单跨双坡门式刚架设计土木工程钢结构课程设计

单跨双坡门式刚架设计

一 设计资料

1 车间柱网布置

厂房为单跨双坡门式刚架（图1）。长度90m ，柱距6m ，跨度15m 。门式刚架檐高6m ，屋面坡度为1:10。

图1 刚架简图

2 材料选用

屋面材料：单层彩板 墙面材料：单层彩板 天沟：钢板天沟 3 结构材料材质

钢材选用235Q B -， 2215/f N mm =，2125/v f N mm = 基础混凝土标号：25C ，212.5/c f N mm = 4 荷载（标准值）

Ⅰ 恒载：无吊顶，20.25/kN m （不包括刚架自重）

Ⅱ 活载：20.5/kN m

Ⅲ 风载：基本风压200.55/W kN m =，地面粗糙度B 类，风载体形系数如图2所示：

图2 风载体形系数示意图

Ⅳ 雪载：20.2/kN m 。

本设计不考虑地震作用

二 单榀刚架设计

单榀刚架的设计取中间榀按照封闭式中间区单元进行。 1. 荷载组合

计算刚架内力时，按照如下三种荷载组合进行： ① 1.2恒载+1.4活载；

② 1.2⨯⨯恒载+1.4活载+1.40.6风载； ③ 1.20.7⨯⨯恒载+1.4活载+1.4风载； ④ 1.0恒载+1.4风载。

计算位移变形时，按照以下三种荷载组合进行： ① 恒载+活载； ② 恒载+风载；

③ ⨯恒载+活载+0.6风载。

2. 内力计算

采用同济大学33D S 7.0钢结构辅助设计软件计算结构的内力。 ① 结构的计算模型。如图3所示：

图3 刚架计算模型

② 截面形式及尺寸初选

根据柱的受力特点，且考虑经济性因素，柱采用楔形焊接H 型钢；而

梁由于跨度较小(15)m ，若采用楔形会增加制作成本，因此梁采用等截面焊接H 型钢。各个截面的信息见表1，截面形式见图4。

表 1 截面信息表

Ⅰ－Ⅰ截面Ⅱ－Ⅱ截面Ⅲ－Ⅲ(Ⅳ－Ⅳ)截面

图4 梁柱截面示意图

③各种工况下的荷载，如图5所示：

（a）恒载作用简图

（b）活载作用简图

（c）左风荷载作用简图

（d）右风荷载作用简图

图5工况荷载图

④各种工况下的内力

运行337.0

D S ，结果如图6至图9及表格2所示。

（a）N 图（单位：kN）

（b ）Q 图（单位：kN ）

（c ）M 图（单位：kN m ⋅

） 图 6 恒载作用下的刚架M 、N 、Q 图

（a ）N 图（单位：kN ）

（b ）Q 图（单位：kN ）

（c ）M 图（单位：kN m ⋅） 图 7 活载作用下的刚架M 、N 、Q 图

（a ）N 图（单位：kN ）

（b ）Q 图（单位：kN ）

59.1

59.1

34.2

34.2

19.2

19.2

c ）M 图（单位：kN m ⋅） 图 8 左风作用下的刚架M 、N 、Q 图

（a ）N 图（单位：kN ）

（b ）Q 图（单位：kN ）

19.2

19.2 34.2

34.2

59.1

59.1

c ）M 图（单位：kN m ⋅） 图9 右风作用下的刚架M 、N 、Q 图

表 2 各工况作用下的截面内力

⑤ 内力组合

由以上软件计算内力，按照荷载组合规则进行计算，内力组合值如表3所示。 表3 内力组合值

3. 构件截面验算

因为门式刚架左右对称，因此只需验证半榀刚架即可。 ⑴ 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

()160429.75158b t -==<==（满足要求） ② 柱腹板

Ⅰ－Ⅰ截面

20016462504w w h t -==<==（满足要求） Ⅱ－Ⅱ截面

40016962504w w h t -==<==（满足要求） ③ 梁翼缘

(

)160429.75158b t -==<==（满足要求） ④ 梁腹板

40016962504w w h t -==<==（满足要求） ⑵ 强度及整体稳定验算 楔形柱的腹板高度变化率为

400200

35.1/60/5.7

mm m mm m -=<，而梁因为是等截面，因此高度变化率也符合60/mm m <的条件，所以考虑板件的屈曲后强度，腹板抗剪承载力按照下式计算：d V w w v h t f '=。梁柱都不设置横向加劲肋。

对于柱： 5.34k τ=，()()40016200162842

w h mm -+-==，4w

t

mm =

0.83w λ=

==

因为0.8 1.4w λ<<，所以()2

10.640.80.981122.57/v w v v f f f N mm λ'=--==⎡⎤⎣⎦

对于梁： 5.34k τ=，40016384w h mm =-=，4w t mm =

1.123w λ=

==

因为0.8 1.4w λ<<，所以()2

10.640.80.79399.18/v w v v f f f N mm λ'=--==⎡⎤⎣⎦

1）1号单元（柱）的验算 a Ⅰ－Ⅰ截面强度验算： ① 组合内力值

Ⅰ－Ⅰ截面只存在轴力和剪力，分别验算截面的正应力和剪应力。

正应力验算采用荷载组合：1212120.0,60.32,14.32M kN m N kN V kN =⋅=-=