：
>kN，满足
最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算
<1，满足要求。

B.端板厚度验算
端板厚度取t=25mm，按二边支撑类端板计算

C.螺栓处腹板强度验算
kN＜0.4P=90kN。
< ，满足要求。
（3）柱脚设计
刚架柱与基础铰接，采用平板式铰接柱脚。
a.柱脚内力设计值：, ; 。
b.由于柱脚剪力较小，<=60.48kN，故一般不考虑剪力键；但经计算在设置柱间支撑的开间必须设置剪力键。另>0，考虑柱间支撑竖向上拔力后，锚栓仍不承受拉力，故仅考虑柱在安装过程中的稳定，按构造要求设置锚栓即可，采用4M27。
c.柱脚底板面积和厚度计算。

图5.3 刚架柱铰接
A.柱脚底板面积确定
=290—350mm，取b=320mm
=640—700mm，取h=660mm

底板布置如图，基础采用C20混凝土，=9.6，验算底板下混凝土的轴心抗压强度设计值：<，满足要求。
B.底板厚度的确定
根据柱底板被柱腹板和翼缘所分割的区段分别计算底板所承受的最大弯矩:
三边支承板：
按悬臂板计算：
对于悬臂板部分：
底板厚度：，取t=20mm。
6.其他构件设计
6.1檩条的设计：
檩条选用冷弯薄壁卷槽型钢，按单跨简支构件设计。屋面坡度1/10，檩条跨度6m，于跨中设一道拉条，水平檩距1.5m，材质为钢材Q235。

图6.1 冷弯薄壁卷槽型钢截面
（1）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。
檩条线荷载标准值：
檩条线荷载设计值：
，
弯矩设计值：

（2）截面选择及截面特性
A.选用C200×70×20×2.5：，，；，，，，。
先按毛截面计算的截面应力
=130.04（压）
=122.04（压）
=125.47（拉）
B.受压板件的稳定系数
腹板：>—1
22.98
上翼缘板：上翼缘板为最大压应力作用于部分加劲板件的支撑边，
>—1
0.896
C.受压板件的有效宽度
腹板：，
>1.1
板组约束系数：=0.424

由于<0，取=101.78mm。
=80，，
<<
则截面有效宽度为：
=102.63mm
=0.4=41.05mm，=0.6=61.578mm。

上翼缘板：
<1.1
板组约束系数：

由于>0，取。
=28，，
<<
则截面有效宽度为：
mm
=0.4=26.24mm，=0.6=39.37mm。
下翼缘板：下翼缘板全截面受拉，全部有效。
D.有效净截面模量

图6.2 檩条上翼缘及腹板的有效净截面
上翼缘板的扣除面积宽度为，腹板的扣除面积宽度为，同时在腹板的计算截面有一直径13mm拉条连接孔（距上翼缘板边缘35mm），孔位置与扣除面积位置基本相同。所以腹板的扣除面积按直径13mm拉条连接孔计算，有效净截面模量为：
=51.31

27.52
11.01

（3）强度验算
按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑
=136.35<205
=128.16<205
（4）挠度计算
mm<[]=30mm
（5）构造要求
,满足
，满足。
6.2隅撑的设计：
隅撑按轴心受压构件设计，轴心力为

连接螺栓采用普通C级螺栓M12，隅撑的计算长度取两端连接螺栓中心的距离为。选用L50×4，截面特性：，
，查表得。单面连接的角钢强度设计值乘折减系数，，
满足要求。

图6.3 檩条上翼缘及腹板的有效净截面
6.3墙梁的设计：
本工程为单层工业厂房，刚架柱柱距为6m，标高1.200m以上采用彩色压型钢板。墙梁间距1.5m，跨中处设置一道拉条，钢材Q235.
（1）荷载计算
墙梁采用冷弯薄壁卷边C型钢200×70×20×2.5，自重，墙重；
基本风压，
，
（2）内力计算
，
（3）强度计算
墙梁C200×70×20×2.5，平放，开口朝上，，，
，,参考屋面檩条的计算结果及工程实践经验，取，。

在风吸力下拉条位置设在墙梁内侧，并在柱底设斜拉条。此时压型钢板与墙梁外侧牢固相连，可不验算墙梁的整体稳定性。
（4）挠度计算
，满足要求。

参考文献
[1] 中华人民共和国建设部，钢结构设计规范GB50017—2003. 北京：中国建设工业出版社，2003.
[2] 陈树华，刚结构设计[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2007.
[3] 陈志华，刚结构原理[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2007.
[4] CECS102：2002.门式刚架轻型房屋刚结构技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.
[5] GB50018—2002.冷弯薄壁型刚结构技术规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.