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建筑钢结构课程设计 -轻型门式钢架 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 某集团轻钢结构设计任务书一、工程概况某集团轻钢结构房屋工程的具体要求如下：1、长度120m，柱网为6m，跨度为21m，檐口高度为6m，屋面坡度为1/10，屋面材料为单层彩板或夹芯板，墙面材料双层彩板夹芯板，天沟为彩板天沟或钢板天沟。2、荷载：静荷载当无吊顶时为；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6度。3、所有建筑应尽量采用铝合金隔热门窗；建筑外观要求美观、新颖，能够充分体现轻钢结构建筑的美学特点。二、设计原始资料1.气象资料该地区为三级气候分区，其基本气象资料为：最冷月平均气温：3.0；最热月平均气温：28.8。极端最低温度5；极端最高温度41。平均年总降雨量1230.6 mm,日最大降雨量317.4 mm。最大积雪深度：32 mm。最大冻土深度：10 mm。冬季平均风速2.6 m/s，夏季平均风速2.5 m/s，30年一遇最大风速21.9 m/s。常年主导风向：东北夏季主导风向：西南风冬季主导风向：东北风2.地质水文资料建筑物场地地势平坦，地表高程38.5638.72m，地下水位标高33.4m，无腐蚀性。经地质勘测，地表剖面为：表层0.81.2m耕杂土；以下有2.5m深的亚粘土；再往下为厚砂卵层。亚粘土可做持力层，地基承载力标准值为120KN/m2,地基土容重为19KN/m3。3.材料规格钢材：门式刚架采用Q345-B钢，屋面檩条、墙架采用Q235-B螺栓：采用扭剪型高强度螺栓10.9级,普通螺栓采用六角头螺栓（C级）；焊条：手工焊、自动埋弧焊和CO2气保护焊；基础混凝土C30,垫层混凝土C10；钢筋：直径为级钢筋，直径为级钢筋。4.地震设防烈度6度 ；三、建设规模以及标准1.建筑规模：建筑面积约，为单层钢结构建筑。2.建筑防火等级：二级3.建筑防水等级：二级4.建筑装修等级：高级四、其它设计要求及资料单跨双坡门架五、设计依据建筑结构荷载规范（GB500092001）钢结构设计规范（GB500172003）门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102: 2002冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB500182002）建筑制图标准（GBJ10487）六、参考资料轻型钢结构设计手册冷弯薄壁型钢结构设计手册建筑结构构造资料集（上、下册）建筑钢结构设计手册（上、下册）钢结构连接节点设计手册钢结构设计与计算房屋建筑学（中国建筑工业出版社）钢结构（王国周著）钢结构（魏明钟）轻型门式刚架（张其林）某集团轻钢结构设计计算书1、 设计资料 某集团轻钢结构房屋工程的具体要求如下：长度120m，柱网为6m，跨度为21m，檐口高度为8m，屋面坡度为1/11，屋面材料为单层彩板或夹芯板，墙面材料双层彩板夹芯板，天沟为彩板天沟或钢板天沟。荷载：静荷载当无吊顶时为；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6度。所有建筑应尽量采用铝合金隔热门窗；建筑外观要求美观、新颖，能够充分体现轻钢结构建筑的美学特点。钢材：门式刚架采用Q345-B钢，屋面檩条、墙架采用Q235-B 螺栓：采用扭剪型高强度螺栓10.9级,普通螺栓采用六角头螺栓（C级）； 焊条：手工焊、自动埋弧焊和CO2气保护焊； 基础混凝土C30,垫层混凝土C10； 钢筋：直径为级钢筋，直径为级钢筋。钢架平面布置图 钢架形式及尺寸2、 荷载计算1. 荷载取值计算屋盖永久荷载标准值（对水平投影面）75mm厚岩棉夹心彩板 0.12N/m2檩条及支撑 0.10KN/m2钢架斜梁自重 0.15N/m2悬挂设备 0.20N/m2 合计 0.57N/m2屋面可变荷载标准值屋面活荷载：活荷载为（计算刚架时）、（计算檩条时），雪荷载为，取屋面活荷载与雪荷载中的较大值。轻质墙面及柱自重标准值（包括柱、墙骨架等）0.50 KN/m2风荷载标准值按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002 附录 A 的规定计算。基本风压0=1.050.35KN/m2=0.3675KN/m2，地面粗糙度类别为 B类；风荷载高度变化系数按建筑结构 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)。据全国民用建筑工程设计技术措施结构中第 18.8.1 条建议：单层门式刚架轻型房屋钢结构一般在抗震设防烈度小于等于 7度的地区可不进行抗震计算。故本工程结构设计不考虑地震作用。2. 各部分作用的荷载标准值计算屋面：恒荷载标准值：活荷载标准值：柱荷载：恒荷载标准值：活荷载标准值：风荷载标准值：迎风面：柱上 横梁上背风面：柱上 横梁上三、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。利用结构力学求解器确定刚架内力。1. 在恒荷载作用下刚架在恒荷载作用下M图刚架在恒荷载作用下V图刚架在恒荷载作用下N图2. 在活荷载作用下刚架在活荷载作用下M图刚架在活荷载作用下V图刚架在活荷载作用下N图3. 在风荷载作用下刚架在左风向风荷载作用下M图刚架在左风向风荷载作用下V图刚架在左风向风荷载作用下N图右风向风荷载作用下各图与左风向风荷载对称四、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+0.6 1.4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+0.7 1.4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内力组合表如下 截面内力组合项目荷载组合方式荷载组合项目MNV 刚 架 柱柱顶（B点）MMAX及相应的N、V A1.2恒+1.4活-239.18-66.12-35.02MMIN及相应的N、VB1.0恒+1.4风17.532.44-1.77 NMAX及相应的MMAX、V A1.2恒+1.4活-239.18-66.12-35.02NMIN及相应的MMAX、VB1.0恒+1.4风17.532.44-1.77柱底（A点）MMAX及相应的N、V MMIN及相应的N、V NMAX及相应的MMAX、V A1.2恒+1.4活0-117.92-34.32NMIN及相应的MMAX、VB1.0恒+1.4风0-23.505.65 刚 架 梁梁端（B点）MMAX及相应的N、VA1.2恒+1.4活-238.18-43.5483.68MMIN及相应的N、VB1.0恒+1.4风16.53-0.64-1.25跨中（C点）MMAX及相应的N、VA1.2恒+1.4活183.85-34.85-3.88MMIN及相应的N、VB1.0恒+1.4风12.193.940、845、 刚架设计1. 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 450200812，截面特性： B=200mm，H=450mm，tw=8.0mm，tf=12.0mm，A=82.1cm2，Ix=28181cm4，Wx=1252cm3，ix=18.53cm Iy=1602cm4，Wy=160.2cm3，iy=4.42cm2. 构件验算A. 构件宽厚比验算 翼缘部分： 腹板部分：B. 刚架梁的验算a.抗剪验算梁截面的最大剪力为考虑仅有支座加劲肋故满足要求。b.弯剪压共同作用下的验算取梁端截面进行验算因取V=0.5Vu=306.72KN故c.整体稳定验算梁平面内的整体稳定性验算计算长度取横梁长度 lx=21100mm， 查表得满足要求。梁平面外的整体稳定性验算考虑屋面压型钢板与檩条紧密连接，檩条可作为刚架梁平面外的支撑点，计算时平面外计算长度按常规檩条隅撑间距考虑，取。 查表得取 故。梁跨中截面：故。C.刚架柱的验算a.抗剪验算柱截面的最大剪力为考虑仅有支座加劲肋故满足要求。b.弯剪压共同作用下的验算取柱顶截面进行验算因取V=0.5Vu=306.72KN故c.整体稳定验算刚架柱平面内的整体稳定性验算计算长度柱高长度 lx=7000mm，梁长L=21100mm柱的线刚度梁的线刚度刚架柱的计算长度， 查表得满足要求。刚架柱平面外的整体稳定性验算 考虑屋面压型钢板与墙梁紧密连接，起到蒙皮作用，与柱相连的墙梁可作为柱平面外的支撑点，计算长度按两个墙梁距离或隅撑间距考虑，取。 查表得取 校核刚架柱腹板容许高厚比柱顶截面：故。柱底截面： 故。D.验算刚架在风荷载作用下的侧移刚架柱顶等效水平力为：六、节点验算1.梁柱连接节点A.螺栓强度验算 梁柱节点采用 10.9级 M24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，每个高强度螺栓的预拉力为 225KN，连接处传递内力设计值每个螺栓的拉力：螺栓群的抗剪力：,满足要求。最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力：B.端板厚度验算端板厚度取t=20mm满足要求。C.梁柱节点域的剪应力验算，满足要求。D.螺栓处腹板强度验算满足要求。2. 横梁跨中节点A.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，每个高强度螺栓的预拉力为 190KN，连接处传递内力设计值每个螺栓的拉力：螺栓群的抗剪力：,满足要求。最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力：B.端板厚度验算端板厚度取t=17mm满足要求。C.螺栓处腹板强度验算满足要求。3. 柱脚设计刚架柱与基础铰接，采用平板式铰接柱脚。A. 柱脚内力设计值B.锚栓的设置故一般跨间不需剪力键；但经计算在设置柱间支撑的开间必须设置剪力键。另考虑柱间支撑竖向上拔力后，锚栓仍不承受拉力，故仅考虑柱在安装的过程中的稳定，按构造要求设置锚栓即可，采用4M24.C.柱脚底板面积和厚度计算a.柱脚底板面积底板布置如图。验算底板下混凝土的轴心抗压强度设计值：基础采用C30混凝土，fc=14.3N/mm2b.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7 其他构件设计1. 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L50*4，截面特性：A=3.90cm2，Iu=14.69cm4，Wu=4.16cm3 ，iu=1.94cm，iv=0.99cmB类截面，查表得单面连接的角钢强度设计值乘以折减系数2. 檩条的设计A.基本资料檩条选用冷弯薄壁卷槽形钢，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。材质为钢材 Q235。B.荷载及内力考虑永久荷载与屋面活荷载的组合为控制效应。檩条线荷载标准值：檩条线荷载设计值：弯矩设计值：C.截面选择及截面特性a. 选用C180*70*20*2.5Ix=420.20cm4，Wx=46.69cm3，ix=7.04cm；Iy=54.42cm4，Wymax=25.82cm3，Wymin=11.12cm3，iy=2.53cm，X0=2.11cm；先按毛截面计算的截面应力为：b.受压板件的稳定系数腹板：腹板为加劲板件， 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， c.受压板件的有效宽度腹板： 板组约束系数由于所以，则截面有效宽度：上翼缘板： 板组约束系数由于 所以，则截面有效宽度：下翼缘板下翼缘板全截面受拉，全部有效。d.有效净截面模量上翼缘板的扣除面积宽度为：7063.67=6.33mm；腹板的扣除面积宽度为： 94.1491.44=2.7mm，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。有效净截面模量为：，D.强度计算按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑：E.挠度计算满足要求。F.构造要求3. 墙梁设计A. 基本资料本工程为单层厂房，刚架柱距为6m；采用双层彩板夹芯板。墙梁间距1.5m，跨中设一道拉条，钢材为Q235。B. 荷载计算墙梁采用冷弯薄壁卷边C型钢16060202.2,自重为g=5.21kg/m，墙重为0.12KN/m2；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。 ，C. 内力计算D. 强度计算墙梁 C16060202.2，平放，开口朝上Wxmax=17.53cm3，Wxmin=7.82cm3，Wy=32.20cm3，Iy=257.57cm4 参考屋面檩条的计算结果及工程实践经验，取 Wenx=0.9Wx，Weny=0.9Wy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。E.挠度计算4. 山墙抗风柱设计A. 基本资料本工程山墙墙板为自承重墙；抗风柱7250mm，间距采用 6m，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W0=0.35KN/m2，地面粗糙度类别为B类，隅撑间距3.0m。抗风柱采用 Q235钢。B. 荷载计算(1) 抗风柱选用热轧H型钢450200812，自重g1=65.1kg/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=1.050.35=0.3675KN/m2 ，qz=1.2(0.0763+65.17.25010-2)=7.18KNqy=1.41.01.00.36756=3.09KN/m墙梁自重对抗风柱的偏心力矩为 1.20.07630.23=0.35KN*mC. 内力计算N=7.18KN，M=1/83.097.252+0.35=20.65KN*mD. 验算构件的局部稳定性翼缘宽厚比 L0=7250mm,故E. 强度验算截面特性： B=200mm，H=450mm，tw=8.0mm，tf=12.0mm，A=82.97cm2，Ix=27146cm4，Wx=1217cm3，ix=18.09cm Iy=1578