钢结构课程设计(门式钢架)

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/O W KN m ，基本雪压 20.2/KN m ，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
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
1．屋盖永久荷载标准值 屋面板
2
0.30/K
N m
刚架斜梁自重（先估算自重）
20.15/KN m
合计
0.45 2/KN m
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 2/KN m 。

雪荷载：0.22
/
KN m
取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.50 2
/
KN m，不考虑积灰荷载。

3．轻质墙面自重标准值0.25 2
/
KN m
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的规定计算。

基本风压ω0=0.55 2
/
KN m，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：
1
0.456 2.71/
cos
KN M
θ
⨯⨯=
柱身恒载：0.256 1.5/
KN M
⨯=
（2）屋面活载
屋面雪荷载小于屋面活荷载，取活荷载
1
0.506 3.01/
cos
KN M
θ
⨯⨯=
（3）风荷载
01.0510 1.0k z s z s h m ωμμωμμ=≤ 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
2122231.05 1.00.250.550.144/0.14460.86/1.05 1.0 1.00.550.5775/0.57756 3.47/1.05 1.00.550.550.3176/0.31766 1.91/kN m q kN m kN m q kN m kN m q kN m ωωω=⨯⨯⨯==⨯==-⨯⨯⨯=-=-⨯=-=-⨯⨯⨯=-=-⨯=-k k k 迎风面 侧面， 屋顶，背风面 侧面， 241.05 1.00.650.550.3754/0.37546 2.25/kN m q kN m ω=-⨯⨯⨯=-=-⨯=-k 屋顶，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
8668
6
12
52
2.0610947210 1.9510,2.06105201010
1.0710x EA kn EI kn m
--=⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯⨯⨯=⨯∙
（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
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
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
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
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
控制截面内力组合
（五）截面验算
控制内力组合项目有：
①＋M max与相应的N，V (以最大正弯矩控制)
②－M max与相应的N，V (以最大负弯矩控制)
③N max与相应的M，V (以最大轴力控制)
④N min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180.66m104.1258.59
，，
=-∙=-=-
M kN N KN Q KN 2-2截面的控制内力为288.10M79.9358.59
M KN N KN Q KN
，，
=-∙=-=
3-3截面的控制内力为288.1077.0383.45
，，
M KN M N KN Q KN
=∙=-=
4-4截面的控制内力为179.9258.32 5.83
，，
M KN M N KN Q KN
=-∙=-=
（1）刚架柱验算：
取2-2截面内力 平面内长度计算系数：
00012.06 1.51 1.11588 1.1158.92R R x l I H H M
μμ=
==∴===⨯=c I 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H 89204000
38.164.923461.6
x y λλ∴=
===， （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
(
)1503212.17156b t -==<==（满足要求）
② 柱腹板
600161462504w w h t -==<==（满足要求）
（B ）柱有效截面特征
max 4min 2
max min 0max 00288.1079.9358.59947217310174.638.48166.15/157.67
174.63157.67 1.90
174.6358497480.526.284.16X x w M KN M N KN Q KN
N M A W N mm h t σσσσασαλ=-∙=-=⎫⨯⨯=±
=±⎬⨯⎭⎧=±=⎨-⎩-+=====<+-=36
，，79.9310288.1010 因97>70，故可以考虑屈曲后强度。

220.5157.670.90174.63
584
174.63306.9174.63157.67
16
21.5
[(1)0.112(1)]10.560.8,
1c p h mm
σσβσβββ
λρ-∴==-=⨯
=+==++-++===≤=21由于考虑屈曲后强度：=
k 则，截面全部有效。

（C ）抗剪强度验算：
'2'358.590.85
0.8 1.4,[10.64(0.8)]0.973125121.63/5848121.6310568.2w w v w v d w w v kN
f f N mm V h t f KN λλλ-==
==<<=--=⨯===⨯⨯⨯=>max max 柱截面的最大剪力为V 则V ,满足要求。

460.5/1731021510371.95/371.9579.93371.95/9472
371.95 3.14368.81N d e e e e e e N e e e e V V M M M NW A M W f kN m M M NW A kN m kN m -<≤=-==⨯⨯⨯=⋅=-=-⨯=-=⋅>⋅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
'
38.1180,38.1
0.906
3.14 2.0610947212048, 1.0,(1.1)(1.138.1)
1.0[10.8(/)]1731x Ex
mx x mx x x x Ex x b EA N kN M N A N N W λλλλϕπβλβϕγ=<====⨯⨯⨯====⨯⨯⨯⨯+=+-⨯⨯⨯x 36
类截面，由《钢结构设计规范》附表C-2查得，则79.9310288.10100.9069472 1.054279.930(10.8)
12048
9.31159.45168.76/N mm f ⨯-⨯=+=< 满足要求。

② 刚架柱平面外稳定性验算
212
2
36
4
64.9
0.78
1
0.650.35
0.650.350.8252
64.91.07 1.070.974
44004400079.93100.825288.10101.00.7894720.9741731010.81tx b tx x b px b M M M A W λλϕβλ
ϕβηϕϕ====+=+⨯==-=-=⨯⨯⨯+=+⨯⨯⨯=y y 类截面，由《钢结构设计规范》查得，N 则 2141.01151.82/N mm f +=<满足要求。

（2）刚架梁验算：
取3-3截面内力；288.1077.0383.45M KN M N KN Q KN =∙=-=，， （A ） 局部稳定验算
① 梁翼缘
(
)1503212.17156b t -==<==（满足要求）
② 梁腹板
600161462504w w h t -==<==（满足要求）
（B ）梁有效截面特征
24
220.5166.53/17310
11
5842922
1623.91
[(1)0.112(1)]10.530.8,
X c p M N mm W h mm σσσσβσβββλ⎫⨯=±=±=±⎬⨯⎭∴=-=⨯
====++-++===≤6
122
1
门式刚架坡度为1/10<1/5，可以不考虑横梁轴梁的影响，按受弯构件验算。

288.1010=
k 1ρ=则，截面全部有效。

（C ）强度计算 ① 抗剪强度验算：
'2'383.455.34
0.85
0.8 1.4,[10.64(0.8)]0.973125121.63/5848121.6310568.25w w v w v d w w v kN f f N mm V h t f kN τλλλ-===
==<<=--=⨯===⨯⨯⨯=>max max 梁截面的最大剪力为V k 则V ,满足要求。

② 弯矩作用下的验算：
46
1731021510371.95.1d M M kN m m -==⨯⨯⨯=⋅>⋅ 2880kN ，满足要求。

（D ）稳定性验算
① 刚架梁平面内稳定验算：
<梁梁柱柱验算方法与柱平面内的稳定验算相同，由于N N ，M =M ，因而可以满足要求。

② 刚架梁平面外稳定验算：
2
46.20.874.9
1.0 1.07 1.02
44000
y y tx b λϕλβϕ====-
=y 一般刚架平面外稳定靠支撑来保证，
考虑檩条处设置隅撑以保证屋脊负弯矩使下翼缘受压时有支撑，在支撑点处设置隅撑以保证横梁全截面受支承，则横梁成为平面外3m 支撑的压弯构件，取其中一段计算。

3000
由=
及b 类截面查《钢结构设计规范》得，64由于有端弯矩与横梁荷载，取，则36
4
277.0777.0710 1.0.1101.00.8749472 1.02173109.31163.27172.58/tx x y b px kN
M N A W N mm f βηϕϕ⨯⨯⨯+=+⨯
⨯⨯⨯=+=<由于内力沿杆件线性变化，取较大值2880从而 满足要求。

四、位移验算
（一）柱顶水平位移验算：
866861252
2.0610947210 1.9510,2.06105201010 1.0710x EA kn EI kn m --=⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯⨯⨯=⨯∙位移验算为正常使用极限状态下的承载力验算，荷载应选用标准值。

构件截面参数：
刚架柱顶等效水平力按下式计算：
t 24000
38000
c b I L I H ζ=
== 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
mm
H mm
EI H t c 3.53150/][8.925.18.413332*********.022480004.11132324F 653t 3==<=+=+⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯=++=μξξμ （二）横梁扰度验算：
⨯⨯荷载标准值=1.0恒载+1.0活载=4.3+4.5=8.8kN/m ，，
由矩阵位移法结构力学计算程序计算位移，位移图如下：
32.1411
24000747250
L
δ
=
=<满足要求
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：
288.1079.9358.59
M KN M N KN Q KN =-∙=-=
，（使螺栓受压），
μ
采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN,
摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数=0.45，
.1.9
133.467.99125.47
.1.9
76.067.9968.07
.1
N
n
N
n
N
n
⨯
-=-=-=
∑⨯+
⨯
-=-=-=
∑⨯+
⨯
-=
∑
1
12222
i
2
22222
i
3
32
i
螺栓承受拉力为：
My28800.372793
第一排：N=kN y4(0.132+0.2120.372）10
My28800.212793
第二排：N=kN y4(0.132+0.2120.372）10
My28800.1
第三排：N=
y
.9
47.367.9939.37
-=-=
⨯+
222
32793
kN
4(0.132+0.2120.372）10
22
.4
/421.18500/4176.2
b
e t
d f
ππ
⎧⨯
⎨
=⨯=⨯⨯=
⎩
b
t
b
t
其抗拉承载力为：
[N]=0.8P=0.8225=180kN
>1257kN，满足要求。

N kN
0.9( 1.25)2[0.90.45(225 1.25125.47)0.90.45
(225 1.2568.07)0.90.45(225 1.2539.37)]0.90.452256
2[27.6156.6671.19]546.7885
f t
P N
μμ
=∑-=⨯⨯-⨯+⨯⨯
-⨯+⨯⨯-⨯+⨯⨯⨯=+++=
b
螺栓群的抗剪力(M24螺栓)（下面三排不计外加压力，只考虑预压力）
V
7.7.5
kN>589kN
24.9914.65mm mm ≥=≥
=
≥端板厚确定：
第一排螺栓端板厚 ：t ，
第二排螺栓端板厚 ：t
，
第三排螺栓端板厚 ：t 20.2026mm t mm ==，
采用端板厚。

端部腹板设置加劲肋，加强腹板强度，详见施工图
（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：
179.9258.32 5.83M KN M N KN Q KN =∙=-=，（使螺栓受压），
μ采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN,摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数=0.45，
.9391.277.2983.98.952.017.2943.72N n N n d π⨯-=-=-=∑⨯+⨯-=-=-=∑⨯+⨯=112
22i 222
22i b
t b t 螺栓承受拉力为：My 17920.37258.2
第一排：N =kN y 4(0.2120.372）8My 17920.21258.32
第二排：N =
kN y 4(0.2120.372）8
其抗拉承载力为：
[N ]=0.8P=0.8225=180kN N 22
/421.18500/4176.2b e t f π⎧⎨⨯=⨯⨯=⎩>83.98kN ，满足要求。

kN
0.9( 1.25)2[0.90.45(225 1.2583.98)0.90.45(225 1.2543.72)]0.90.4522542[48.6168.99]364.5599.7f t P N kN μμ=∑-=⨯⨯-⨯+⨯⨯-⨯+⨯⨯⨯=++=>b 螺栓群的抗剪力(M24螺栓)（下面二排不计外加压力，只考虑预压力） V 5.79kN
20.4411.7426mm mm t mm ≥=≥==端板厚确定：
第一排螺栓端板厚 ：t ，
第二排螺栓端板厚 ：t ，采用端板厚。

端部腹板设置加劲肋，加强腹板强度，详见施工图
（3）柱脚设计：
柱脚节点见下图：
设计内力采用：
180.66104.1258.59M KN M N KN Q KN =-∙=-=-，（使螺栓受压），
（A ）柱脚底板面积的确定
b=b 0+2t+2c=300+2×8+2×(20~50)=364~416mm ，取b=400mm ； h=h 0+2t+2c=600+2×8+2×(20~50)=664~714mm ，取h=700mm ； 验算底板下混凝土的轴心抗压强度设计值：
基础采用C25混凝土，f c =11.9N/mm 2，锚栓采用4M20。

322104.12100.371/11.9/400700
c c N mm f N mm σβ⨯=<=⨯ =
（B ）底板厚度计算：
2
210.50.37120074202
M fc N mm =
=⨯⨯=⋅
14.8,20t mm t mm =
== 因此采用 （C ）抗剪连接件计算
0.40.4104.1241.65N<58.59N N k k ==⨯=fb V
抗剪承载力不满足要求，需要设置抗剪连接件。