1、钢结构课程设计-王子涵- 1 -一、设计资料该设计为单层厂房设计，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度 18m，柱高 6m；共有 12榀刚架，柱距 6m，屋面坡度 1:10；地震设防列度为 6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值 0.05g。刚架平面布置见图 1(a)，刚架形式及几何尺寸见图 1(b)。屋面及墙面板均为彩色压型钢板,内填充以保温玻璃棉板，详细做法见建筑专业设计文件；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，间距为 1.5m，钢材采用 Q235钢，焊条采用 E43型。1 12AB图 (a).刚 架 平 面 布 置 图图 (b).刚 架 形 式 及 几 何
2、 尺 寸8069- 2 -二、荷载计算（一）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 0.15 KN/m250mm厚保温玻璃棉板 0.05 KN/m2PVC铝箔及不锈钢丝网 0.02 KN/m2檩条及支撑 0.10 KN/m2刚架斜梁自重 0.15 KN/m2悬挂设备 0.20 KN/m2合计 0.67 KN/m22屋面可变荷载标准值屋面活荷载：按不上人屋面考虑，取为 0.50KN/m2。雪荷载：基本雪压 S0=0.45KN/m2。对于单跨双坡屋面，屋面坡角=54238， r=1.0，雪荷载标准值 Sk= rS0=0.45KN/m2。取屋面活荷载与
3、雪荷载中的较大值 0.50KN/m2，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）0.50 KN/m 24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=1.050.45 KN/m2，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， 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(CECS102：2002 中间区)。5地震作用据全国民用建筑工程设计技术措施结构
4、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。- 3 -（二）各部分作用的荷载标准值计算屋面：恒荷载标准值：0.676=4.02KN/m活荷载标准值：0.506=3.00KN/m柱荷载：恒荷载标准值：0.566+4.029=54.18KN活荷载标准值：3.009=27.00KN风荷载标准值：迎风面：柱上 qw1=0.4760.25=0.71KN/m横梁上 qw2=0.4761.0=2.82KN/m背风面：柱上 qw3=0.4760.55=1.55KN/m横梁上 qw4=0.4760.65=1.83KN
5、/m三、内力分析考虑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造方便，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。引用钢结构设计与计算 （包头钢铁设计研究院编著，机械工业出版社）中表 229（铰接柱脚门式刚架计算公式）计算刚架内力。1在恒荷载作用下=l/h=18/6=3=f/h=0.9/6=0.15k=h/s=6/9.0449=0.6634=3+k+(3+)=3+0.6634+0.15(3+0.15)=4.13595289.013.485HA=HE=ql/8=4.021830.5289/8=14.35KNMC=ql21(1+) /8=4.02
6、x18 21(1+0.15)0.5289=63.78KNm- 4 -MB=MD=ql 2/8=4.0218 20.5289/8=86.11KNm刚架在恒荷载作用下的内力如图。内力计算的“+、”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。 -86.1KNm0ABCED3.78KN-6.1KNm045435g/图 2刚 架 在 恒 荷 载 作 用 下 的 M图17.68KN0图 3刚 架 在 恒 荷 载 作 用 下 的 N图AEBCD5417.68K54+- 5 -60图 4.刚 架 在 恒 荷 载 作 用 下 的 V图18AE357
7、KNB.4CD-+35KN+72在活荷载作用下VA=VE=27.00KNHA=HE=3.001830.5289/8=10.71KNMC=3.001821(1+0.15)0.5289/8=47.60KNmMB=MD=3.0018 20.5289/8=64.26KNm刚架在活荷载作用下的内力如图。 10.7KN-64m图 刚 架 在 活 荷 载 作 用 下 的 M图80AE4.6KNCq=30/D2-64.2KNm170- 6 -60图 .刚 架 在 活 荷 载 作 用 下 的 N图180A+27KNE3.4B65C+D3.4KN2702580K6图 7.刚 架 在 活 荷 载 作 用 下 的 V
8、图1NA-E17B+CD-+25.K107N3在风荷载作用下对于作用于屋面的风荷载可分解为水平方向的分力 qx和竖向的分力 qy。现分别计算，然后再叠加。(1)在迎风面横梁上风荷载竖向分力 qw2y作用下 132.0)5.8(1359.46)58(16- 7 -KNlqaVE35.61829.VA=2.8296.35=19.03KNHA=HE=ql/4=2.821830.1322/4=5.03KNMB=MD=5.036=30.18KNmMC= ql2 2(1+) /4=2.8218 20.521.150.1322/4=22.38KNm刚架在 qw2y作用下的内力如图5.03KN198m6图 刚
9、 架 在 风 荷 载 qw2y作 用 下 的 M图0A.3KNEDwy/C185.3KN6(2)在背风面横梁上风荷载竖向分力 qw4y作用下KNlqaVE12.4893.12VA=1.8394.12=12.35KNHA=HE=ql/4=1.831830.1322/4=3.27KNMB=MD=3.276=19.62KNmMC= ql2 2(1+) /4=1.8318 20.521.150.1322/4=14.52KNm刚架在 qw4y作用下的内力如图。- 8 -4.12KN3760图 9刚 架 在 风 荷 载 qw4y作 用 下 的 M图80AmB14.52KNC12.35KNEDqwy=83/
10、67(3)在迎风面柱上风荷载 qw1作用下=1， 9803.1634.0).15.02(61359.4)2(641 22 KVA=V B=qh 12/2L=0.716 2/(218)=0.71KN KNqhH 2.3)980.1(67.0)( HE=0.7163.22=1.04KNMD=1.046=6.24KNm mKNqhC 81.0)93.)15.0(4671.0)1(422刚架在 qw1作用下的内力如图。B .6).(.)(22- 9 -0.71KN326qw1=/m图 刚 架 在 风 荷 载 qw1作 用 下 的 M图80A54BC0.81KN.4KN7ED62m(4)在背风面柱上风荷
11、载 qw3作用下VA=V B=qh 12/2L=1.556 2/(218)=1.55KN KNqhHE 02.7)983.1(65.)( HA=1.5567.02=2.28KNMD=7.0261.556 2/2=14.22KNmMB=2.286=13.68KNm mKNqhC 78.1)903.)15.(465.1)(1422刚架在 qw3作用下的内力如图。 7.02KN1542.8KNA1537qw=/0DEC图 刚 架 在 风 荷 载 w3作 用 下 的 M图- 10 -(5) 在迎风面横梁上风荷载水平分力 qw2x作用下=1，=0 02.)15.34(159.80KNVEA 9628.H
12、A=2.820.9(1+0.0202)/2=1.29KNHE=2.820.91.29=1.25KN mMC 39.02.15.0269.0MB=1.296=7.74KNmMD=1.256=7.50KNm刚架在 qw2x作用下的内力如图。 图 12.刚 架 在 风 荷 载 qwx作 用 下 的 M图809KN074A63C1.25KN9w2x=8/7ED(6) 在背风面横梁上风荷载水平分力 qw4x作用下KNVEA 59.0).62(189.03HA=1.830.9(1+0.0202)/2=0.84KNHE=1.830.90.84=0.81KN mMC 26.0.15.0269.03MB=0.8
13、16=4.86KNmMD=0.846=5.04KNm- 11 -刚架在 qw4x作用下的内力如图。60图 13.刚 架 在 风 荷 载 qw4x作 用 下 的 M图80.59KNAEKN59w4x=183/mB26CD(7)用叠加绘制在风荷载作用下刚架的组合内力。 图 14.刚 架 在 左 风 向 风 荷 载 qw作 用 下 的 M图80259KN367m0ABC16.7KNqw4x=83/E5D左 风qw2x=8/w1/w3/92y/y/- 12 -60qw1=0.7KN/mw2x8/右 风图 15.刚 架 在 右 风 向 风 荷 载 w作 用 下 的 M图359AE7KNqw3=/mqw4
14、y=1.83KN/w2y/6BCw4x/9D6029-18ABCED图 .刚 架 在 左 风 向 风 荷 载 qw作 用 下 的 N图 6.7K-5KN609KN+-9.5KCB451806NA-3.2ED图 7刚 架 在 左 风 向 风 荷 载 qw作 用 下 的 V图- 13 -四、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(GB500092001)的规定，采用荷载效应的基本组合： 0SR。本工程结构构件安全等级为二级， 0=1.0。对于基本组合，荷载效应组合的设计值 S从下列组合值中取最不利值确定：A1.2恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4活荷载标准值计算的荷载效应
15、B1.0恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4风荷载标准值计算的荷载效应C1.2恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4活荷载标准值计算的荷载效应+0.61.4风荷载标准值计算的荷载效应D1.2恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4风荷载标准值计算的荷载效应+0.71.4活荷载标准值计算的荷载效应E1.35恒荷载标准值计算的荷载效应+0.71.4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有：梁端截面：(1)M max及相应的 N、V； (2)Mmin及相应的 N、V梁跨中截面：(1)M max及相应的 N、
16、V； (2)Mmin及相应的 N、V对于刚架柱，截面可能的最不利内力组合有：(1)Mmax及相应的 N、V； (2)Mmin及相应的 N、V(3)Nmax及相应的M max、V ； (4)Nmin及相应的M max、V内力组合见表 1。- 14 -刚架内力组合表（以左半跨为例）表 1截面 内力组组合项目 荷载组合 方式 荷载组合项目 M（KNm） N（KN） V（KN）Mmax及相应的 N、V A 1.2恒+1.4活 193.30 81.22 32.21（）Mmin及相应的 N、V B 1.0恒+1.4风 7.89 1.05 1.67（）Nmax及相应的M max、V A 1.2恒+1.4活
17、193.30 81.22 32.21（）柱顶（B 点）Nmin及相应的M max、V B 1.0恒+1.4风 7.89 1.05 1.67（）Mmax及相应的 N、VMmin及相应的 N、VNmax及相应的M max、V A 1.2恒+1.4活 0 102.82 32.21（）刚架柱柱底（A 点）Nmin及相应的M max、V B 1.0恒+1.4风 0 19.05 4.30（）Mmax及相应的 N、V A 1.2恒+1.4活 193.30 39.89 77.60（）支座（B 点）Mmini及相应的 N、V B 1.0恒+1.4风 7.89 1.57 0.89（）Mmax及相应的 N、V B
18、1.0恒+1.4风 9.40 2.03 0.60（）刚架梁 跨中（C 点） Mmin及相应的 N、V A 1.2恒+1.4活 143.18 31.813.21（）- 15 -注：内力计算的“+、”号规定：弯矩图以刚架外侧受拉为正，轴力以杆件受压为正，剪力以绕杆端顺时针方向旋转为正。- 17 -五、刚架设计（一）截面设计参考类似工程及相关资料，梁柱截面均选用焊接工字钢 450200812，截面特性：B=200mm，H=450mm，t w=8.0mm，t f=12.0mm，A=82.1cm 2Ix=28181cm4，W x=1252cm3，i x=18.53cmIy=1602cm4，W x=160
19、.2cm3，i x=4.42cm（二）构件验算1构件宽厚比的验算翼缘部分： 1523/f15896/bt y腹板部分： 20/f0.4hyw02刚架梁的验算(1)抗剪验算梁截面的最大剪力为 Vmax=77.60KN考虑仅有支座加劲肋， 8.0562.3/4.51/0 ywsfthfv=125N/mm2Vu=hwtwfv=4268125=426000N=426.0KNVmax=77.60KNM=193.30KNm，取 M=Mf故 ，满足要求。10)5.0(2feuuMV(3)整体稳定验算N=39.89KN，M=193.30KNmA梁平面内的整体稳定性验算。计算长度取横梁长度 lx=18090mm
20、， x=lx/ix=18090/185.3=97.63M=193.30KNm，取 M=Mf故 ，满足要求。10)15.0(2feuuMV(3)整体稳定验算构件的最大内力：N=102.82KN，M=193.30KNmA刚架柱平面内的整体稳定性验算。刚架柱高 H=6000mm，梁长 L=18090mm.柱的线刚度 K1=Ic1/h=28181104/6000=46968.3mm3梁线刚度 K2=Ib0/(2S)=2818110 4/(29045)=15578.2mm3K2/K1=0.332，查表得柱的计算长度系数 =2.934。刚架柱的计算长度 lx=h=17604mm。 x=lx/ix=1760
21、4/185.3=95。00，考虑柱间支撑竖向上拔力后，锚栓仍不承受拉力，故仅考虑柱在安装过程中的稳定，按构造要求设置锚栓即可，采用 4M24。(3)柱脚底板面积和厚度的计算A柱脚底板面积的确定b=b0+2t+2c=200+212+2(2050)=264324mm，取 b=300mm；h=h0+2t+2c=450+212+2(2050)=514574mm，取 h=550mm；底板布置如图。验算底板下混凝土的轴心抗压强度设计值：基础采用 C20混凝土，fc=9.6N/mm2，满足要求。223 /6.9/6.05182.0 mNfmNbhNcB底板厚度的确定根据柱底板被柱腹板和翼缘所分割的区段分别计
22、算底板所承受的最大弯距：对于三边支承板部分：b2/b1=96/426=0.2251，k=7.86.29+9.782=21.743B上翼缘板上翼缘板为最大压力作用于部分加劲板件的支承边，=min/max=148.18/172.48=0.8591，kc=5.8911.59+6.682=0.863(3)受压板件的有效宽度A腹板k=21.743，kc=0.863，b=180mm，c=70mm，t=2.2mm，1=172.48N/mm21.952.863.07421ckb板组约束系数 k1=0.11+0.93/(0.05)2=0.367 08.34.7/251 - 28 -由于 =min/max0，则
23、=1.150.15=1.150.150.859=1.021，bc=b=70mm，b/t=70/2.2=31.8218=181.0211.197=22.00，38=381.0211.197=46.44所以 18b/t38则截面有效宽度 mbtbce 05.7)1.082.31970.)1.0/8.2( be1=0.4be=0.457.05=22.82mm，be2=0.6be=0.657.05=34.23mm- 29 -C下翼缘板下翼缘板全截面受拉，全部有效。(4)有效净截面模量上翼缘板的扣除面积宽度为：7057.05=12.95mm；腹板的扣除面积宽度为：93.9981.62=12.37mm，同
24、时在腹板的计算截面有一 13 拉条连接孔（距上翼缘板边缘 35mm） ，孔位置与扣除面积位置基本相同。所以腹板的扣除面积按13 计算，见图。有效净截面模量为： 34224 108.390)590(.13.51209.37 mWenx .2)2/.(.).18/5.(8 24max eny 3410257.m1.270 )2/.1(2.3)8/95.1(2.958 2max enyW341097.Wenx/Wx=0.915，Wenymax/Wymax=0.973，Wenymin/Wymin=0.9724强度计算按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑： 224646max1 /05/97.180257.1083. mNfNWeMnyex 224646in2 /.9 fmyenx 5挠度计算，满足要求。ly 302/1.2509.37412066“85cos.3844 图 檩 条 上 翼 缘 及 腹 板的 有 效 净 截 面
