《建筑钢结构设计》.doc

建筑钢结构设计大作业建筑钢结构设计大作业一、 设计资料 1、车间柱网布置：长度120m，柱网分别为6m、7.5m、9m，跨度分别为21m、24m、27m、30m，檐口高度分别为6m、8m、9m，屋面坡度为1/10，屋面材料为单层彩板或夹芯板，墙面材料单层彩板或夹芯板，天沟为彩板天沟或钢板天沟。2、 荷载：静荷载当无有吊顶时为，有吊顶时为；活荷载为（计算刚架时）、（计算檩条时）；基本风压，地面粗糙度为B类；雪荷载为；地震设防烈度为7度。3、 材质:Q235或Q345 钢材 4、 地质水文条件: 场地平坦,周围无相邻建筑物,II类场地土, 自上而下土层分布情况为: (1)素填土,FK=50kPa,ES=2.8MPa,厚度0.51.m，灰褐色，软塑 (2)粘土,FK=170kPa,ES=7.0MPa,厚度0.41.m，黄褐色，可塑 (3）粘土,FK=280kPa,ES=12.0MPa,厚度3.0m，褐色，硬塑 (4)粘土,FK=420kPa,ES=15.0MPa,厚度2.9m， 黄褐色，硬塑 (5)强风化岩层，FK=420kPa，坚硬 地下水位较低,无侵蚀性。 施工技术条件:各种机具、材料和施工质量能满足要求。2、 作业要求 根据不同柱网、跨度、檐口高度、荷载可以有多种不同的组合。每人取其中的一种组合（不得雷同），独立完成轻钢门式刚架结构设计计算。要求计算书内容要有系统地编排，字体要端正，表示要清楚，计算步骤明确，计算公式和数据来源应有依据，并应附有与设计有关的插图和说明。三、设计计算书内容1、确定柱网和屋面及其支撑布置，选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求；2、门式刚架选型，确定梁柱截面形式，并初估截面尺寸；3、梁柱线刚度计算及其计算长度确定；4、荷载统计及计算荷载计算；5、用结构力学计算各工况下的内力、柱顶水平位移及横梁挠度；6、进行荷载组合、内力组合（不考虑地震计算）；7、构件及连接节点（梁柱连接节点、屋面梁拼接节点）设计计算；8、柱脚设计计算。要求计算书内容要有系统地编排，字体要端正，表示要清楚，计算步骤明确，计算公式和数据来源应有依据，并应附有与设计有关的插图和说明。四、教材及参考书1.马人乐等编著，建筑钢结构设计（第二版），同济大学出版社，2000年10月2.建筑钢结构设计，刘锡良、陈志华编著，天津大学出版社，2004年3.建筑钢结构焊接规程（JGJ81-2002)5.钢结构高强度螺栓连接的设计施工及验收规范（JGJ82-91)6.钢结构设计规范（GB50017-2003)7.冷弯薄壁型钢结构设计手册8.门式刚架轻型房屋钢结构技术规范（CECS 102:98)9.钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001)10.建筑结构荷载规范（GB50205-2001)（2006版）11.冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002)五、考核方式 占总成绩的20%.计算书有关资料（一） 钢架平面图布置和几何尺寸如下:16879000图1(b).刚架形式及几何尺寸27000（二）各部分作用的荷载标准值计算屋面：恒荷载标准值：0.459=4.05kN/m活荷载标准值：0.509=4.50kN/m柱荷载：恒荷载标准值：0.4599+4.059=91.13kN活荷载标准值：4.5027/2=60.75kN风荷载标准值：迎风面：柱上qw1=0.3590.25=0.79KN/m横梁上qw2=0.3591.0=3.15kN/m背风面：柱上qw3=0.3590.55=1.73kN/m横梁上qw4=0.3590.65=2.05kN/m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=27/9=3=f/h=1.6875/9=0.19k=h/s=9/13.6051=0.6613=3+k+(3+)=3+0.6613+0.19(3+0.19)=4.2674HA=HE=ql/8=4.052730.5243/8=21.50kNMC=ql21(1+) /8=4.05x2721(1+0.19)0.5243=138.80kNmMB=MD=ql2/8=4.052720.5243/8=193.50kNm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。9000-193.50kNm27000ABCED138.80KNm-193.50kNm54.68kN36.45kN36.45kN54.68kN21.50kN21.50kNg=4.05kN/m图2.刚架在恒荷载作用下的M图91.13kN91.13kN28.11KN9000图3.刚架在恒荷载作用下的N图27000AEBCD54.68KN94.13KN21.33KN28.11KN54.68KN91.13KN+2在活荷载作用下VA=VE=27.00KNHA=HE=4.502730.5243/8=23.89KNMC=4.502721(1+0.19)0.5243/8=154.22KNmMB=MD=4.502720.5243/8=215.00KNm刚架在活荷载作用下的内力如图。23.89KN-215.00KNm9000图5.刚架在活荷载作用下的M图27000AEB154.22KNmCq=4.50KN /mD60.75KN-215.00KNm23.89KN60.75KN9000图6.刚架在活荷载作用下的N图27000A+60.75KNE31.35KN60.75KNB23.71KN+C+D31.25KN60.75KN+60.75KN57.32KN6000图7.刚架在活荷载作用下的V图1800023.89KNA-E23.89KNB+2.96KNC-D-+2.96KN57.32KN23.89KN23.89KN3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VA=3.1527/210.63=31.40KNHA=HE=ql/4=3.152730.1311/4=8.36KNMB=MD=8.369=75.26KNmMC= ql22(1+) /4=3.152720.521.150.1311/4=53.96KNm刚架在qw2y作用下的内力如图m=3.15KNq8.368.36KN31.40KN75.26KNm9000图8.刚架在风荷载qw2y作用下的M图27000AB53.96KNmEDw2y/C75.26KNm8.36KN10.63KN(2)在背风面横梁上风荷载竖向分力qw4y作用下VA=2.0527/26.92=20.75KNHA=HE=ql/4=2.052730.1311/4=5.44KNMB=MD=5.449=48.98KNmMC= ql22(1+) /4=2.052720.521.150.1311/4=35.12KNm刚架在qw4y作用下的内力如图。m6.92KN5.44KN9000图9.刚架在风荷载qw4y作用下的M图27000A48.98KNmB35.12KNmC6.92KNEDqw4y=2.05KN/48.98KNm5.44KN(3)在迎风面柱上风荷载qw1作用下=1，VA=VB=qh12/2L=0.7992/(227)=1.19 KNMD=1.719=15.39KNm刚架在qw1作用下的内力如图。1.19KN5.40KN9000qw1=0.79KN/m图10.刚架在风荷载qw1作用下的M图27000A16.58KNmBC2.34KNm1.71KN1.19KNED15.39KNm(4)在背风面柱上风荷载qw3作用下VA=VB=qh12/2L=1.7392/(227)=2.60KNHA=1.73911.82=3.75KNMD=11.8291.7392/2=36.32KNmMB=3.759=33.75KNm刚架在qw3作用下的内力如图。900011.82N2.60KN36.32KNm3.75KNA2.60KN13.68KNm5.13KNmqw3=1.73KN/mDECB27000图11.刚架在风荷载qw3作用下的M图(5) 在迎风面横梁上风荷载水平分力qw2x作用下=1，=0HA=3.150.9(1+0.0201)/2=1.45KNHE=3.150.91.45=1.385KNMB=1.459=13.05KNmMD=1.3859=12.465KNm刚架在qw2x作用下的内力如图。图12.刚架在风荷载qw2x作用下的M图270001.45KN0.99KN13.05KNmA6000B0.92KNmC1.39KN0.99KNqw2x=3.15KN/m12.47KNmED(6) 在背风面横梁上风荷载水平分力qw4x作用下HA=2.050.9(1+0.0201)/2=0.94KNHE=2.050.90.94=0.91KNMB=0.919=8.19KNmMD=0.949=8.46KNm刚架在qw4x作用下的内力如图。9000图13.刚架在风荷载qw4x作用下的M图270000.65KN0.94KNAE0.91KN0.65KNqw4x=2.05KN/m8.46KNmB0.60KNmC8.19KNmD(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2700041.77KN22.41KN169.71KNm9000ABC95.03KNm27.93KNqw4x2.05KN/mE0.72KND左风qw2x=3.15KN/mqw1=0.79KN/m76.54KNmqw3=1.73KN/m94.86KNm24.27KNmqw2y=3.15KN/mqw4y=2.05KN/m9000qw1=0.79KN/mqw2x=3.15KN/m右风图15.刚架在右风向风荷载qw作用下的M图2700022.77KN41.77KNAE27.93KN0.72KNqw3=1.73 N/mqw4y=2.05KN/m76.54KNmqw2y=3.15KN/m94.86KNm169.71KNmB95.03KNmCqw4x=2.05KN/m24.27KNmD900041.77KN-27000-ABCED20.46KN20.46KN图16.刚架在左风向风荷载qw作用下的N图27.93KN-27.93KN19.60KN19.60KN41.77KN900015.30KN+-16.29KNCB2.70KN270000.72KN30.16KNA-+22.41KN+ED1.81 KN-25.63KN图17.刚架在左风向风荷载qw作用下的V图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)Mmax及相应的N、V；(2)Mmin及相应的N、V梁跨中截面：(1)Mmax及相应的N、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Mmax、V；(4)Nmin及相应的Mmax、V内力组合见表1。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）刚架柱柱顶（B点）Mmax及相应的N、VA1.2恒+1.4活533.20150.6762.85（）Mmin及相应的N、VB1.0恒+1.4风44.1052.480.08（）Nmax及相应的Mmax、VA1.2恒+1.4活533.20150.6762.85（）Nmin及相应的Mmax、VB1.0恒+1.4风44.1052.480.08（）柱底（A点）Mmax及相应的N、VMmin及相应的N、VNmax及相应的Mmax、VA1.2恒+1.4活0147.1659.25（）Nmin及相应的Mmax、VB1.0恒+1.4风032.659.87（）刚架梁支座（B点）Mmax及相应的N、VA1.2恒+1.4活533.2077.48148.55（）Mmini及相应的N、VB1.0恒+1.4风44.100.53421.08（）跨中（C点）Mmax及相应的N、VB1.0恒+1.4风5.767.311.11（）Mmin及相应的N、VA1.2恒+1.4活382.4758.797.35（）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。35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6003001216，截面特性：B=600mm，H=600mm，tw=12.0mm，tf=16.0mm，A=164.16cm2Ix=100199cm4，Wx=3340cm3，ix=24.71cmIy=7208cm4，Wx=481cm3，ix=6.63cm（二）构件验算1构件宽厚比的验算翼缘部分： 腹板部分： 2刚架梁的验算(1)抗剪验算梁截面的最大剪力为Vmax=148.55KN考虑仅有支座加劲肋，fv=125N/mm2Vu=hwtwfv=56812125=852000N=852.0KNVmax=148.55KNVu，满足要求。(2)弯、剪、压共同作用下的验算取梁端截面进行验算N=77.48KN，V=148.55KN，M=533.20KNN因VM=533.20KNm，取M=Mf故，满足要求。(3) 整体稳定验算N=77.48KN，M=533.20KNmA梁平面内的整体稳定性验算。计算长度取横梁长度lx=27120mm，x=lx/ix=27120/247.1=109.75=150，b类截面，查表得x=0.493，mx=1.0=163.57N/mm2f=215 N/mm2，满足要求。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=0，s=w=1y=sl/iy0=3015/66.3=45.5，b类截面，查表得y=0.876取b=1.070.282/by=0.848故，满足要求。梁跨中截面：故，满足要求。(5)验算檩条集中荷载下的局部受压承载力檩条传给横梁上翼缘的集中荷载：F=(1.20.279+1.44.50)3=27.648KNLz=a+5hy+2hR=70+512+0=130mm验算腹板上边缘处的折算应力：取梁端截面处的内力：M=533.20KNm，N=77.48KN，V=148.55KNc=17.72N/mm2=103.40 N/mm21.2f=258 N/mm2，满足要求。3刚架柱的验算抗剪验算柱截面的最大剪力为Vmax=62.85KN考虑仅有支座加劲肋，fv=125N/mm2Vu=hwtwfv=56812125=852000N=852.0KNVmax=62.85KNVu，满足要求。(2)弯、剪、压共同作用下的验算取梁端截面进行验算N=150.67KN，V=62.85KN，M=533.20KNN因VM=533.20KNm，取M=Mf故，满足要求。(3)整体稳定验算构件的最大内力：N=150.67KN，M=533.20KNmA刚架柱平面内的整体稳定性验算。刚架柱高H=9000mm，梁长L=27090mm.柱的线刚度K1=Ic1/h=100199104/9000=111332.2mm3梁线刚度K2=Ib0/(2S)=100199104/(213545)=36987.4mm3K2/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=26406247.1=106.86=150，b类截面，查表得x=0.512，mx=1.0=182.35N/mm20.4P=0.4190=76.0KN，满足要求。2横梁跨中节点横梁跨中节点采用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=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=58.79KN，V=7.35KN，M=382.47KNm。每个螺栓的拉力：螺栓群的抗剪力：，满足要求。最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力：，满足要求。(2)端板厚度验算端板厚度取为t=20mm。按二边支承类端板计算：(3)螺栓处腹板强度验算Nt2=90.71KN0.4P=0.4155=62.0KN，满足要求。3 柱脚设计 刚架柱与基础铰接，采用平板式铰接柱脚。(1)柱脚内力设计值Nmax=150.67N，相应的V=62.85KN；Nmin=32.65KN，相应的V=9.87KN。(2)由于柱底剪力较小，max0，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。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=96/426=0.2250.3，按悬伸长度为b2的悬壁板计算：对于悬壁板部分：底板厚度，取t=20mm。其它构件设计（一）隅撑的设计隅撑按轴心受压构件设计。轴心力N按下式计算：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：l0=633mm。选用L504，截面特性：A=3.90cm2，Iu=14.69cm4，Wu=4.16cm3，iu=1.94cm，iv=0.99cmu=l0/ iu=633/19.4=32.61，k=7.86.29+9.782=10.26B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=260.02/305.47=0.8511，kc=5.8911.59+6.682=0.865(3)受压板件的有效宽度A腹板k=10.26，kc=0.865，b=220mm，c=75mm，t=2.5mm，1=305.47N/mm2板组约束系数k1=0.11+0.93/(0.05)2=0.846由于=min/max0，取=1.15，bc=b/(1)=220/(1+0.851)=118.85mmb/t=220/2.5=8818=181.152.413=49.95，38=381.152.413=105.45所以18b/t0，则=1.150.15=1.150.150.851=1.022，bc=b=75mm，b/t=75/2.5=3018=181.0220.793=14.59，38=381.0220.793=30.80所以18b/t38则截面有效宽度20.0212.9530.033513图22.檩条上翼缘及腹板的有效净截面be1=0.4be=0.450.06=20.02mm，be2=0.6be=0.650.06=30.03mmC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：7550.06=24.94mm；腹板的扣除面积宽度为：93.9981.62=12.37mm，同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：Wenx/Wx=1.137，Wenymax/Wymax=0.971，Wenymin/Wymin=0.9804强度计算按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑：5挠度计算，满足要求。6构造要求x=900/8.5=105.9=200，满足要求y=300/2.66=112.8=200，满足要求（三）墙梁设计1基本资料本工程为单层厂房，刚架柱距为9m；外墙高10.35m，标高1.200m以上采用彩色压型钢板。墙梁间距1.5m，跨中设一道拉条，钢材为Q345。2荷载计算(1) 墙梁采用冷弯薄壁卷边C型钢20070202.5，自重g=7kg/m；(2) 墙重0.22KN/m2；(3) 风荷载基本风压0=1.050.35=0.3675KN/m2，风荷载标准值按CECS102：2002中的围护结构计算：k=sz0，s=1.1（+1.0）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。qx=1.20.07=0.084KN/m，qy=1.10.36751.51.4=0.8489KN/m3内力计算Mx=0.08492/8=0.851KNm，My=1.09392/8=8.595KNm4强度计算墙梁C20070202.5，平放，开口朝上Wxmax=28.18cm3，Wmin=11.25cm3，Wy=53.82cm3，Iy=538.21cm4参考屋面檩条的计算结果及工程实践经验，取Wenx=0.9 Wx，Weny=0.9 Wy在风吸力下拉条位置设在墙梁内侧，并在柱底设斜拉条。此时压型钢板与墙梁外侧牢固相连，可不验算墙梁的整体稳定性。5挠度计算，满足要求。（四）山墙抗风柱设计1 基本资料本工程山墙墙板为自承重墙；抗风柱9274mm，间距采用9m，承受的荷载有自重、墙梁重量及山墙风荷载。抗风柱与基础铰接，按压弯构件设计。抗风柱视为支承于刚架横梁和基础的简支构件。该地区基本风压0=0.45KN/m2，地面粗糙度类别为B类，隅撑间距3.0m。抗风柱采用Q235钢。2 荷载计算(1) 抗风柱选用焊接工字钢450200812，自重g1=62.40kg/m(2) 墙梁及其支撑构件重量取g2=7kg/m(3) 风荷载：按CECS102:2002中的围护结构计算。k=sz0，s=1.0(+1.0)，0=1.050.45=0.473KN/m2qz=1.2(0.0793+62.409.27410-2)=7.70KNqy=1.41.01.00.36759=4.63KN/m墙梁自重对抗风柱的偏心力矩为1.20.07930.23=0.522KNm3 内力计算N=4.87KN，M=1/84.639.2742+0.35=50.30KNm4 验算构件的局部稳定性翼缘宽厚比b/t=96/12=8=13，因1.602.0，l0=9274mm，x= l0/ ix=49.90=150故，满足要求。5 强度验算截面特性：A=82.1cm2，Ix=28181cm4，Wx=1252cm3，ix=18.53cm，Iy=1602cm4，Wy=160.2cm3，iy=4.42cm6 验算弯矩作用平面内的稳定性=49.90，b类截面，查表得x=0.