门式刚架计算模板..

一、设计资料
某单层工业厂房，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度24m ，长度48m ，柱距6m ，檐口标高11m ，屋面坡度1/10。

屋面及墙面板均为彩色钢板，内填充保温层，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，钢材采用Q345钢，2
/310mm N f =，2/180mm N f v =，基础混凝土标号C30，2
/3.14mm N f c =，焊条采用E50型。

刚架平面布置图，屋面檩条布置图，柱间支撑布置草图，
钢架计算模型及风荷载体形系数如下图所示。

刚架平面布置图
屋面檩条布置图
柱间支撑布置草图
计算模型及风荷载体形系数
二、荷载计算
2.1 计算模型的选取
取一榀刚架进行分析，柱脚采用铰接，刚架梁和柱采用等截面设计。

2.2 荷载取值计算：
（1） 屋盖永久荷载标准值
彩色钢板 0.40 2kN
m
保温层 0.60 2kN m 檩条 0.08 2kN m 钢架梁自重 0.15 2kN m 合计 1.23 2
kN m （2） 屋面活载和雪载 0.30 2
/KN m 。

（3） 轻质墙面及柱自重标准值 0.50 2/KN m
（4） 风荷载标准值
基本风压：m kN /525.050.005.10=⨯=ω。

根据地面粗糙度类别为B 类，查得风荷载高度变化系数：当高度小于10m 时，按10m 高度处的数值采用，z μ=1.0。

风荷载体型系数s μ：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。

2.3 各部分作用的荷载标准值计算
（1） 屋面荷载：
标 准 值： m kN /42.7cos 1
623.1=⨯⨯θ
柱身恒载： m kN /00.3650.0=⨯
（2） 屋面活载
屋面活载雪载m kN /81.1cos 1
630.0=⨯
⨯θ
（3） 风荷载
以左吹风为例计算，右吹风同理计算，根据公式0ωμμωs z k =计算，z μ查表m h 10≤，取1.0，s
μ取值如图1.2所示。

（地面粗糙度B 类）
迎风面 侧面2
/131.050.005.10.125.0m kN k =⨯⨯⨯=ω，m kN q /79.06131.01=⨯= 屋顶2
/525.050.005.10.100.1m kN k -=⨯⨯⨯-=ω，m kN q /15.36525.02-=⨯-=
背风面 侧面2
/289.050.005.10.155.0m kN k -=⨯⨯⨯-=ω，m kN q /73.16289.03-=⨯-= 屋顶2
/341.050.005.10.165.0m kN k -=⨯⨯⨯-=ω，m kN q /05.26341.04-=⨯-=
三、内力计算
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。

3.1 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3.2 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3.3 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
由对称性可知，右风作用下，钢架的内力图与上述各图分别对称，可不做分析。

四、内力组合
选取荷载组合（1.2x恒载+1.4x活载+1.4x0.6x风载）对构件内力值进行验算，如下表所示截面内力恒载活载左风组合值
柱端A M 0 0 0 0
N -122.04 -21.72 40.21 -143.08 Q -24.27 -5.92 19.15 -21.33
柱端B M -266.98 -65.12 162.86 -274.74 N -89.04 -21.72 40.21 -103.48 Q -24.27 -5.92 10.46 -25.63
梁端B M -266.98 -65.12 14.41 -399.44 N -33.01 -8.05 -38.97 -83.62 Q 86.18 21.02 162.86 269.65
梁端C M 232.80 56.79 -78.09 293.27 N -33.01 -8.05 14.41 -38.78 Q -3.30 -0.81 -0.99 -5.93
五、刚架设计
5.1 截面形式及尺寸初选
梁柱都采用焊接的工字型钢，梁截面高度h 一般取（1/30—1/45）L ，故取梁截面高度为800mm ；暂取梁截面尺寸为H800x300x10x14，如下图所示，柱的截面采用与梁相同。

2
512
6
8
6681046.3101016811006.21032.310161201006.2m
kN EI kN EA x •⨯=⨯⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯⨯=--
5.2构件验算：
（1）构件宽厚比验算
206
/2352502.7710
14
2800h 4
.12/2351536.10142
/)10300(0=<=⨯-==<=-=y w y f f t f t b 腹板部分：翼缘部分：
(2) 平面内计算长度
m
H H I l I K K K x R R c 66.1215.11115
.11
10.15.7410.15.7,10.11106.12,15.745.7000=⨯==+⨯+⨯====++=
μμ其中 平面外长度计算系数：
考虑压型钢板墙面与强梁紧密连接，起到应力蒙皮作用，与柱连接的强梁可作为柱平面外的支撑点，但为了安全起见计算长度按两个强梁间距考虑，即mm H Y 55002/110000==
3.8763
5500
,2.3932312660====
y x λλ
（3）刚架柱的验算
A ．柱有效截面特征
，截面全部有效。

则由于考虑屈曲后强度
18
.017.015
.18/23563.191.2810
/772/2351.28/63
.191)1(112.0)1(16
17.42499
.5883.71772
83.71h 82.083
.7199.5882
.183
.7199
.5883.71/99.5883
.7141.6542.6104201074.274161201048.10363.25,48.103,74.2742
212max min max 024
63min max =≤=⨯⨯=
=
=++-++==+⨯
=-=-==
=+=-=
⎩⎨⎧-=±=⨯⨯±⨯=±=⎭⎬⎫-=-=•-=ρλβββσσβσσσασσσ
σy
w
w p c X f k t h k mm
mm N W M A N kN
Q kN N m kN M
B.抗剪验算
柱截面的最大剪力是max V =25.63kN ，考虑到仅有支座加劲肋，
08.1235
34.537/==
y
w
o s f t h λ，4.108.18.0<=<s λ，所以8208.0)]8.0(64.01['=--=v s v f f λ，
梁的抗剪承载力设计值max 58.1140180107728208.08208.0V kN f t h V v w w u >=⨯⨯⨯==，满足要求。

弯剪压共同作用下的验算：
因为u V V 5.0<，按公式e e e N e A NW M M M /-=≤进行验算， 其中m kN f W M e e ⋅=⨯⨯⨯==-903102151042064
，满足要求。

m kN m kN A NW M M e e e N e •>•=⨯-=-=74.2742.89716120/90348.103903/
C.整体稳定验算
构件的最大内力：N=143.08kN ，M=274.74kN ·m a.刚架柱平面内的整体稳定性验算
刚架柱高H=11000mm ，柱的计算长度系数05.10=μ。

刚架柱的计算长度
/x ox x l i λ==39.2 <[λ]=150，b 类截面，查表得0.901x ϕ=。

kN kN EA N
x Ex 5.193892
.391.1161202061.12222'
=⨯⨯⨯==πλπ, 1.0mx β= 2
36
'
1/38.289)
5
.1938908
.143901.01(104201074.2740.116120
901.0143080
)1(mm N N N
W M A
N Ex x
x x
mx x =⨯-⨯⨯⨯⨯+⨯=-+ϕβϕ 2
/310mm N f =<，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mm l oy 5500=。

对等截面构件，3.8710y w s ====λμμγ，，，b 类截面，查表得y ϕ=0.643。

)345235(7724.41487.3110420772*1612087.343202354.443202
422
00040
02
0⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯+⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪
⎪⎭⎫ ⎝
⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=y y w s x y by f h t W h A λμμλϕ =1.73>0.6
，满足要求
取22246
3102
0y
/310/4.112/73.1104201074.274975.016120643.01008.143975.075.00.10
.1906.0282.007.1mm N f mm N mm N W M A N N N N N
by E t e Y eX eX t by =<=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=+=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛'+'-=<=-='ϕβϕβϕϕ
d ．验算刚架在风荷载作用下的侧移μ
b
c I I =， 18.211000/24000/===h I l I b c t
ξ 刚架柱顶等效水平力：kN h q q H w w 57.1811)73.179.0(67.0)(67.031=⨯+⨯=+=
mm h mm EI Hh t c 18360/][86.24)18.22(101681001020612110001057.18)2(12433
33==<=+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+=μξμ
（4）刚架梁的验算
A ．梁有效截面特征
，截面全部有效。

则由于考虑屈曲后强度
18
.016.015
.18/2355.211.2810
/772/2351.28/51
.211)1(112.0)1(16
32.40690
.1772
h 90.029.10091.8990
.129
.10091
.8929.100/91.8929
.10010.9519.5104201044.399161201062.8365.269,62.83,44.3992
2
12max min max 024
63min max =≤=⨯⨯=
=
=++-++=
==-=-==
=+=-=
⎩⎨⎧-=±=⨯⨯±⨯=±=⎭⎬⎫=-=•-=ρλβ
ββσσβσσσασσσ
σy
w
w p c X f k t h k mm mm N W M A N kN
Q kN N m kN M
B.抗剪验算
梁截面的最大剪力是max V =83.62kN ，考虑到仅有支座加劲肋，由于是等截面，同理得
max 58.1140180107728208.08208.0V kN f t h V v w w u >=⨯⨯⨯==，满足要求。

弯剪压共同作用下的验算：
因为u V V 5.0<，按公式e e e N e A NW M M M /-=≤进行验算， 其中m kN f W M e e ⋅=⨯⨯⨯==-903102151042064
，满足要求。

m kN m kN A NW M M e e e N e •>•=⨯-=-=44.3992.89716120/90348.103903/
C.整体稳定验算
构件的最大内力：N=-83.62kN ，M=-399.44kN ·m a.刚架梁平面内的整体稳定性验算
梁平面内的整体稳定性验算：计算长度取横梁长度x l 0=12060mm ，/x ox x l i λ==37.34
<[λ]=150，b 类截面，查表得908.0=x ϕ。

kN kN EA N
x Ex 3.2136934
.371.1161202061.12222'
=⨯⨯⨯==πλπ, 1.0mx β=
2
36
'
1/64.297)
3
.2136962
.83908.01(104201044.3990.116120
908.083620)1(mm N N N W M A
N
Ex x
x x
mx x =⨯-⨯⨯⨯⨯+⨯=-+ϕβϕ 2
/310mm N f =<，满足要求。

b.刚架梁作用平面外的整体稳定性验算
计算长度mm l oy 5500=。

对等截面构件，3.8710y w s ====λμμγ，，，b 类截面，查表得y ϕ=0.643。

)345235(7724.41487.3110420772*1612087.343202354.443202
4
22
00040
02
0⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯+⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪
⎪⎭⎫ ⎝
⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=y y w s x y by f h t W h A λμμλϕ =1.73>0.6
，满足要求
取222
46
3102
00y
/310/2.80/906.010*******.274975.016120906.01008.143975.075.00.10
.1906.0282.007.1mm N f mm N mm N W M A N N N N N
by E t e Y eX
eX t by =<=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛'+'-=<=-='ϕβϕβϕϕ
六、节点设计：
（1）梁柱连接节点设计
A.螺栓强度验算
梁柱节点采用10.9级M30高强摩擦型螺栓连接，如下图所示。

构件截面采用喷砂，摩擦面抗滑移系数μ=0.50，每个高强螺栓的预拉力是355kN ，连接处传递内力设计值：N=-83.62kN ，V=269.65kN ，M=399.44kN ·m 。

（a ） （b ）
刚架柱与刚架梁的连接节点
螺栓抗拉承载力验算：0.8284b t N P kN ==
kN N kN n N y My N b
t i
t 28404.841462.83)55.046.031.0(455.044.3992
2221=<=-++⨯⨯=-∑=
螺栓抗剪承载力验算：
0.90.910.50355159.75b v f N n P kN μ==⨯⨯⨯=>kN N v 97.514
62
.83==，满足要求。

最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算：
，满足要求。

133.0284
04
.8475.15997.5<=+=+b
t t b v v N N N N B.端板厚度验算
端板厚度取mm t 20=，按二边支撑端板外伸计算:
，满足要求。

mm f e e e b e N e e t w f f w t
w f 71.13310
)]7360(60230073[1004.8473606)](2[63
=⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=++≥ C.梁柱节点域的剪应力验算。

节点域剪应力满足要求,/180/33.66107767761044.399226
mm N mm N t d d M c c b <=⨯⨯⨯==τ D.螺栓处腹板强度验算
翼缘内第二排第一个螺栓的轴向拉力设计值：
()
kN P KN KN n N y My N i
t 1424.03.691462.8355.046.031.0446.044.399222222=<=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛-++⨯⨯=-=
∑
取N N k 1422t =
，满足要求。

223
w 2t /310/5.194107310142e mm N mm N t N w <=⨯⨯= （2）梁梁连接节点设计
A.螺栓强度验算
梁梁连接节点采用10.9级M30高强摩擦型螺栓连接，如下图所示。

构件接触面采用喷砂，摩擦面抗滑移系数μ=0.50，每个高强螺栓的预拉力是355kN ，连接处传递内力设计值如下：
N=-38.78kN ，V=-5.93kN ，M=293.27kN ·m
（a ） （b ）
梁梁连接节点
H800×300×10×14
螺栓抗拉承载力验算：
0.8284b t N P kN
==
kN N kN n N y My N b
t i
t 28473.1051078.38)46.031.0(446.027.2932
221=<=-+⨯⨯=-∑=
螺栓抗剪承载力验算：
0.90.910.50355159.75b
v f N n P kN μ==⨯⨯⨯=>kN N v 88.310
78
.38==
，满足要求。

最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算：
，满足要求。

140.028473.10575
.15988.3<=+=+b
t t b v v N N N N B.端板厚度验算
端板厚度取mm t 20=，按二边支撑端板外伸计算:
，满足要求。

mm f e e e b e N e e t w f f w t
w f 39.15310
)]7360(60230073[1073.10573606)](2[63
=⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=++≥ C.梁柱节点域的剪应力验算。

节点域剪应力满足要求,/180/7.48107767761027.293226
mm N mm N t d d M c c b <=⨯⨯⨯==τ D.螺栓处腹板强度验算
翼缘内第二排第一个螺栓的轴向拉力设计值：
()
kN P KN kN n N y My N i t 1424.09.691078.3846
.031.0431.027.29322222=<=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛-+⨯⨯=-=
∑
取N N k 1422t =
，满足要求。

223
w 2t /310/5.194107310142e mm N mm N t N w <=⨯⨯= （3）柱脚设计
刚架柱与基础铰接，采用平板式铰接柱脚。

基础采用C20混凝土，c f =9.62/N mm .
a.柱脚内力设计值如下：kN V kN N 33.2108.143==，
b. 柱脚底板尺寸确定。

，取mm L mm c h L 850900~840)50~20(28002==⨯+=+=
23002(20~50)B b c =+=+⨯=340~400mm ，取B=360mm 。

底板反力为223/6.9/47.0360850/1008.143/mm N f mm N LB N q c c =<=⨯⨯==β，满足要求。

刚架柱柱脚构造
c. 底板厚度确定
mm N qc
M •=⨯⨯==940020047.05.05.022
mm f M t 5.13310/94006/6=⨯==，按构造取t=20mm 。

d. 抗剪连接计算：
由于柱脚铰接，柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底的水平剪力，此水平剪力可由柱脚与混凝土基础间的摩擦力来抵抗。

此时摩擦力kN V kN N V fb 33.2123.5708.1434.04.0=>=⨯==，满足要求。

25
25
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.
18。