钢结构课程设计―门式钢架-刘文茂

1门式钢架设计一、设计资料某厂房为单跨双坡门式刚架，跨度24m，长度90m，柱距67.5m，檐高8m，屋面坡度1/10。刚架为等截面的梁、柱，柱脚为刚接。屋面材料、墙面材料采用单层彩板。檩条和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20.55/OWKNm，基本雪压20.2/KNm，地面粗糙度B类。二、结构平面柱网及支撑布置该厂房长度90m，跨度24m，柱距67.5m，共有1613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，因此柱间支撑用分层布置，布置图详见施工图。刚架平面布置见图1，刚架形式及几何尺寸见图2。图1刚架平面布置图2图2刚架形式及几何尺寸三、荷载的计算（一）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8m；屋面坡度为1：10。（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）907.53080.30.50.55907.52480.30.50.551．屋盖永久荷载标准值屋面板20.30/KNm刚架斜梁自重（先估算自重）20.15/KNm合计0.452/KNm2．屋面可变荷载标准值屋面活荷载：按不上人屋面考虑，取为0.502/KNm。3雪荷载：0.22/KNm取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.502/KNm，不考虑积灰荷载。3．轻质墙面自重标准值0.252/KNm4．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=0.552/KNm，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)的规定采用，当高度小于10m时，按10m高度处的数值采用，μz=1.0。风荷载体型系数μs：迎风面柱及屋面分别为＋0.25和－1.0，背风面柱及屋面分别为＋0.55和－0.65(CECS102：2002中间区)。（三）各部分作用荷载：（1）屋面荷载：标准值：10.4562.71/cosKNM柱身恒载：0.2561.5/KNM（2）屋面活载屋面雪荷载小于屋面活荷载，取活荷载10.5063.01/cosKNM4（3）风荷载01.05101.0kzszshm以风左吹为例计算，风右吹同理计算：根据公式计算:根据查表，取，根据门式刚架的设计规范，取下图：（地面粗糙度B类）风载体形系数示意图2122231.051.00.250.550.144/0.14460.86/1.051.01.00.550.5775/0.577563.47/1.051.00.550.550.3176/0.317661.91/kNmqkNmkNmqkNmkNmqkNmkkk迎风面侧面，屋顶，背风面侧面，241.051.00.650.550.3754/0.375462.25/kNmqkNmk屋顶，风荷载如下图：5（四）内力计算：（1）截面形式及尺寸初选梁柱都采用焊接的H型钢68梁的截面高度h一般取(1/301/45)L,故取梁截面高度为600mm；暂取H600300，截面尺寸见图所示,柱的截面采用与梁相同截面截面名称长度()mm面积2()mmxI64(10)mmxW43(10)mmyI64(10)mmyW43(10)mmximmyimm6柱60030068H72009472520173362423461.6梁60030068H105529472520173362423461.68668612522.06109472101.9510,2.061052010101.0710xEAknEIknm（2）截面内力根据各个计算简图，用结构力学求解器计算，得结构在各种荷载作用下的内力图如下：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：恒载作用下轴力图7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：活荷载作用下轴力图8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：风荷载作用下轴力图9风荷载作用下剪力图风荷载作用下弯矩图（3）内力组合由于恒载和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)的规定，采用荷载效应的基本组合：γ0S≤R。本工程取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：组合1：1.2×永久荷载+1.4×max{屋面均布活荷载、雪荷载}+1.4×0.7风荷载组合2：1.2×永久荷载+1.4×0.7×max{屋面均布活荷载、雪荷载}+1.4×风荷载组合3：1.0×永久荷载+1.4×风荷载10组合1、2－用于截面强度和构件稳定性计算，组合3－用于锚栓抗拉计算。本工程不进行抗震验算。最不利内力组合的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的截面内力及内力组合见下表：各情况作用下的控制截面内力截面内力恒载活载左风1－1N-44.56-36.1837.92Q-21.26-23.6328.36M-65.56-72.8584.622－2N-24.40-36.1837.92Q21.2623.63-21.48M-104.55-116.17114.743－3N-32.56-27.1125.15Q30.2833.65-35.59M104.55116.17-114.744－4N-21.16-23.5225.15Q2.122.35-6.25M65.2972.55-62.16控制截面内力组合11截面内力1.2×永久荷载+1.4×max{屋面均布活荷载、雪荷载}+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、雪荷载}+1.4×风荷载1.0×永久荷载+1.4×风荷载1－1N-66.96-35.84-104.12Q-30.80-8.97-58.59M-97.73-31.60-180.662－2N-42.77-11.65-79.93Q37.5418.6058.59M-175.65-78.67-288.103－3N-52.38-30.43-77.03Q48.5719.4983.45M175.6578.67288.104－4N-33.67-13.23-58.32Q-0.29-3.905.83M119.0062.42179.92（五）截面验算控制内力组合项目有：①＋Mmax与相应的N，V(以最大正弯矩控制)②－Mmax与相应的N，V(以最大负弯矩控制)③Nmax与相应的M，V(以最大轴力控制)④Nmin与相应的M，V(以最小轴力控制)所以以上内力组合值，各截面的控制内力为：1-1截面的控制内力为180.66m104.1258.59MkNNKNQKN，，2-2截面的控制内力为288.10M79.9358.59MKNNKNQKN，，3-3截面的控制内力为288.1077.0383.45MKNMNKNQKN，，4-4截面的控制内力为179.9258.325.83MKNMNKNQKN，，12（1）刚架柱验算：取2-2截面内力平面内长度计算系数：0007.5K+412.067.51.51+41.511.1157.5187.51.51181.1158.92RRxlKIHHMcI，其中K=，，，平面外长度计算系数：8000/24000mm0Y考虑压型钢板墙面与墙梁紧密连接，起到应力蒙皮作用，与柱连接的墙梁可作为柱平面外的支承点，但为了安全起见计算长度按两个墙梁间距考虑，即H8920400038.164.923461.6xy，（A）局部稳定验算构件局部稳定验算是通过限制板件的宽厚比来实现的。①柱翼缘1503223523512.171515156235ybtf（满足要求）②柱腹板600162352351462502502504235wwyhtf（满足要求）（B）柱有效截面特征max4min2maxmin0max00288.1079.9358.59947217310174.638.48166.15/157.67174.63157.671.90174.6358497480.526.284.16XxwMKNMNKNQKNNMAWNmmht36，，79.9310288.1010因9770，故可以考虑屈曲后强度。13220.5157.670.90174.63584174.63306.9174.63157.671621.5[(1)0.112(1)]1/584/80.560.8,28.1235/28.121.51cwwpyhmmhtf21由于考虑屈曲后强度：=kk则，截面全部有效。（C）抗剪强度验算：'2'358.59/584/80.8537235/375.3410.81.4,[10.64(0.8)]0.973125121.63/5848121.6310568.2maxmax柱截面的最大剪力为Vk则V,满足要求。460.5/1731021510371.95/371.9579.93371.95/9472371.953.14368.81NdeeeeeeNeeeeVVMMMNWAMWfkNmMMNWAkNmkNm弯剪压共同作用下的验算:因为，按公式进行验算，其中288.10，满足要求。（D）稳定性验算：①刚架柱平面内稳定性验算：225'22'38.1180,/23538.10.9063.142.0610947212048,1.0,(1.1)(1.138.1)1.0[10.8(/)]1731xxyExmxxmxxxxExxfbEANkNMNANNWx36类截面，由《钢结构设计规范》附表C-2查得，则79.9310288.10100.90694721.054279.930(10.8)120489.31159.45168.76/Nmmf满足要求。②刚架柱平面外稳定性验算142122364/23564.90.7810.650.350.650.350.825264.91.071.070.97444004400079.93100.825288.10101.00.7894720.9741731010.81ytxbtxxbpxfbMMMAWyy类截面，由《钢结构设计规范》查得，N则2141.01151.82/Nmmf满足要求。（2）刚架梁验算：取3-3截面内力；288.1077.0383.45MKNMNKNQKN，，（A）局部稳定验算①梁翼缘1503223523512.171515156235ybtf（满足要求）②梁腹板600162352351462502502504235wwyhtf（满足要求）（B）