门式刚架设计

学 号

《钢结构设计》课程设计

哈尔滨市轻型门式钢架设计

院 （系）名 称： 航天与建筑工程学院 专 业 名 称： 土木工程 学 生 姓 名： 指 导 教 师：

2016年6月

《钢结构设计》课程设计计算书

一、内力计算 1. 结构概况

单层厂房采用单跨双坡门式刚架，厂房横向跨度24m ，柱高6m ，共有11榀刚架，柱距9m ，屋面坡度1/10，柱网布置图如图3-31. 屋面及墙面板为压型钢板复合板，檩条、墙梁为冷弯薄壁卷边槽钢。

2. 荷载

2

恒载标准值：屋面板、檩条、支撑平均重量0.13kN/m；

2

屋面板排风设备平均重量0.065kN/m；

2

活载标准值：0.5kN/m；

2

风载：=0.55kN/m，地面粗糙度系数按B 类取值，风荷载高度变化系数按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 5009取值， z =1.0，体型系数按照现行标准化协会标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102的附录A 表A.0.2-1，封闭式中间区取值，当风荷载自左向右时，房屋表面的体型系数如图3-31A 所示。

3. 荷载组合(根据荷载规范，活载和风载可不同时组合)

柱1

柱2

4. 刚架采用变截面构件时的刚架内力位移计算 （1）刚架计算简图和杆件截面 图3-31I 为变截面刚架示意图。

截面表 例表 3-3 （c ）

（3） 位移计算结果（！门规5.2.1）

位移计算结果 例表 3-3（d ）

注：横向侧移向右为正，竖向位移向下为正；C 点为刚架顶部节点，D 点为右侧柱顶节点。 5. 计算简图

二、刚架柱的计算

2

2

验算变截面刚架柱，尺寸如图所示，钢材选用Q345-B ，f =345N/mm，=175 N/mm。结构设计中，应从个工况取一组或多组最不利内力进行计算，本例作为计算过程演示，仅 1.2D+1.4L这一组工况。

组合内力:(1.2D+1.4L) 例表3-4

注：压正拉负。

1. 宽厚比验算（门规6.1.1） 翼缘外伸宽厚比

(270-5) /2

=6.6

20

腹板宽厚比6.1.1.1）

350800

=43.8

腹板高度变化率

800-350

=75mm /m ，腹板承载力可利用屈曲后强度。（门规6.1.1.6） 6

2. 大头端截面强度验算

（1）计算腹板抗剪承载力设计值V d （门规6.1） 1）计算参数λw （门规6.1.1.7） 因柱子腹板不设横向加劲肋，k τ

=5.34

λw =

==1.37

2）计算屈曲后抗剪强度（门规6.1.1.6）

f vd =(1-0.275⨯1.37) ⨯175=109.1N /mm 2

3）计算V d （门规6.1.1.6）

V d =h w t w f vd =8⨯

800+350

⨯109.1=501.9kN （楔形构件，腹板高度取板幅平均高度） 2

（2）腹板有效截面计算（门规6.1.1.2-门规6.1.1.6） 1）计算腹板的ψ

σmax

N M 501.9⨯103644.25⨯1062=+=+=164.2N /mm (压) 6

A W x 167004.8⨯10N M 501.9⨯103644.25⨯1062=-=-=-104.16N /mm (拉) 6

A W x 167004. 8⨯10

σmin

ψ=

σmin

=-0.634（门规公式6.1.1-5） σmax

2）计算k σ（门规公式6.1.1-4）

受压板件稳定系数k σ=

=21.229

3）计算λp （门规公式6.1.1-3）

计算参数λp =4）计算h e

==0.936

λp =0.8

h c =h w /(1-ψ) =800/(1+0.634) =490mm

h e =ρh c =0.8776⨯490=430mm （门规公式6.1.1-1b ）

确定腹板有效宽度的分布

h e 1=0.4h e =172.0mm （门规公式6.1.1-7a ） h e 2=0.6h e =258mm （门规公式6.1.1-7b ）

5）计算有效截面的截面特性

A e =2b f t f +t w h e =10600mm 2S e =4.624⨯106mm 3y =S e /A e =400mm I xe =1.9221⨯109mm 4

W e 1=I xe /(385+15) =7688400mm 3

（Ae 为有效截面的面积，Se 为有效截面对下翼缘边界的面积矩，y 为有效截面中性轴位置，Ixe 为对中性轴的转动惯量，We1为最大受压纤维截面模量） （3）强度验算（门规6.1.2.2）

由于V=107.37kN

184.98⨯103

M =644.25kN ⋅m ≤M =W e f -NW e /A e =7688400⨯(345-) =2518kN ⋅m

10600

N e

故大头端截面强度是安全的。

3. 小头端截面强度验算（门规6.1.1.2-门规6.1.1.6）

N 184.98⨯103

σ===14.12kN ⋅m ，弯矩为0

A 13100

故ψ=

σmin

=1.0（门规公式6.1.1-5）

σmax

受压板件稳定系数k σ=

=4.0（门规公式6.1.1-4）

计算参数λp =

==2.156（门规公式6.1.1-3）

λp >1.2, ρ=0.64-0.24(λp -1.2) =0.4106（门规公式6.1.1-2b ）

腹板受压区有效宽度

由于ψ>0，腹板受压区h c =h w =800mm ，h e =ρh c =0.4106⨯800mm =328.5mm

A e =2b f t f +t w h e =2⨯300⨯15+8⨯328.5=11628mm 2 N 184.98⨯103

σ===15.9N /mm 2

A e 11628

由于小头端λw =6.1.1-10）

=1.417>0.8，f vd =f v =175N /mm 2（门规公式

V d =t w h w f vd =8⨯

350+800

⨯175=805kN >V =107.37kN （对楔形构件，腹板高度取2

板幅平均高度）（门规公式6.1.1-8） 故小头端强度满足要求。

4. 平面内稳定计算（门规6.1.3）

根据附录4附表4-3-3，有关计算长度和稳定系数的计算如下： （1）计算柱的线刚度

K 1=I e 1/h =1. 9221⨯109/6000=320350mm 3（h 为构件长度）（门规公式6.1.3-3）

（2）计算梁的线刚度

首先需要楔形梁在刚架平面内的换算长度系数。（查门规附录D ）

d 1=760mm =d 2，d 0=310mm

屋脊一侧两楔形梁段的楔率为：γ1=γ2=

d 1

-1=1.45， d 0

最小截面高度两侧的楔形段长度比为β=

1

=0.5，刚架脊点视为斜梁铰接支点。 2

根据门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS 102:2002）附录D ，有

β=0.25时，ψ=0.5 β=0.50时，ψ=0.6

插值有：β=0.5时，ψ=0.6（ψ由门规附录D 查得）

半跨斜梁长度12.05m

3. 1425⨯108

=20950mm 3（门规公式6.1.3-4） 梁的线刚度K 2=I b 0/2ψS =

2⨯0.6⨯12.05⨯1000

梁柱线刚度比

K 220950==0.0653 K 1320350

I c 03.1663⨯108

柱小头大头截面惯性矩比==0.16 9

I c 11.9221⨯10

根据附表4-3-3，柱的计算长度系数μr =1.003（门规6.1.3中的表6.1.3） 柱刚度平面内的计算长度H 0=H ⨯μr =6⨯1.003=6.018m

（3）求构件轴压稳定系数

小头回转半径i 0=155.71mm , λ=H 0/i 0=38.65

查附表4附表4-2-2（b ），得ϕx γ=0.873（此处查钢规5.1及附录C ） 等效弯矩系数βmx =1.0（门规6.1.3.3规定）

N ' Ex 0d =π2EA e 0/1.1λ2=π2⨯2.06⨯105⨯11628/(1.1⨯38.652) =14381.9kN （门规公式

6.1.3-2）

N 0βmx M 1

（门规公式6.1.3-1） +

ϕx γA e 0⎡⎤⎣1-(N 0/N ' Ex 0d ) ϕx γ⎦W e 1

184.98⨯103644.25⨯106=+=102.72N /mm 2

5. 平面外的稳定计算（门规6.1.4） 等效弯矩系数

N N 2184.98⨯103184.98⨯1032

βt =1-+0.75() =1-+0.75() =0.987（门33

N ' Ex 0d N ' Ex 0d 14381.9⨯1014381.9⨯10

规公式6.1.4-2）

设墙面檩条间距为2.5m ，且通过隅撑与柱内侧翼缘连接，平面外计算长度取l =2.5m ，

又小头端截面的i y =

==90.46mm λy =

l 2500

==27.6，查附表4-2-2（b ），ϕy =0.925 i y 90.46

求均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数ϕb γ：

首先求受压翼缘与受压腹板1/3高度组成的截面绕y 轴的回转半径。柱小头截面是全截面受压。

i y 0=93.71mm

构件的楔率γ=

d 1

-1=1.29 d

μs =1+0.023γ

=1+0.023⨯1.29=1.383（门规公式6.1.4-6）

=1+0.00385⨯1.383=1.0275（门规公式6.1.4-7） μw =1+0.00385λy 0=

μs l

i y 0

=

1.383⨯2500

=36.90（门规公式6.1.4-5）

93.71

均匀受弯楔形构件的整体稳定系数ϕ

by

ϕby =

2354320() （门规公式6.1.4-4）

2

λy 0f y

=

432013100⨯350235⨯=10.12 26

36.901.809⨯10345

算得的ϕby 大于0.6，则（此处查钢规附录B ）

ϕ' by =1.07-

0.282

ϕby

=1.07-

0.282

=1.042 2.74

N 0βt M 1174.90⨯1030.987⨯644.25⨯106

+=+=195.63N /mm 2

ϕy A e 0ϕ' by W e 10.925⨯116281.042⨯7688400

（门规公式6.1.4-1）