1、钢结构设计课程设计计算书1设计资料xxx 市某单层工业厂房,采用单跨双坡门式刚架,刚架跨度 21m,柱距 6m,柱高 6m,屋面坡度 1/10,地震设防烈度为 6 度。刚架平面布置如下图 a 所示,刚架形式及几何尺寸如下图 b 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 1.5 米,钢材采用 Q235钢,焊条采用 E43 型。(a)钢结构设计课程设计计算书2(b)一、 荷载计算1、荷载取值计算(1)屋盖永久荷载标准值彩色压型钢板 0.15 kN/m250 mm 厚保温玻璃棉板 0.05 kN/m2pvc 铝
2、箔及不锈钢丝网 0.02 kN/m 2檩条及支撑 0.10 kN/m2刚架斜梁自重 0.20 kN/m2悬挂设备 0.20 kN/m2合计 0.72 kN/m2(2)屋面可变荷载标准值屋面活荷载:对不上人屋面一般按 0.5 kN/m2 取用。雪荷载:查建筑结构荷载规范哈尔滨市,S 0=0.45 kN/m2,对于单跨双坡屋面,屋面坡角 z Sk=1 0.45 kN/m2=0.45 kN/m2=54235“ =1.0 取屋面活荷载与雪荷载中的较大值 0.5 kN/m2,不考虑积灰荷载。(3)轻质墙面及柱自重标准值0.50 kN/m2(4)风荷载标准值按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102:
3、2002 附录 A 的规定计算。基本风压 0=1.05 0.55 kN/m2=0.58 kN/m2,地面粗糙度类别为 B 类;风荷载高度变化系数按钢结构设计课程设计计算书3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)。2.各部分作用的荷载标准值计算(1)屋面恒活载标准值:0.72 6 kN/m=4.32 kN/m活荷载标准值:0.50 6 kN/m=3.00 kN/m(2)柱荷载恒
4、荷载标准值:(0.5 +4.32 10.5)kN/m=63.36 kN66 活荷载标准值:3.00 10.5 kN/m= 31.50 kN(3)风荷载标准值迎风面:柱上 qw1=0.58 6 0.25 kN/m=0.87 kN/m 横梁上 qw2=-0.58 6 1.0 kN/m=-3.48 kN/m 背风面:柱上 qw3=-0.58 6 0.55 kN/m=-1.91 kN/m 横梁上 qw4=-0.58 0.65 kN/m=-2.26 kN/m6二各种荷载作用下的内力分析1.在恒荷载作用下图 2.1 恒荷载作用下的 M 图218.kNm87.61kNmg=4.32/ABCDE. 218.k
5、Nm.ABCDE- -45.36kN-21.5kN27-45.36kN27-63.k-63.k钢结构设计课程设计计算书4图 2.2 恒载作用下的 N 图图 2.3 恒载作用下的 V 图2.在活荷载作用下 60.8kNmq=3./ABCDE28.97kNm28.97kNmABCDE1.43k122243.01kN43.0kN.51.3k .5.钢结构设计课程设计计算书5图 2.4 在活荷载作用下 M 图图 2.5 在活荷载作用下 N 图图 2.6 在活荷载作用下 V 图3.在风荷载作用下ABDE-14.75kC-17.89k-31.50k30789ABDE1.48kC29.87kN29.87k.
6、3143qw2y=3.48kN/mABCDEqw4y=2.6k/qw4x=2.6kN/m31.9w2x./q1=0.87k. 5.8-19钢结构设计课程设计计算书6图 2.7 在左风向风荷载作用下 M 图图 2.8 在左风向风荷载作用下 N 图图 2.9 在左向风荷载作用下 V 图ABCDE34.59kN. 18.20k17.8.1kN.2ABDEC3.74k0132.98k14.N1.66.09k221钢结构设计课程设计计算书7刚架的内力图正负号规定:弯矩图以刚架外侧受拉为正,轴力图以杆件受拉为正,剪力以绕杆端顺时针方向为正。三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
7、 (GB50009 2001)的规定,采用荷载效应的基本组合: 。本工程结构构件安全等级为二级,oSR。1.0o对于基本组合,荷载效应组合的设计值 S 从下列组合之中取最不利值确定: 1.2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; 1.0恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4 左风荷载标准值计算的荷载效应; 1.0恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4 右风荷载标准值计算的荷载效应; 1.2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+0.6 1.4左风荷载标准值计算的荷载效应 1.2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+0.6 1.
8、4右风荷载标准值计算的荷载效应 1.2恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4 左风荷载标准值计算的荷载效应+0.61.4活荷载标准值计算的荷载效应 1.2恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4 右风荷载标准值计算的荷载效应+0.61.4活荷载标准值计算的荷载效应 1.35恒荷载标准值计算的荷载效应+0.7 1.4活荷载标准值计算的荷载效应本工程不进行抗震验算。最不利内力组合得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,截面最不利的内力组合如下。梁端截面:M max 及相应的 N、V、M min 及相应的 N、V。梁跨中截面:M max 及相应的 N、V、M min 及相应的 N、V。对于
9、刚架柱,截面可能的最不利内力组合有:Mmax 及相应的 N、V,M min 及相应的 N、V;N max 及相应的M max、V ,N min 相应的钢结构设计课程设计计算书8Mmax、V。刚架内力组合(左半跨)见表 3.1。表 3.1 刚架内力组合(左半跨)截面 内力组合项目 荷载组合方式荷载组合项目 M / kN.m N / kN V / kNMmax及相应的 N、V (1) 1.2恒+1.4活 278.29 -75.69 -46.38Mmax及相应的 N、V (2) 1.0恒+1.4风 -15.08 22.67 -1.67Nmax及相应的M max、V (2) 1.0恒+1.4风 15.
10、08 22.67 -1.67柱顶BNmin及相应的M max、V (1) 1.2恒+1.4活 278.29 -75.69 -46.38Mmax及相应的 N、V Mmax及相应的 N、V Nmax及相应的M max、V (2) 1.0恒+1.4风 0 -120.13 -46.38刚架柱柱底ANmin及相应的M max、V (1) 1.2恒+1.4活 0 -14.93 6.17Mmax及相应的 N、V (1) 1.2恒+1.4活 278.29 -79.48 93.43支座BMmax及相应的 N、V (2) 1.0恒+1.4风 -15.08 -20.43 -3.16Mmax及相应的 N、V (2)
11、1.0恒+1.4风 -14.82 3.68 3.116刚架梁支座CMmax及相应的 N、V (1) 1.2恒+1.4活 -190.31 -46.15 -4.62四刚架设计1. 截面设计初选梁柱截面均用焊接工字钢 。截面特性:60251235Q, 钢 250mB,60mH, wt10, ftm, 7.cA, 4x679.0cI, 3x9.8cW,钢结构设计课程设计计算书9xi24cm, 4y3129.8cI, 3y250.8cmW, yi5.16c。2构件验算:(1)构件宽厚比验算翼缘部分: =120/12=10Vmax=93.43 kN,满足要求。uV5761027KNwvhtfB.弯、剪、压
12、共同作用下的验算取梁段截面进行验算,N=79.48 kN,V=93.43 kN,M=278.29 kN m。因 VM=278.29 kN m,取 M=fM故 ,满足要求。2(1)010.5fueuMVC.整体稳定性验算N=79.48 kN, M=278.29 kN m。 梁平面内的整体稳定性验算:计算长度取横梁长度 =21105 mm, = / =87.94 ,满足要求。0/.6740.835.wshtu5761027KNwvhtfmaxVB.弯、剪、压共同作用下的验算取柱端截面进行验算 N=75.69 kN,V=46.38 kN,M=278.29 kN m。因 VM=278.29 kNm 取
13、 M= fM故 ,满足要求。2(1)010.5fueuMVC.整体稳定验算构件的最大内力:N=120.13 kN,M=278.29 kNm钢结构设计课程设计计算书12a.刚架柱平面内的整体稳定性验算刚架柱高 H=6000mm,梁长 L=21105 mm,柱的线刚度,梁的线刚度4531/679.051/6.1290CkIhm, 0.284,查表得柱的计算长度42bl 21/k系数 。刚架柱的计算长度 。3.853760568oxlhm,b 类截面,查表得 。/1068/245.3610xoxli.72x=5082.96kN,20 27ExxANN1.0mx6310 .278.91302.3.76
14、()59()50mxxExMNW =138.67 ,满足要求。22/1/mfNmb.刚架柱作用平面外的整体稳定性验算计算长度 。3015oyl对等截面构件, ,b 类截面,查表得 =0.701。,/58.43swyoyliy142 22 2343017658.4135()( ()(9.76ysbyx ytAhWhf=3.890.6取 0.9981.0。 0.81.7bb 2 00175().9tExExN,满足。0.9.10.5976.KNbvfPv93.47.K12最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算:0.861 ,满足0.9.10.45kN6.bvfNP4.62/0.385v最外排一个螺栓
15、的抗剪、抗拉承载力验算0.6490,考虑柱间支撑竖向上拔力后,in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4M27。c.柱脚底板面积和厚度计算。图 5.3 刚架柱铰接A.柱脚底板面积确定=290350mm,取 b=320mm025(205)bc=640700mm,取 h=660mm6h底板布置如图,基础采用 C20 混凝土, =9.6 ,验算底板下混凝土的轴心抗cf2N/m压强度设计值: ,满足要求。3120576Nbh2/9.6cf2/B.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算底板所承受的最大弯矩:三边支承板: 21/0/576.280
16、.3b按悬臂板计算: 2415Nm68.Ma对于悬臂板部分: 2.5M27H2钢结构设计课程设计计算书17底板厚度: ,取 t=20 mm。max6/6832./153.8mtMf五其他构件设计1.檩条设计檩条选用冷弯薄壁卷边槽型钢(见图 5.1) ,按单跨简支构件设计。屋面坡度 1/10,檩条跨度 6m,于跨中设一道拉条,水平檩距 1.5m,材质为刚才 Q235。图 5.1 冷弯薄壁卷槽型钢截(1)荷载及内力考虑永久荷载与屋面荷载的组合为控制效应。檩条线荷载标准值:0.2751.kNm.15kkp檩条线荷载设计值: 14036Nmsin53k,cos1528kx ypp弯矩设计值:钢结构设计
17、课程设计计算书1822/81.56/8kNm6.xyMpl303017k(2)截面选择及截面特性选用 1872.C: 44 4x max.9c,.6cm,7.06c;8.97c,xxyyIWiIW。33min 0.9c,0c,521yyWi先按毛截面计算的截面应力为 66221 33max.81.7=N7.48()402910yxM压66222 33inm1.yxW( 压 )66223 33max.810.710=N57.8429yx ( 拉 )受压腹板的稳定系数腹板: inax/157.8/.40.12 27.869695.780915.743k上翼缘板: 上翼缘板为最大压力作用于部分加劲板
18、件的支承边 ,minax=/148./7.0.2 25.9.6591.8596.0859.63ck受压板件的有效宽度腹板: 2121.743,0.8,m,70,t=2.m,7.4Ncbc21.43.95.86ck板组约束系数 2 210.93/(0.).0(105).367k1=255743/8由于 ,取minax/.,/()(.9)m.9cb钢结构设计课程设计计算书19,则截/180/2,18.153086.7381.530814.6bt面有效宽度 2.0. .9.m.2/e cbt, 10.4.8162m3.5eeb2.6.81624.7eeb上翼缘板: 2.,.74,0,1m,7.Nck
19、bc86.52.21.3cb板组约束系数: 1/0.9k1=5580.63/172.48.9由于 ,则 , ,minax/.150170mcb/702.3.82.9.,.2.46.bt 所以 1/bt则截面有效高度 . 1.802.1970. 0.57.0/ 3e cbt, 10.4.570m2.8eeb2.6.5m34.2ee下翼缘板:下翼缘板全截面受拉,全部有效。有效净截面模量上翼缘板的扣除面积宽度为 ;腹板的扣除面积宽度为705.m=12.95 93.(,同时在腹板的计算截面有一直径 13mm 拉条连接孔(距上翼缘板81.62m=.37)边缘 35mm) ,孔位置与扣除位置基本相同。所以
20、腹板的扣除面积按直径 13mm 拉条连接孔计算(见图 ) 。有效净截面模量为42234337.9102.59013.(905)m.810enxW 24 23max8.5/.8(./)m1eny 432.5710钢结构设计课程设计计算书2024 23min8.97102.51.9/2.81.3.(1./)m70eyW430.maxamini/.915,/.93,/0.972enxenyyeyyWW(3)强度验算按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑 662221 44max.810.710= N187.9m05N325yxenMfW662222 44in 6.1809710yxen f(4) 挠度验
21、算,满足要求。435.cos5426m25.1/203m380617.90yv vl(5) 构造要求,满足要求;/7.5.2x,满足要求。302160y2.隅撑设计隅撑(见图 5.2)按轴心受压构件设计,轴心力为25014.7kN60cos36cos.9yfAN钢结构设计课程设计计算书21图 5.2 刚架梁跨隅撑布置连接螺栓采用普通 C 级螺栓 M12.隅撑的计算长度取两端连接螺栓中心的距离。086.ml选用 ,截面特性:4 5,2433.9c1.69c,.16cm,.94c,0.9cmuuuvAIWii,B 类截面,查附录 D-2 得 。单面连接0/8/.5820uli 0.893u的角钢强
22、度设计值乘以折减系数 。,./81.7,.61572y y,满足要求。322214.70Nm5.46Nm289yuNfA3.墙梁设计本工程为单层厂房,刚架柱距为 6m,外墙高 6.15m,标高 1.200m 以上采用单层彩板,墙梁间距 1.6m,跨中设一道拉条,钢材为 Q235。(1) 荷载计算墙梁采用冷弯薄壁卷边 C 型钢 ,自重 7.42kg/m,墙重 ;160723.0 20.kNm基本风压: 201.5kN/m.58k/风荷载标准值按 CECS102:2002 中的围护结构计算,0ksz.(0)s本工程外墙为落地墙,计算墙梁时不计墙重,另因墙梁先安装故不计拉条作用。,1.274kNm.
23、89kxq1.4(.)05781.kNm1.35kyq(2)内力计算,2.356/6.0xM 2.96/.40yM(3)强度验算墙梁 C ,平放,开口朝上,1073. 34max4.71cm,.6c,xxyWIW。参考屋面檩条的计算结果及工程实践经验,3 4min2.c,265c,73.6cyyWI取钢结构设计课程设计计算书22=0.9.enxxenyyW, 66222330810.41Nm178.405Nm.47925enxyM f 在风吸力下拉条位置设在墙梁内侧,并在柱底设斜拉条。此时单层彩板与墙梁外侧牢固相连,可不验算墙梁的整体稳定性。(4) 挠度验算;4351.0578.60m2.1/203m38421kyxqlv vlEI 满足要求。钢结构设计课程设计计算书23参考文献1 中华人民共和国建设部,钢结构设计规范 GB500172003. 北京:中国建设工业出版社,2003.2 陈树华,钢结构设计 M. 武汉:华中科技大学出版社,2007.3 陈志华,钢结构原理 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 GB500182002.冷弯薄壁型刚结构技术规范S. 北京:中国计划出版社,2003.钢结构设计课程设计计算书24钢结构设计课程设计计算书25