门式刚架轻型钢结构工业厂房最优柱距研究结构设计.doc

安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸 门式刚架轻型钢结构工业厂房最优柱距研究结构设计1.1简介 工业厂房设计中柱网布置往往采用模数化柱距，而对门式刚架轻型钢结构工业厂房来说，不合理的模数柱距会使用钢量指标过大。本文根据笔者从事的几个实际工程，对轻型钢结构工业厂房的最优柱距问题从设计用钢量的角度作了较详细的研究讨论。 关键字：轻型钢结构，门式刚架，柱距The Study on Optimumal Column Spacing of the Portal Frame Light Steel Sructure of Industrial Building.Wang Yuantsing Wang Chunguang(Department of Civil Engineering, Tsinghua University)Abstract: Spacing module is often used in the layout of column system of industrial building. But in the portal frame light steel structure industrial building, unsuitable module can cause too large design steel cost. This paper introduces some problem and cooresponding solutions in the several practical projects the author engaged. The optimumal column spacing in the light steel structure industrial building is discussedin detial from the point of design steel cost.KeyWords: light steel structure; portal frame; column spacing1.2概述门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房中一种常见的结构形式。特别是近十多年来，随着我国经济建设的迅速发展，由于生产的需要，这类结构以其用钢量低，重量轻，造价低，适用范围广等优点而获得广泛的应用。不仅国外的轻钢生产厂家纷纷将整套的厂房结构体系推向国内市场，国内的轻钢生产厂家、设计单位也纷纷转向这类结构的生产和设计。但是，由于我国目前还没有相应的轻钢设计规范。大部分设计仍沿用现行的普通钢结构设计规范来进行门式刚架轻钢结构的设计和计算，使得设计用钢量指标高攀不下，或在没有充分理论依据的情况下，凭经验一味地追求低用钢量而造成事故。因此，对门式刚架轻型钢结构进行系统的研究，建立和完善专门的设计规范势在必行。2.1设计方面2.1.1屋面活荷载取值框架荷载取0.3kN/m2已经沿用多年，但屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5kN/m2。钢结构设计规范规定不上人屋面的活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6。门式刚架一般符合此条件，所以可用0.3kN/m2，与钢结构设计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15-0.5N/m2的附加荷载，而我们无此规定，遇到超载情况，就要出安全问题。设计时可适当提高至0.5kN/m2。现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有人为减少荷载情况，应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“偷工减料”。2.2.2屋脊垂度要控制框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度？过去不明确，可能不包括屋脊点垂度。现在应该是计算的。一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于要验算跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。要的度本来就小，脊点下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。本人有此想法，刚架侧移后，当山尖下垂对坡度影响较大时（例如使坡度小于1/20），要验算山尖垂度，以便对屋面刚度进行控制。2.2.3钢柱换砼柱少数设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接。多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很并，在外力作用下很容易松动和破坏。有些设计，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。应当指出，砼柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成砼柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，要的工程斜梁很细，可能与此有关。2.3.4檩条计算不安全 檩条计算问题较大。檩要是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效。有效宽度理论是在冷弯薄壁型钢构件技术规范（GB500182002）中讲的，有的设计人员恐怕还不了解，甚至有些设计软件也未考虑。但是，设计光靠软件不行，还要能判断。软件未考虑的，自己要考虑。再有，设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略钉孔减弱。这种减弱，一般达到6-15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。规范4.1.8、9条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算；受压强度应按有效截面计算；稳定性应按有效截面计算。变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。有的单位看到国外资料中檩条很薄，也想用薄的。国外檩条普遍采用高强度低合金钢，但我国低合金钢Q345的冲压性能不行，只有用Q235的。国外是按有效截面计算承载力的。如果用Q235的，又想用得薄，计算时还不考虑有效截面，荷载稍大时檩条就要垮。3.1门式刚架轻型钢结构合理柱距的选择厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置。过去我国和前苏联习惯上将柱距模数定为3m(常用3m，6m，9m，12m等)，这实际上是照搬了预制钢筋混凝土工业厂房的模数制。对门式刚架轻型钢结构是否适用，尚很少有人对此进行专门的研究。然而，从综合经济分析的角度来看，合理的柱距(模数)对设计的好坏影响极大。这是因为：(1)对门式刚架轻型钢结构而言，任何一项设计，其设计用钢量的多少是评价设计优劣的一项重要指标。而设计用钢量和柱距的大小是密切相关的(详见以下工程实例) (2)用轻质屋面材料代替传统笨重的预制钢筋混凝土屋面板，并采用轻型墙体材料，改变了传统工业厂房”肥梁，胖柱，重盖，深基”的做法。设计中可采用由预制钢筋混凝土限制的传统柱距模数，或采用新的模数化柱距，以降低用钢量指标。(3)厂房的实际用钢量及费用还与钢材的供应情况(品种规格)、构件标准化程度等密切相关。有时因材料替代及非标准构件的采用而造成的额外耗钢还相当可观。当然，离开了柱距模数，构件的标准化是无从谈起的。因此，只有从研究经济柱距入手，确定合理的柱距模数，才能使门式刚架轻型钢结构真正地实现设计标准化、定型化、专门化。从而推动门式刚架轻型钢结构体系在我国的发展。本毕业设计是一个米跨，带有吨吊车的厂房，万荣厂有两个车间，林德发的毕业设计是一个米跨，带有吨吊车,另一个是米跨，带有吨吊车的厂房。可以说，这三个厂房从跨度和吊车吨位而言是有很大差别的，都采用6米柱距是否合适？本人以刚架跨度和吊车吨位为主要变量，利用PKPM进行结构分析，对两厂所采用的实腹式门式刚架轻型钢结构体系在给定刚架跨度和吊车吨位的条件下，其设计用钢量随柱距的变化情况作了较系统的研究。主要考虑跨度：12m、15m、18m、24m、30m、36m；吊车吨位：0t、2t、5t、10t、15t、20t；及柱距为3m、6m、9m、12m、15m、18m的情况。结构计算简图见图1。 图1门式刚架计算模型（双跨）为使研究更具有普遍意义和可比性，本文在设计计算时采用以下参数：钢材：Q235-B.F钢；风载：以0.35kN/m2为基本风压值，近似取高度变化系数为1.0; 雪荷载:0.30kN/m2,考虑屋面坡度1:15,15取屋面积雪分布系数为1.0。吊车荷载：吊车基本参数和尺寸依据550一般用途电动桥式起重机基本参数和尺寸系列(ZQ1-62)。需要说明的是：因本文考虑的是中级制工作厂房，吊车的吨位不大。因此在设计分析时，当柱距较小(9m)，吊车梁采用加宽上翼缘的实腹式工形截面梁，以满足侧向稳定的要求；当柱距为9m18m时，由于采用加宽上翼缘的方式通常需较大的翼缘，故采用制动桁架体系。同样对檩条和墙架粱，当跨度大于9m时，因采用实腹式变得很不经济或规格常受到限制，故采用桁架式。当跨度小于9m时，檩条和墙架梁采用冷弯薄壁型钢，详见参考文献。另外，本文在用钢量计算中，未对节点进行详细的设计，而是根据以往的经验，将构件用钢量乘1.11.4的放大系数，作为构件的总用钢量。本文各构件最危险截面考虑稳定后最大应力(折算应力)控制在设计值的90左右。屋面活荷载与雪荷载中较大值： 0.5563.3kN/m(3) 风荷载标准值：基本风压值0.35 kN/m，地面粗糙度系数按B类取；按建筑结构荷载规范（GB50009-2001），房屋高度小于10m，风荷载高度变化系数取10m高度处的数值=1.0，风振系数。风荷载体型系数：迎风面，背风面。迎风面： kN/m （压力） 背风面： kN/m （吸力）(4) 吊车荷载标准值：最大轮压产生的荷载值：kN最小轮压产生的荷载值：kN水平制动力：kN9.2 初选截面梁截面： H边柱、中柱截面：H 9.3 截面特性(1)梁截面特性： mm mmmmmm mmcmcm(2) 柱截面特性： mm mmmmmm mmcmcm假设柱的线刚度和梁的线刚度，则：，以上在计算线刚度时，忽略了单位统一，现推导最终单位：故在以下计算刚架内力中E取2.06的值代替。9.4 刚架内力计算 9.4.1 结构计算简图及计算系数9.4.1.1 采用位移法求解位移法求解不考虑杆件的轴向变形，基本未知量:结点B处角位移结点C处的角位移，结点F处的角位移和结点F处的线位移（在节点B、C、F分别施加控制转动的约束，在节点F施加控制线位移的约束），结构计算简图如图9.2所示。图9.2 结构计算简图位移法基本方程：9.4.1.2 计算系数(1) 基本结构在结点B有单位转角=1单独作用下的计算：由各杆形常数，可得各杆端弯矩及部分剪力：，作图，如图9.3所示： 图9.3 图则：，, 柱AB中点处值为；标高5.0m牛腿处值为；标高5.5m吊车水平制动力作用处值为；梁BC跨中处值为。(2) 基本结构在结点C有单位转角作用下的计算:由各杆件形常数，可得各杆件端弯矩及部分剪力：作图，如图9.4所示：图9.4 图则，； 梁BC跨中处值为(3) 基本结构在结点F有单位转角作用下的计算：由各杆件形常数，可得各杆件端弯矩及部分剪力：作图，如图9.5所示：图9.5 图则：，(4) 基本结构在结点F有单位水平位移作用下的计算：由各杆件形常数，可得各杆件端弯矩及部分剪力：作图，如图9.6所示： 图9.6 图则, , ；标高5.0m牛腿处值为；标高5.5m吊车水平制动力作用处值为。9.4.2分别求解各种荷载作用下的弯矩及内力图9.4.2.1恒荷载作用（kN/m）(1) 计算：利用各杆的载常数，计算各杆的固端弯矩：kNm 梁BC的中点：kNm作图，如图9.7所示：图9.7 图( 单位：kNm )则可求得 kNm ，kNm ，。代入位移法方程并求解： 解得 ，(2) 作M图：利用叠加公式：，可得杆端弯矩kNmkNm标高5.0m牛腿处：kNm标高5.5m吊车水平制动力作用处：kNmkNmkNm梁BC跨中处： kNmkNmkNmkNmkNmM图如图7.8(a)所示。 (3) 作Q图和N图分别取杆件AB、BC、CD、CF、EF为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端剪力。Q图如图9.8(b)所示。分别取结点B、C、F为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端轴力。N图如图9.8(c) 、(d)所示。图9. 8(a) M图( 单位：kNm )图9.8(b) Q图( 单位：kN )图9.8(c) N图( 单位：kN )考虑到柱的自重为（竖向）：N/m故轴力图N中应加上柱的自重，如图9.8(d)所示： kN kN kN 图9.8(d) N图( 单位：kN )9.4.2.2 活荷载作用 (kN/m)(1) 计算：利用各杆的载常数，计算各杆的固端弯矩：kNm 梁BC的中点：kNm作图，如图9.9所示：图9.9 图( 单位：kNm )则可求得 kNm ，kNm ， 代入位移法方程并求解： 解得 ： ，。(2) 作M图利用叠加公式：，可得杆端弯矩kNmkNm标高5.0m牛腿处：kNm标高5.5m吊车水平制动力作用处：kNmkNmkNm梁BC跨中处： kNmkNmkNmkNmkNmM图如图9.10(a)所示。(3) 作Q图和N图分别取杆件AB、BC、CD、CF、EF为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端剪力。Q图如图9.10(b)所示。分别取结点B、C、F为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端轴力。N图如图9.10(c)所示。图9. 10(a) M图( 单位：kNm )图9. 10(b) Q图( 单位：kN )图9. 10(c) N图( 单位：kN )9.4.2.3 柱间作用于左风（kN/m ）(1) 计算：利用各杆的载常数，计算各杆的固端弯矩及部分剪力：kNm kNm kNkN柱AB,EF跨中处： kNm 标高5.0m牛腿处：kNm标高5.5m吊车水平制动力作用处：kNm作图，如图9.11所示：图9.11 图( 单位：kNm )则可求得 kNm，kNm，kN代入位移法方程并求解： 解得 ，其中，符合要求。(2) 作M图利用叠加公式：，可得杆端弯矩：kNm kNm标高5.0m牛腿处： kNm标高5.5m吊车水平制动力作用处：kNm在AB中点处：kNmkNmkNm梁BC跨中处：kNmkNmkNm kNmkNm kNmkNmM图如图7.12(a)所示。(3) 作Q图和N图分别取杆件AB、BC、CD、CF、EF为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端剪力。Q图如图9.12(b)所示。分别取结点B、C、F为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端轴力。N图如图9.12(c)所示。 图9. 12(a) M图( 单位：kNm ) 图9. 12(b) Q图( 单位：kN )图9. 12(c) N图( 单位：kN )9.4.2.4 柱间作用于右风(kN/m，-0.84kN/m)(1) 计算：利用各杆的载常数，计算各杆的固端弯矩及部分剪力：kNm kNm kNkN柱AB,EF跨中处： kNm kNm标高5.0m牛腿处：kNm标高5.5m吊车水平制动力作用处：kNm作图，如图9.13所示： 图9.13 图( 单位：kNm )则可求得 kNm，kNm，kN代入位移法方程并求解： 解得 ，其中，符合要求。(2) 作M图利用叠加公式：，可得杆端弯矩：kNmkNm标高5.0m牛腿处： kNm标高5.5m吊车水平制动力作用处：kNm在EF中点处：kNmkNmkNm梁FC跨中处：kNmkNmkNm kNmkNmkNmkNmM图如图9.14(a)所示。(3) 作Q图和N图分别取杆件AB、BC、CD、CF、EF为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端剪力。Q图如图9.14(b)所示。分别取结点B、C、F为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端轴力。N图如图7.14(c)所示。图9. 14(a) M图( 单位：kNm ) 图9. 14(b) Q图( 单位：kN )图9. 14(c) N图( 单位：kN )9.4.2.5 左跨布置吊车，吊车最大轮压作用于AB柱 （如图9.15所示）图9. 15 计算简图，对柱AB、DC产生的偏心矩分别为： kNm kNm (1) 计算：利用各杆的载常数，计算各杆的固端弯矩及部分剪力：查有关资料,得等截面单跨超静定梁在一弯矩作用下的杆端弯矩和剪力，如下表9.1所示： 表9.1 计算弯矩弯矩剪力kNm kNm kNm kNm kNkN作图，如图9.16所示：图9.16 图( 单位：kNm )则可求得： kNm，kNm，kN代入位移法方程并求解： 解得 ，(2) 作M图利用叠加公式：，可得杆端弯矩 kNm kNm 标高5.0m牛腿处： kNmkNmkNmkNm kNm kNm标高5.0m牛腿处：kNmkNmkNm kNmkNm kNm M图如图9.17(a)所示。 (3) 作Q图和N图分别取杆件AB、BC、CD、CF、EF为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端剪力，Q图如图9.17(b)所示；分别取结点B、C、F为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端轴力，N图如图9.17(c)所示。图9. 17(a) M图( 单位：kNm ) 图9. 17(b) Q图( 单位：kN )图9. 17(c) N图( 单位：kN )9.4.2.6 左跨布置吊车吊车最大轮压作用于DC柱（如图9.18所示）图9. 18 计 算 简 图，对柱AB、DC产生的偏心矩分别为：kNm kNm (1) 计算：利用各杆的载常数，计算各杆的固端弯矩及部分剪力： kNm kNm kNm kNm kN kN作图，如图9.19所示：图9.19 图( 单位：kNm )则可求得： kNm，kNm，kN代入位移法方程并求解： 解得 ，(2) 作M图利用叠加公式：，可得杆端弯矩 kNm kNm标高5.0m牛腿G处：kNmkNmkNmkNm kNm kNm标高5.0m牛腿K处： kNmkNm kNmkNmkNm kNmM图如图9.20(a)所示。(3) 作Q图和N图分别取杆件AB、BC、CD、CF、EF为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端剪力。Q图如图7.19(b)所示；分别取结点B、C、F为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端轴力。N图如图7.19(c)所示图9. 20(a) M图( 单位：kNm )图9. 20(b) Q图( 单位：kN )图9. 20(c) N图( 单位：kN )9.4.2.7 左跨布置吊车，吊车的水平制动力作用向左（如图9.21所示）图9. 21 计算简图图9.22 图( 单位：kNm )(1) 计算：利用各杆的载常数，计算各杆的固端弯矩及部分剪力：kNm kNm kN ： kNm ， 作图如图9.22所示。则可求得： kNm，kNm ， kN代入位移法方程并求解： 解得： ，(2) 作M图利用叠加公式：，可得杆端弯 kNm kNm： kNmkNmkNm kNm kNm集中力作用处： kNmkNmkNm kNm kNm M图如图9.23(a)所示。(3) 作Q图和N图分别取杆件AB、BC、CD、CF、EF为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端剪力，Q图如图9.23(b)所示；分别取结点B、C、F为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端轴力，N图如图9.23(c)所示。 图9. 23(a) M图( 单位：kNm )图9. 23(b) Q图( 单位：kN )图9. 23(c) N图( 单位：kN )9.4.2.8 左跨布置吊车，吊车的水平制动力作用向左右（如图9.24所示）图9.24 计算简图(1) 计算：利用各杆的载常数，计算各杆的固端弯矩及部分剪力：kNm kNm kN ： kNm作图，如图9.25所示： 图9.25 图( 单位：kNm )则可求得： kNm ，kNm ，kN。代入位移法方程并求解： 解得： ，(2) 作M图利用叠加公式：，可得杆端弯矩 kNm kNm： kNmkNmkNm kNm kNm： kNmkNmkNm kNm kNm M图如图9.26(a)所示。 (3) 作Q图和N图分别取杆件AB、BC、CD、CF、EF为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端剪力，Q图如图9.26(b)所示；分别取结点B、C、F为隔离体，建立平衡方程，计算各杆杆端轴力，N图如图9.26(c)所示。图9. 26(a) M图( 单位：kNm )图9. 26(b) Q图( 单位：kN ） 图9. 26 (c) N图( 单位：kN )9.4.2.9 右跨布置吊车时的内力图由于结构的对称性，根据右跨布置吊车与左跨布置吊车时的荷载反对称性可知右跨吊车作用的内力图与相应左跨作用下内力图反对称，分别相应的做出右跨布置吊车时的内力图。(1) 吊车最大轮压作用于DC柱的内力图（如图9.27所示）。 图9. 27(a) M图( 单位：kNm )图9. 27(b) Q图( 单位：kN )图9. 27 (c) N图( 单位：kN )(2) 吊车最大轮压作用于EF柱的内力图（如图7.27所示）。图9. 28(a) M图( 单位：kNm )图9. 28(b) Q图( 单位：kN )图9. 28 (c) N图( 单位：kN )(3) 吊车的水平制动力作用向左的内力图（如图7.28所示）。图9. 29 (a) M图( 单位：kNm )图9. 29(b) Q图( 单位：kN )图9. 29(c) N图( 单位：kN )(4) 吊车的水平制动力作用向右的内力图（如图7.29所示）。图9. 30(a) M图( 单位：kNm )图9. 30(c) N图( 单位：kN )图9. 30(c) N图( 单位：kN )9.5 刚架截面验算由内力组合表（见附表1）可知：刚架边柱的最大弯矩及相应剪力和轴力：kNm ， kN ， kN。刚架中柱的最大弯矩及相应剪力和轴力：kNm ， kN ， kN。刚架梁的最大弯矩及相应的剪力和轴力：kNm ， kN ， kN。刚架梁、柱的毛截面几何特性见下表9.2：表7.2 构件名称规格A(mm2)Ix(104mm4)Iy(104mm4)Wx(103mm3)ix(cm)iy(cm)边柱H5002508108840373892606149620.65.4中柱H4002508108840373892606149620.65.4梁H4002508109640565242607188424.25.29.5.1 构件宽厚比验算翼缘部分：刚架梁 刚架柱 腹板部分：刚架梁 刚架柱 ，满足要求。 9.5.2 刚架梁的验算9.5.2.1 抗剪验算梁截面的最大剪力为:kN，考虑仅由支座加劲肋时，即., N/mmkN kN kN满足要求。9.5.2.2 弯、剪、压共同作用下的验算取梁端截面进行验算kNm ， kN ， kN因为kNkN kNm kNm9.5.2.3 整体稳定验算kNm ， kN ， kN。(1) 横梁平面内的整体稳定性验算：计算长度取横梁长度cm,属于b类截面，查得kN， N/mmN/mm(2) 横梁平面外的整体稳定性验算：考虑屋面压型钢板的檩条紧密连接，有蒙皮作用。檩条可作为横梁平面外的支承点，但为了安全起见计算长度按两个檩条或隅撑间距考虑，即cm。按b类截面，查得。N/mmN/mm9.5.3 刚架柱的验算9.5.3.1 抗剪验算柱截面的最大剪力为kN，考虑仅由支座加劲肋时，即N/mmkN， kN满足要求。9.5.3.2 弯、剪、压共同作用下的验算取边柱下端截面进行验算kNm ， kN ， kN。因为kNkN kNm kNm9.5.3.3 整体稳定验算(1) 边柱：构件的最不利内力：kNm ，kN。 刚架柱平面内的整体稳定性验算：刚架柱高mm，梁长mm。横梁的线刚度（）和柱的线刚度（）的比值为：，考虑门式刚架有侧移的影响。则柱的计算长度系数为刚架柱的计算长度为mmb类截面，查得kN， N/mmN/mm 刚架柱平面外的整体稳定性验算：考虑压型钢板墙面与墙梁紧密连接，有蒙皮作用。与柱连接的墙梁可作为柱平面外的支承点，但为了安全起见计算长度按两个墙梁或隅撑间距考虑，即=2400mm。按b类截面，查得。N/mmN/mm(2) 中柱：构件的最不利内力：kNm ，kN 。 刚架柱平面内的整体稳定性验算：两个横梁的线刚度之和与中柱的线刚度比值：，考虑门式刚架有侧移的影响。则柱的计算长度系数为：刚架柱的计算长度为：mmb类截面，查得kN， N/mmN/mm平面内稳定性满足要求。 刚架柱平面外的整体稳定性验算：考虑压型钢板墙面与墙梁紧密连接，有蒙皮作用。取横向支撑下段的柱长度，由结构图得：m。按b类截面，查得：。N/mmN/mm平面外稳定性满足要求。10节点计算10.1 柱脚计算10.1.1左柱脚计算资料：左柱截面尺寸H500250810，压力设计值kN，弯矩设计值为kNm，剪力设计值为 kN ，柱脚及锚栓均采用Q235钢，焊条为E43，混凝土为C20，柱脚构造如下图10.1所示：图10.1 柱脚构造及计算简图考虑了局部承压强度得提高后混凝土得抗压强度设计值，取11N/mm，为了提高柱端得连接刚度，在柱外侧用几根肋板分别与柱和底板用焊缝连接起来。底板上锚栓得孔径为mm。(1) 底板的尺寸：B=70+180+70=320 mm L=500+2(70+80)=800 mm先估计一下底板是否是全部受压： N/mmN/mmN/mm为负值，说明柱脚需要用锚栓来承担拉力。 最大应力处至中和轴距离：mm柱翼缘至中和轴距离：mm柱翼缘处基础应力：N/mm柱中心距基础受压合力点：mm最大应力处至受拉锚栓处距离：mm锚栓处距基础受压区合力点：mm确定底板厚度，计算底板各部分弯矩：隔板与翼缘围成的两边支撑部分： Nmm翼缘和腹板围成的三边支撑部分：，查表得Nmm取Nmm需要底板厚度：mm取mmmm，满足要求。(2) 锚栓计算：锚栓需要抵抗偏心弯矩引起的拉力T，按公式得：kN需要锚栓净面积：cmcm查附表8，采用8个直径为mm的锚栓，单个锚栓的净面积cm，可以认为内侧螺栓承担一定的拉力，截面满足要求。(3) 隔板计算：肋板厚度取mm，按悬臂梁计算：跨长mm，取截面300mm16mm，肋板强度验算：N/mmkNmkNN/mmN/mmN/mmN/mm焊缝验算：肋板与底板连接处水平焊缝: 由于水平剪力很小，焊缝可以不以内感验算，焊缝尺寸可以取mm ，即可满足要求。肋板竖向焊缝： 取mm，切肢为30mm。已知剪力kN, kNm N/mmN/mmN/mm N/mm焊缝尺寸满足要求。(4) 肋板计算：肋板按悬臂梁计算:跨长mm，取截面300mm16mm因其底板平均压力很小，可以不必验算勒板强度，肋板与底板和柱的腹板焊缝均可按构造要求,取mm焊缝。(5)柱脚水平抗剪计算： 由于水平剪力较小，设置抗剪键强度就可以满足要求。10.1.2 中柱脚计算资料：左柱截面尺寸H500250810，弯矩设计值为kNm ，剪力设计值为kN ，压力设计值为kN，柱脚及锚栓均采用Q235钢，焊条为E43，混凝土为C20，柱脚构造如下图10.2所示：考虑了局部承压强度得提高后混凝土得抗压强度设计值，取11N/mm，为了提高柱端得连接刚度，在柱外侧用几根肋板分别与柱和底板用焊缝连接起来。底板上锚栓得孔径为mm。(1) 底板的尺寸：B=704+602=400mm ，L=500+2(60+70)=760mm先估计一下底板是否是全部受压： N/mmN/mmN/mm为负值，说明柱脚需要用锚栓来承担拉力。 图10.2 柱脚构造及计算简图最大应力处至中和轴距离：mm柱翼缘至中和轴距离：mm柱翼缘处基础应力：N/mm柱中心距基础受压合力点： mm最大应力处至受拉锚栓处距离：mm锚栓处距基础受压区合力点：mm确定底板厚度，计算底板各部分弯矩：肋板与翼缘围成的三边支撑部分：查表得Nmm隔板与翼缘和腹板围成的三边支撑部分：，查表得Nmm取Nmm需要底板厚度：mm取mmmm，满足要求。(2) 锚栓计算：锚栓需要抵抗偏心弯矩引起的拉力T，按公式得：kN需要锚栓净面积：mmcm查附表8，采用6个直径为mm的锚栓，单个锚栓的净面积cmcm强度满足要求。(3) 隔板计算：隔板厚度取mm，按悬臂梁计算：跨长mm，取截面200mm10mmN/mm隔板强度验算：kNmkNN/mmN/mmN/mmN/mm焊缝验算：隔板与底板连接处水平焊缝:由于水平方向受力很小，构造焊缝取mm。隔板竖向焊缝：焊缝取mm，切肢长度30mm。已知：kN, kNm N/mmN/mmN/mm N/mm(4) 肋板计算：肋板按悬臂梁计算:跨长mm，取截面200mm10mm因其底板平均压力很小，可以不必验算勒板强度，隔板与底板和柱的腹板焊缝均可按构造要求,取mm焊缝。(5)柱脚水平抗剪计算： 由于水平剪力较小，设置抗剪键强度就可以满足要求。 10.2 牛腿计算10.2.1 牛腿所受作用力的设计值kNkNkNkNm图10.3 牛腿截面尺寸10.2.2截面选择 （截面如图10.3所示）所需净截面抵抗矩为：cm 按经验公式得经济高度为：cm参照以上数据，考虑到截面高度大一些，更有利于增加刚度，初选截面高度为cm。腹板厚度按负担支点处最大剪力需要得:mm按经验公式估算： cm选用腹板厚度为：mm依近似公式计算所需翼缘板面积：cm 试选翼缘板厚度为：mm ，翼缘板宽度为200mm，翼缘得外伸宽度为：mm ，所以翼缘板得局部稳定可以保证。使用变截面牛腿，端部截面高度为:mm。10.2.3 强度验算cmcmcm ，cm正应力为：N/mmN/mm剪应力为：N/mmN/mm强度满足要求。10.2.4 焊缝计算（如图10.4所示）取焊脚mm,腹板上竖向焊缝有效截面面积为:mm全部焊缝对轴的惯性矩为:mm焊缝最外边缘的截面模量为mm翼缘和腹板连接处的截面模量为mm焊缝最大应力为 图10.4 牛腿截面尺寸 N/mmN/mm。牛腿翼缘和腹板交接处有弯矩引起的应力和剪力 引起的应力共同作用： N/mmN/mmN/mmN/mm焊缝强度满足要求。10.2.5 牛腿肋板计算牛腿构造及尺寸如图10.5所示，肋板承受的压力为 图10.5 牛腿构造及尺寸(1) 肋板尺寸确定：在腹板两侧成对的配置横向加劲肋，则肋板外伸宽度mm，取mm肋板厚度：mm，取mm。(2) 承压强度计算：切肢尺寸确定：翼缘处mm，取15230mm腹板处mm，取20240mm承压面积mm端面承压强度设计值为N/mmN/mm N/mm抗压强度满足要求。(3) 稳定计算：如图阴影部分面积：mm绕腹板中线的截面惯性矩为：mm回转半径：mm ，长细比：，按截面c类，查得稳定系数N/mmN/mm(4) 强度计算：按悬臂梁计算，每块肋板受力为：kNkNmN/mmN/mm N/mmN/mm(5) 焊缝计算：肋板与翼缘板连接处水平焊缝：由于水平方向上的力很小，主要是水平方向的刹车力，可以取焊缝mm,足可以满足抗剪强度要求。肋板与腹板连接处竖向焊缝：设mm N/mm N/mm N/mm N/mm焊缝强度满足要求。10.3 梁柱连接设计计算10.3.1左柱与左梁的连接计算设计资料：承受弯矩设计值为kNm，剪力设计值为kN，梁截面尺寸为H600250810，端板布置如图10.6所示：图10.6 左柱与左梁的连接(1) 确定螺栓尺寸：如图上翼缘两侧各设置5个螺栓，取mm，如图10.6取值。则端板的尺寸为：mm,mm选用强度等级为10.9级的摩擦型高强螺栓连接，喷沙处理,其公称直径为M22；设计预拉力P=190kN；螺栓孔径为24mm。则连接中受力最大螺栓承受的拉力及剪力为：kNkN 单个高强度螺栓受剪、受拉承载设计值为： kN kN 拉剪共同作用下，受力最大螺栓的承载力验算：，强度满足要求。(2) 确定端板的厚度： 两边支承类端板：端板外伸时： mm 无加劲肋类端板第二排螺栓的设计拉力为： kNmm故板厚取mm。(3) 门式刚架斜梁与柱相交的节点域剪应力验算：N/mmN/mm满足要求，不用设置斜加劲肋。(4) 构件腹板强度验算：kNkNN/mmN/mm满足要求。(5) 腹板与端板的焊缝计算：取焊脚mm，N/mmN/mm。焊缝抗剪强度满足要求。10.3.2 左梁中点的连接计算设计资料：承受弯矩设计值为:kNm，kN,梁截面尺寸为H600250810，端板布置如图10.7所示：图10.7 左梁与左梁的连接(1) 确定螺栓尺寸：如图翼缘两侧各设置2个螺栓，取，如图10.7取值。则端板的尺寸为：mm,mm选用强度等级为10.9级的摩擦型高强螺栓连接。其公称直径为M16；设计预拉力为P=100kN；螺栓孔径为17.5mm 。则连接中受力最大螺栓承受的拉力为：kN kN 单个高强度螺栓受剪、受拉承载设计值为： kN kN 拉剪共同作用下，受力最大螺栓的承载力验算： ，强度满足要求。(2) 确定端板的厚度：伸臂类端板： mm取板厚mm。(3) 焊缝计算：因剪力kN较小，梁的腹板与端板焊缝可按构造要求，取mm焊接。10.3.3 左梁与中柱的连接计算设计资料：弯矩设计值为kNm，剪力设计值为kN，梁截面尺寸为H4002501012，端板布置如图10.8所示：图10.8 左梁与中柱的连接(1) 确定螺栓尺寸：如图上翼缘两侧各设置6个螺栓，取mm，如图10.8取值。则端板的尺寸为：mm，mm选用强度等级为10.9级的摩擦型高强螺栓连接，喷沙处理端板，其公称直径为M22；设计预拉力kN；螺栓孔径为24mm。则连接中受力最大螺栓承受的拉力及剪力为：kNkN 单个高强度螺栓受剪、受拉承载设计值为：kN kN 拉剪共同作用下，受力最大螺栓的承载力验算： (2)确定端板的厚度： 两边支承类端板： 端板外伸时， mm 无加劲肋类端板：第三排螺栓的设计拉力为： kNmm故板厚取mm 。(3) 刚架斜梁与柱相交的节点域剪应力验算：N/mm满足要求。(4)构件腹板强度验算：kN kNN/mmN/mm满足要求。(5)腹板与端板的焊缝计算：取焊脚mm，N/mmN/mm。焊缝抗剪强度满足要求。10.4.1抗风柱计算资料：抗风柱柱截面尺寸H2501504.56，压力设计值kN，弯矩设计值为kNm