轻型门式刚架

1.设计资料哈尔滨市某单层工业厂房，采用单层单跨双坡门式刚架，刚架跨度24m，柱高8m，共有7榀刚架，柱距6m，屋面坡度1/10；地震设防烈度为6度，刚架平面布置如图1.1所示，刚架形式及几何尺寸如图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、制造及安装方便，檩条和墙梁均采用冷弯薄壁卷边C型钢，间距为1.5m，钢材采用Q235钢，焊条采用E43型。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型彩色压型钢板0.152kNm50mm厚保温玻璃棉板0.052kNmPVC铝箔及不锈钢丝网0.022kNm檩条及支撑0.102kNm刚架斜梁自重0.202kNm合计0.522kNm②屋面可变荷载标准值屋面活荷载：0.502kNm雪荷载：基本雪压0S=0.452kNm。对于单跨双坡屋面，屋面坡度=54238,z=1.0。雪荷载标值:kS=z0S=1.00.452kNm=0.452kNm。取屋面活荷载和雪荷载中的较大值0.502kNm，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）0.52kNm④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0=1.05×0.552kNm=0.582kNm，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》的规定采用，当高度小于10m时，按10m高度处的数值采用，z=1.0。风荷载体型系数S。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。⑤地震作用哈尔滨地区抗震设防烈度为6度，据《全国民用建筑工程设计技术措施——结构》中第18.8.1条建议：单层门式刚架轻型房屋钢结构一般在抗震设防烈度小于等于7度的地区可不进行抗震计算。故本工程结构设计不考虑地震作用。2.2各部分作用的荷载标准值计算①屋面恒荷载标准：0.52×6𝑘𝑁𝑚⁄=3.12Κ𝑁𝑚⁄活荷载标准：0.5×6𝑘𝑁𝑚⁄=3.0Κ𝑁𝑚⁄②柱荷载恒荷载标准值：0.5×6×8kNm⁄=24ΚNm⁄③风荷载标准值迎风面：柱上：0.58×6×0.25×1.0=0.87ΚNm⁄横梁上：0.58×6×(−1.0)×1.0=−3.48ΚNm⁄背风面：柱上：1.0×0.58×6×(−0.55)=−1.91ΚNm⁄横梁上：1.0×0.58×6×(−0.65)=−2.26Κ𝑁𝑚⁄3.内力分析考虑到本工程刚架跨度较小、厂房高度较低、荷载情况及刚架加工制作方便，刚架采用等截面，梁柱选用相同截面。柱脚按铰接支承设计。采用弹性分析方法确定刚架内力。应用力学求解器计算内力如下：3.1恒荷载作用下刚架的内力图符号规定：弯矩图以刚架外侧受拉为正，在弯矩图中画在受拉侧；轴力以杆件受压为正，剪力以绕杆端顺时针方向旋转为正。3.2活荷载作用下3.3风荷载作用下右风向风荷载弯矩图与左风向对称。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：RS0。本工程结构构件安全等级为二级0.10。4.1对于基本组合，荷载效应组合的设计值S从下列组合值中最不利值确定①2.1恒荷载标准计算的荷载效应4.1活荷载标准值计算的荷载效应；②0.1恒荷载标准计算的荷载效应4.1风荷载标准值计算的荷载效应；③2.1恒荷载标准计算的荷载效应4.1活荷载标准值计算的荷载效应4.16.0风荷载标准值计算的荷载效应；④2.1恒荷载标准计算的荷载效应4.1风荷载标准值计算的荷载效应4.17.0活荷载标准值计算的荷载效应；⑤35.1恒荷载标准计算的荷载效应4.17.0活荷载标准值计算的荷载效应。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。对于刚架梁，截面可能的最不利内力组合如下：梁端截面：maxM及相应的V、N；minM及相应的V、N；梁跨中截面：maxM及相应的V、N；minM及相应的V、N。对于钢架梁，截面可能的最不利内力组合有：maxM及相应的V、N；minM及相应的V、N；maxN及相应的V、maxM；minN及相应的V、maxM。内力组合见表4.1表4.1钢架内力组合（左半跨）截面内力组组合项目荷载组合方式荷载组合项目M/kN﹒mN/kNV/kN刚架柱柱顶BmaxMNV及相应的、（1）2.1恒4.1活300.5295.33-37.56minMNV及相应的、（2）0.1恒4.1风-84.6720.355.72maxmaxNMV及相应的、（1）2.1恒4.1活300.5295.33-37.56minmaxNMV及相应的、（2）0.1恒4.1风-84.67-20.35-5.72柱底AmaxMNV及相应的、—————minMNV及相应的、—————maxmaxNMV及相应的、（1）2.1恒4.1活0124.13-37.56minmaxNMV及相应的、（2）0.1恒4.1风03.6515.46刚架梁支座BmaxMNV及相应的、（1）2.1恒4.1活300.5246.6491.12minMNV及相应的、（2）0.1恒4.1风-84.67-7.89-419.69跨中CmaxMNV及相应的、（2）0.1恒4.1风23.09-11.4284.77minMNV及相应的、（1）2.1恒4.1活-226.3637.383.745.刚架设计5.1截面设计初选梁柱截面均用焊接工字钢550×300×10×10，截面特性：B=300mm,H=550mm,wt=10.0mm，ft=10.0mm，A=113002mm，xI=56151.424cm，xW=2041.873cm，xi=22.3cm；yI=45004cm，yW=3003cm，yi=6.31cm。5.2构件验算（1）构件宽厚比验算翼缘部分：b/t=145/10=14.515yf/235=15满足腹板部分：0h/wt=530/10=53250yf/235=250满足（2）刚架梁的验算①抗剪验算:梁截面最大剪力为maxV=91.12kN，考虑到仅有支座加劲肋，λs=h0tw⁄41√5.34=53010⁄41√5.34=0.56≤0.8，uV=vwwfth=530×10×125kN=662.5kNmaxV=91.12kN，满足要求。②弯、剪、压共同作用下的验算：取梁端截面进行验算，N=46.64kN,V=91.12kN，M=300.52mkN。因V0.5uV,取V=0.5uV，按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）验算fM=fhAhhAff222211=(300×10×2702270+300×10×270)×215mkN=348.3mkNM=300.52mkN，取M=fM故feufuMMMMVV2150.=01，满足要求③整体稳定验算：N=46.64kN,M=300.52mkNa.梁平面内的整体稳定性验算：计算长度取横梁长度xl0=24120mm，x=xl0/xi=24120/223=108[]=150，b类截面，查表得x=0.505。0ExN=202ReEA=π2×206×103×113001.1×1082kN=1790.6kN,mx=0.85ANx+ExxxxmxNNWM8.011=466400.505×11300+0.85×300.52×1062041.87×103×(1-0.8×46.641790.6)=136.2mmN/f=2152mmN/，满足要求b.横梁平面外的整体稳定验算：考虑屋面压型钢板与檩条紧密连接，有蒙皮作用，檩条可作为横梁平面外的支承点，但为安全起见，计算长度按两个檩距或隅撑间距考虑，即yl0=3015mm。对于等截面构件，y=yl0/yi=3015/63.1=47.8,b类截面，查表得y=0.865。0.1,85.0tx0.12354400007.12yybfxbxtxyWMAN=(46.62×1030.865×11300+0.85×300.52×1062041.87×103)2mmN/=129.92mmN/f=2152mmN/④按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）校核横梁腹板容许高厚比：梁端截面：maxmin=46.64×10311300±300.52×1062041.87×1032mmN/={151.31-143.052mmN/0=maxminmax=1.95故wth0=66≤(48𝛼0+0.5λ−26.2)√235𝑓𝑦=121，满足要求梁跨中截面：maxmin=3738011300±226.36×1062041.87×103Nmm2⁄={114.17-107.55Nmm2⁄0=maxminmax=1.94故wth0=66vf23522650480..=121，满足要求⑤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。F=(1.2×0.32×6+1.4×0.50×6)×1.5kN=9.76kNzl=Ryhha25=010570mm=120mmc=zwltF=1.0×9.76×10310×1202mmN/=8.132mmN/f=2152mmN/b.验算腹板上翼缘处的折算应力。取梁端截面处的内力M=300.52mkN，N=46.64kN,V=91.12kN，=nIMy1=300.52×106×26556151.42×1042mmN/=141.82mmN/=wItVS=91.12×103×300×10×27356151.42×104×10Nmm2⁄=13.14N/2mm2223cc=√141.82+8.12-141.8×8.1+3×13.142N/2mm=139.792mmN/f21.=2582mmN/，满足要求(3)刚架柱的验算①抗剪验算：柱截面最大剪力为maxV=37.56kN，考虑到仅有支座加劲肋，s=235345410ywfth./=0.560.8，uV=vwwfth=530×10×125kN=662.5kNmaxV=37.56kN，满足要求。②弯、剪、压共同作用下的验算：取梁端截面进行验算N=95.33kN，V=37.56kN，M=300.52mkN因V0.5uV,取V=0.5uV，按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）验算fM=fhAhhAff222211=(300×10×270×270270+300×10×270)×215mkN=348.3mkNM=300.52mkN，取M=fM故feufuMMMMVV2150.=01，满足要求。③整体稳定验算构件的最大内力：N=12.13kN,M=300.52mkNa.刚架柱平面内的整体稳定性验算：刚架柱高H=8000mm，梁长L=24120mm，柱的线刚度1k=1cI/h=56151.42×104/80003mm=70189.33mm；梁线刚度2k=0bI/(2s)=56151.4410/271203mm=23280.023mm，1k/2k=70189.3/23280.02=3.02，查表得柱的计算长度系数=2.11。刚架柱的计算长度xl0=h=2.118000mm=16880mm。x=xl0/xi=16880/223=75.7[]=150，b类截面，查表得x=0.7140ExN=202xReEA=𝜋2×206×103×128001.1×472kN=10699.12kN，mx=0.85ANx+ExxxxmxNNWM8.011=1241300.7