钢结构课程设计门式刚架设计

钢结构课程设计

——门式刚架设计

班级： B1143 学号： 23 姓名： 彭洪波

目 录

1 设计资料 ................................................................................................................................... 1 2 钢架布置简图 .......................................................................................................................... 1 3 荷载计算与荷载简图 .............................................................................................................. 2

3.1荷载计算 ......................................................................................................................... 2 3.2荷载简图 ......................................................................................................................... 3

3.3内力分析 ................................................................................................................................. 4

3.3.1内力计算 ...................................................................................................................... 4 3.3.2控制截面内力组合 ...................................................................................................... 7

4

钢架设计 .................................................................................................................................. 7

4.1截面设计 ......................................................................................................................... 7 4.2构件验算 ......................................................................................................................... 8 4.2.1构件宽厚比验算 .......................................................................................................... 8 4.2.2钢架柱验算 .................................................................................................................. 8 4.2.3刚架梁的验算 ............................................................................................................ 10 4.2.4刚架在风荷载作用下的侧位移： ............................................................................ 12 4.3节点验算 ....................................................................................................................... 12 4.3.1梁柱连接节点 ............................................................................................................ 12 4.3.2屋脊节点验算 ............................................................................................................ 13 4.3.3 柱脚设计 ................................................................................................................... 14

1 设计资料

单跨双坡轻型门式刚架，钢架跨度为 12 m，高度为 7 m， 柱距 9 m，屋面坡度 5 %。刚架为等截面的梁、柱。材料采用Q 235-B 钢材，焊条采用E 型。

风振系数和风压高度变化系数均取1.0。

荷载： 恒载 横梁（含上方屋面板及檩条重） 0.50 KN/m2 立柱（含墙重） 0.45 KN/m2

活载 风荷载 0. 35 KN/m2 屋面活荷载 0.30 KN/m2

雪荷载 0. 40 KN/m2

2 钢架布置简图

该厂房长度60m，跨度27m，共有11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，檩条间距为1.5m。

C

B

A

12000

图2.1 刚架立面

3 荷载计算与荷载简图

3.1荷载计算

将各项面荷载值乘以柱距得出分布于刚架上的各项线荷载。风荷载还需考虑刚架的体型系数。活载标准值在屋面活载与雪载中选较大值。

图3.1 风荷载体型系数

荷载计算如下表：

表1.1 各线荷载标准值/kN/m

3.2荷载简图

（1） 恒载：

（2） 屋面活载

（3）风荷载（以左风为例） 荷载如下图：

3.3内力分析

3.3.1内力计算

根据各个计算简图，求得结构在各种荷载作用下的内力图如下：

表格4.1 计算简图及内力值(M、N、Q)

3.3.2控制截面内力组合

取控制截面为下图中的A、B、C三处共四个截面： 柱A、柱B、梁B、梁C。

图4.10 控制截面示意图

考虑以下三种可能的组合方式：

组合①：1.35×恒载+1.4×0.7活载 组合②：1.2×恒载+1.4×活载

组合③：1.2×恒载+1.4×0.9×（活载+风载）

表4.2 各种情况下控制截面的内力

4 钢架设计

4.1截面设计

初选梁柱截面均采用焊接工字钢 500 × 200 ×10× 16，截面特征值如下表示：

4.2构件验算 4.2.1构件宽厚比验算

翼缘部分：b/t95

f= 16 = 5.94

468

10

= 46.8

①抗剪验算

梁截面的最大剪力为Vmax=54.46KN 考虑仅有支座架劲肋

λh0/tws=

5.34

fy/235=

468

10

/.34=0.49

②弯、剪、压共同作用下的验算

取梁端截面进行验算，N＝13.64KN ； V＝54.46KN ；M＝77.75KN·m

因V

M=(Ah21N

ff1h+Af2h2)(f-A

)

2

=(200⨯16⨯[1**********]+200⨯16⨯242)(215-11225

)

故(

=332.80KN·m>M=77.75KN·m，取M=Mf

M-MfV

-1)2+=0

③整体稳定性验算

N= 13.64 KN

M= 77.75 KN·m

a) 柱平面内的整体稳定性验算：

计算长度取横梁长度lx=12000mm，

λx=lx/ix=12000/201.7=119.14

N

'EX0

π2EAe0π2⨯206⨯103⨯11225===1461.71KN，β1.1λ21.1⨯119.142

mx=1.0

N+ϕxAe0

βmxMx

N

We1(1-ϕx')

NEX0

13640=+0.441⨯11225

1.0⨯77.75⨯106

13.64

1827⨯103⨯(1-0.441⨯)

1461.7

=42.38N/mm2

b) 横梁平面外的整体稳定验算：

考虑屋面压型钢板与檩条紧密连接，有蒙皮作用，檩条可作为横梁平面外的支承点，但为安

全起见，计算长度按两个檩距或隅撑间距考虑，即ly=3015mm。 对于等截面构件γ=0，μs=μw=1

λy=μsl/iy0=3015/43.6=69.15，b类截面，查表得ψy=0.756

ψby=

432011225⨯46869.15⨯162

⨯⨯()=1.396>0.6

4.4⨯46869.1521827⨯103

NN2

+0.75()=0.976''

NEX0NEX0

取ψb’=1.07－0.282/ψby=0.868

βt=1.0-

βtMN351800.976⨯77.55⨯106+=+=159.31N/mm2

3

ϕyAe0We1ϕbr0.756⨯112250.868⨯1827⨯10

4.2.3刚架柱的验算

①抗剪验算

柱截面的最大剪力为Vmax=11.106KN 考虑仅有支座加劲肋，

λh0/tws=

5.34

fy/235=0.49

fv=125N/mm2 Vu=hwtwfv=468×10×125=585000N=585KN Vmax=30.80N

②弯、剪、压共同作用下的验算

取梁端截面进行验算

N=49.68KN，V=11.10KN，M=54.88KN·N 因V

h2M(A1N

f=f1h+Af2h2)(f-)

2A

2 =(200⨯16⨯242242+200⨯16⨯242)(215-4968011225

)

=163.84KN·m>M=54.88KN·m，取M=Mf

故(V0.5V-1)2

+M-Mf=0

③整体稳定性验算

N= 49.68 KN

M= 54.88 KN·m

a) 柱平面内的整体稳定性验算：

刚架柱高H=7000mm，梁长L=12030mm.

柱的线刚度K1=Ic1/h=28181×104/6000=46968.3mm3 梁线刚度K2=Ib0/(2ψS)=28181×104/(2×9045)=15578.2mm3 K2/K1=0.375，查表得柱的计算长度系数μ=2.838。 刚架柱的计算长度lx=μh=25542mm。

λx=lx/ix=25542/201.7=126.6。0

N

'EX0

π2EAe0π2⨯206⨯103⨯11225===1294.5KN，β22

1.1λ1.1⨯126.6

mx=1.0

N+ϕxAe0

βmxMx

N

We1(1-ϕx')

NEX0

88560=+0.404⨯11225

1.0⨯277.22⨯106

88.56

1827⨯103⨯(1-0.404⨯)

1294.5

=175.6N/mm2

b) 横梁平面外的整体稳定验算：

考虑屋面压型钢板与檩条紧密连接，有蒙皮作用，檩条可作为横梁平面外的支承点，但为安

全起见，计算长度按两个檩距或隅撑间距考虑，即ly=3000mm。 对于等截面构件γ=0，μs=μw=1

λy=μsl/iy0=3000/43.6=68.8，b类截面，查表得ψy=0.758

ψby=

432011225⨯46868.8⨯162

⨯⨯()=1.433>0.6

4.4⨯46868.821827⨯103

NN2

+0.75()=0.935''

NEX0NEX0

取ψb’=1.07－0.282/ψby=0.873

βt=1.0-

βtMN88.56⨯1030.935⨯277.22⨯10622+=+=172.92N/mm

4.2.4刚架在风荷载作用下的侧位移：

Ic=Ib=45685cm4，δt= Ic l/hIb=24000/9000=2.67 刚架柱顶等效水平力按下式计算： H=0.67W=0.67×15.84=10.61KN 其中W=(ω1+ω4)·h=(0.55+1.21)×9.0=15.84KN

Hh310.61⨯103⨯90003μ=(2+ξt)=⨯(2+2.67)=31.98mm

12EIc12⨯206⨯10⨯45685⨯10

4.3节点验算 4.3.1梁柱连接节点

(1) 螺栓强度验算

梁柱节点采用10.9级M22高强度摩擦型螺栓连接，构件接触面采用喷砂，摩擦面抗滑移系数μ=0.45，每个高强度螺栓的预拉力为290KN，连接处传递内力设计值：N=13.64KN，V=54.46KN，M=77.75KN·m。 每个螺栓的拉力：

N1=

My1N77.75⨯0.2913.64

-=-=106.8KN

yin4⨯(0.29+0.17)8

My2N77.75⨯0.1713.64

-=-=143.62KN

n8y4⨯(0.229+0.17)i

N2=

螺栓群的抗剪力：

b

NV=0.9nfμp=0.9⨯1⨯0.45⨯290⨯8=939.6KN>V=86.92KN，满足要求。

最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力：

NVNt54.46/8173.46

+b=+=0.74

939.6/8232NVNt

(2)端板厚度验算

端板厚度取为t=25mm。 按二边支承类端板计算：

6⨯40⨯45⨯173.46.65⨯103

t≥==24.1mm

[ewb+2ef(ef+ew)]f[46⨯200+2⨯40⨯(40+46)]⨯205

6efewNt

(3)梁柱节点域的剪应力验算

M77.75⨯106

τ===126.57N/mm2

dbdctc468⨯468⨯10

(4)螺栓处腹板强度验算 Nt2=143.62KN

0.4P0.4⨯290⨯103

==2572N/mm2

ewtw45⨯40

4.3.2屋脊节点验算

横梁跨中节点采用10.9级M20高强度摩擦型螺栓连接，构件接触面采用喷砂，摩擦面抗滑移系数μ=0.45，每个高强度螺栓的预拉力为155KN，连接处传递内力设计值：N=3.584KN，V=31.804KN，M=11.082KN·m。 每个螺栓的拉力：

N1=

My1N11.082⨯0.293.584

-=-=106.34KN

yin4⨯(0.29+0.17)8

My2N11.082⨯0.173.584

-=-=55.79KN

n8y4⨯(0.29+0.17)i

N2=

螺栓群的抗剪力：

b

NV=0.9nfμp=0.9⨯1⨯0.45⨯225⨯8=810KN>V=1.54KN，满足要求。

最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力：

NVNt1.54/8147.34

+b=+=0.82

810/8180NVNt

(2)端板厚度验算

端板厚度取为t=23mm。 按二边支承类端板计算：

6⨯40⨯46⨯147.34⨯103

t≥==22.16mm

[ewb+2ef(ef+ew)]f[46⨯200+2⨯40⨯(40+46)]⨯205

(3)螺栓处腹板强度验算 Nt2=84.78KN

6efewNt

0.4P0.4⨯225⨯103

==200N/mm2

ewtw45⨯10

4.3.3 柱脚设计

钢架柱与基础铰接，采用平板式铰接柱脚。

(1)柱脚内力设计值

Nmax=97.56KN，相应的V=23.79KN； Nmin=45.62KN，相应的V=2.76KN。 (2)由于柱底剪力较小，

Ｖmax=23.79N0，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+2×16+2×(20~50)=272~332mm，取b=300mm； h=h0+2t+2c=450+2×16+2×(20~50)=572~632mm，取h=600mm； 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

N97.56⨯103

σ===0.542N/mm2

bh300⨯600

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距： 对于三边支承板部分：b2/b1=96/468=0.224

M=12σa214=2

⨯0.542⨯1452=5697.8N⋅m

对于悬壁板部分：M=122σa4

=1

2⨯0.542⨯502=677.5N⋅m 底板厚度t=Mmax/f=6⨯5697.8/215=12.61mm，取t=20mm。