建筑钢结构课程设计.doc

浙江科技学院建筑工程学院钢结构课程设计课程名称： 钢 结 构 设 计 题目： 某轻型门式钢架结构设计 班级： 土木*班 学生姓名： * 学号： * 指导教师： * 2011年6月目录一 设计资料. 2二 设计计算 . 2 1 柱网及屋面结构布置 . 22 门式刚架选型 . . 23 确定门式刚架梁、柱截面形式，并初估截面尺寸 . 24 梁、柱线刚度计算及梁、柱计算长度确定 . 25 荷载计算 . 26 计算各工况下的内力 . 47 内力组合 . 87.1选取荷载效应组合 . 87.2 构件截面验算 . 88构件及连接节点设计 . 98.1 梁柱节点 . 98.2拼接接节点 . 108.3柱脚设计 . 129 绘制施工图 . 12 一 设计资料1门式刚架车间柱网布置：长度 90m；柱距 6m；跨度 21m。刚架檐高：6m；2 屋面坡度 1：10； 3屋面材料：彩板夹芯板； 墙面材料：彩板夹芯板； 5天沟：彩板天沟；材质选用：Q235-B f=215N/mm fv=125N/mm 。6.荷载标准值 1)活载： 0.5kN/m2 2)风载： 基本风压0.45 kN/m2 地面粗糙度：B类，风载体型系数（可按图1取）3)雪载： 0.4kN/m27.材质： Q235B图 1 风载体型系数示意图二设计计算1柱网及屋面结构布置（包括支撑体系布置）2门式刚架选型选用单脊双坡单跨门式钢架3确定门式刚架梁、柱截面形式，并初估截面尺寸梁截面参数：高度 H=500(mm) 翼缘宽 Bu=200(mm) 腹板厚 Tw=6(mm) 翼缘厚 Tu=10(mm)柱截面参数：高度 H=500(mm) 翼缘宽 Bu=240(mm) 腹板厚 Tw=8(mm) 翼缘厚 Tu=12(mm)4梁、柱线刚度计算及梁、柱计算长度确定截面名称长度mm面积 mm2绕 x轴惯性矩 mm4x轴回转半径 mm绕 y 轴惯性矩 mm4y轴回转半径mmZ50024081257009568.041489.659e4208.23772766.8309e4207.2204L50020061010552.26880.029542.933e453.77501334.1973e444.03685荷载计算恒荷载取值0.3kN/m25.1荷载组合 (1). 1.2 恒载 +0.91.4积灰+活载,雪载max+ 0.91.4 风载 (2). 1.0 恒载 + 1.4 风载5.2 内力计算（1）计算模型计算模型示意图图 （2）工况荷载取用恒载活载左风右风图 3-43 刚架上的恒载、活载、风载示意图图 3-44 梁柱截面示意简图6用结构力学方法计算各工况下的内力刚架梁柱的 M、Q、N见下图所示： 恒载作用时的M、Q、N图活载作用时的M、Q、N图左风作用时的M、Q、N图右风作用时刚好与做法作用时相反：图略恒载作用时杆端内力值 ( 乘子 = 1)- 杆端 1 杆端 2 - -单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 -18900.0000 -9207.48166 -0.00000000 -18900.0000 -9207.48166 -55244.8900 2 -11042.4069 17890.0242 -55244.8900 -11042.4069 -1104.24069 33320.0042 3 -11042.4069 1104.24069 33320.0042 -11042.4069 -17890.0242 -55244.8900 4 -18900.0000 9207.48166 -55244.8900 -18900.0000 9207.48166 -0.00000000- 活载作用时杆端内力值 ( 乘子 = 1)- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 -31500.0000 -15345.8027 0.00000000 -31500.0000 -15345.8027 -92074.8166 2 -18404.0116 29816.7070 -92074.8166 -18404.0116 -1840.40116 55533.3403 3 -18404.0116 1840.40116 55533.3403 -18404.0116 -29816.7070 -92074.8166 4 -31500.0000 15345.8027 -92074.8166 -31500.0000 15345.8027 -0.00000000- 左风作用时杆端内力值 ( 乘子 = 1)- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 28364.8253 16471.6535 0.00000000 28364.8253 12218.8535 86071.5213 2 14980.6193 -27008.2347 86071.5213 14980.6193 2907.73250 -41087.1799 3 15259.7620 -116.305631 -41087.1799 15259.7620 17833.2747 52390.8213 4 19263.1746 -13409.5535 52390.8213 19263.1746 -4054.05355 0.00000000- 右风作用时杆端内力值 ( 乘子 = 1)- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 19263.2175 4054.12485 0.00000000 19263.2175 13409.6248 52391.2491 2 15259.8372 -17833.3102 52391.2491 15259.8372 116.270081 -41087.1272 3 14980.6860 -2907.78224 -41087.1272 14980.6860 27008.1850 86071.0491 4 28364.7825 -12218.9248 86071.0491 28364.7825 -16471.4248 0.00000000-7荷载组合和内力组合7.1选取荷载效应组合：（1.20 恒载 + 0.9*1.40 活载+.09*1.4风载）情况下的构件内力值进行验算。组合内力数值如下表所示：（因为是等截面对称结构，只需计算单元1和单元2）表 3-6 组合内力表单元号1端轴力N(kN) 1端剪力Q(kN)1端弯距M(kN.m)2端轴力N(kN)2端剪力Q(kN)2端弯距M(kN.m)1-37.97-25.270-37.97-13.5-116.292-17.2136.47-114.92-17.21-3.559.187.2 构件截面验算7.2.1 1号单元（柱）的截面验算因为等截面，所以只需验算2 号节点端 M12= -114.92kN.m Q11= -25.27kN Q12= -13.5kN N12= -37.97kN 1) 强度验算抗压验算：=N/ A=37970 /9568=3.97 N/mm2 fy=215 N/mm2正截面抗剪验算：Q0.5Vd = 38081250.5=238kN （根据协会规程第(6.1.2)条的第三款规定进行验算(采用规程中式（6.1.2-3a）。)正截面弯验算曲:=N/ An+ M/(xWnx) =37970 /9568+116290000/(1.051659586.4)=69.91 N/mm2fy =215 N/mm2故柱截面强度满足要求。2) 稳定验算对于 1 号单元（柱），取=2所以Lox=11400mm已知柱平面外在柱高 4m 处设置柱间支撑，即平面外计算长度Loy=4000mm。ix =208.2377(mm) iy=53.7750(mm)柱的长细比：x =lx/ix=11400/208.2377=54.8y=ly/ iy=4000/53.7750=74.4从截面分类表教材4-4可知，此柱对截面的x，y轴屈曲时均属于b类截面，由教材附表17-2得x =0.834 y=0.7736N/(A)=62370/(0.77249568)=8.4 N/mm2 fy=215 N/mm23)局部稳定验算（1）翼缘的宽厚比：b1/t=（240-8）/（212）=9.67(10+0.1) (235/ fy)1/2 =18.85（2）腹板的高厚比:h0/tw= (500-212)/8=59.5250满足要求。7.2.2 2 号单元（梁）的截面验算因为等截面，所以只需验算1号节点端 M21= -116.29kN.m Q21=36.47kN Q22=3.5kN N21= -17.21kN 1) 强度验算计算1号节点端。正截面抗剪验算：Q0.5Vd = 28801250.5=180kN (根据协会规程第(6.1.2)条的第三款规定进行验算(采用规程中式（6.1.2-3a）)。正截面弯曲验算:=N/ An+ M/(xWnx) =17210 /6880+116290000/(1.051181717.3)=96.22 N/mm2fy =215 N/mm2=N/ AnM/(xWnx) =17210/6880-116290000/(1.051181717.3)= 91.22 N/mm2fy =215 N/mm2故梁截面强度满足要求。2) 稳定验算根据协会规程第 6.1.6 条第一款的规定，实腹式刚架梁当屋面坡度小于 10时，在刚架平面内可可仅按压弯构件计算其强度。本例的屋面坡度为 5.7小于 10，故可不验算梁平面内的稳定性。已知梁平面外侧向支撑点间距为 15000 mm即平面外计算长度 L0y=1500mm。梁的最小截面惯性矩Iy=13341973 mm4 , iy=44.0368mmy= L0y / iy=1500/44.0364=34.1从截面分类表教材4-4可知，此柱对截面的x，y轴屈曲时均属于b类截面，由教材附表17-2得y=0.922按照如下公式确定by=1.07y2 fy /(44000235)=1.07-34.12 215 /(44000235)=1.046N/(yA)+ txMx/(byWx)=17210/(0.9926880)+0.85116290000/(1.0461181717.3)=82.49fy =215 N/mm2 (取tx=0.85)3)局部稳定验算（1）翼缘的宽厚比：b1/t=（200-6）/（210）=9.7(10+0.1) (235/ fy)1/2 =18.85（2）腹板的高厚比:h0/tw= (500-210)/6=80250满足要求。 8构件及连接节点(梁柱连接节点、屋面梁拼接节点、柱脚)设计8.1梁柱节点采用如下图所示的连接形式。图 3-48 梁柱连接节点示意图连接处的组合内力值：M=116.29kN.m，N =17.21kN，Q = 36.47 kN。1）.螺栓验算若采用摩擦型高强度螺栓连接，用 10.9级 M20 高强螺栓，连接表面用钢丝刷除锈，=0.3，每个螺栓抗剪承载力为： N bv=0.9nfP =0.910.3155=41.85KN。抗剪需用螺栓数量 n=36.47/41.85=1，初步采用 4个 M20 高强螺栓。螺栓群布置如图 3-49 所示：图 3-49 梁柱连接节点螺栓群布置图螺栓承受的最大拉力值,最大剪力值按照如下公式计算（其中 y1=296，y2=196， 各有 2个螺栓）：N t=My1/（myi2）=116.291000296/2(22962+21962)= 68.28 kNN v /n=36.47/4=9.12kN单个高强度螺栓，受拉承载力设计值N bt= 0.8P=0.8155=124kN拉剪共同作用下，受力最大螺栓的承载力验算：N v /N bv+ N t /N bt =9.12/41.85+68.28/124 = 0.771以上计算说明：螺栓群抗剪、抗弯均满足要求。2）连接板厚度的设计端板厚度 t 根据支承条件计算确定。在本例中有两种计算类型：两边支承类端板（端板平齐）以及无加劲肋端板，分别按照协会规程中相应的公式计算各个板区的厚度值，然后取最大的板厚作为最终值。两边支承类端板（端板平齐）：8.2梁拼接节点梁的拼接方式如图 3-50 所示。图 3-50 梁拼接节点示意图图 3-51 梁拼接节点螺栓群布置图连接处的组合内力值为：M= 59.18kN.m，N = 17.21kN，Q = 3.5 kN。其计算方法与梁柱连接节点的计算方法相似1）.螺栓验算仍采用 10.9 级 M20 高强螺栓，连接表面用钢丝刷除锈，=0.3，每个螺栓抗剪承载力为： N bv=0.9nfP =0.910.3155=41.85KN。抗剪需用螺栓数量 n=3.5/41.85=1，初步采用 4个 M20 高强螺栓。螺栓群布置如图 3-51 所示：螺栓承受的最大拉力值,最大剪力值按照如下公式计算（其中 y1=296，y2=196， 各有 2个螺栓）：N 1=My1/（myi2）=59180000296/2(229+21962)=34.75 kNN v /n=3.5/4=0.88 kN单个高强度螺栓，受拉承载力设计值N bt= 0.8P=0.8155=124kN拉剪共同作用下，受力最大螺栓的承载力验算：N v /N bv+ N t /N bt =0.88/41.85+34.75/124 =0.31 以上计算说明：螺栓群