轻型门式刚架结构设计

轻型门式刚架结构设计计算书姓 名 学 号 班 级 指导教师 2011. 06目录 一、设计任务书 2二、计算书 3 （1）设计资料 3 （2）屋面构件设计4 （3）荷载计算7 （4）内力计算及内力组合 8 （5）钢架柱验算19 （6）钢架梁验算20 （7）节点设计 21三、参考文献 27 轻型门式刚架结构设计任务书一、设计目的1、复习钢结构课程内容，综合运用所学知识，学习钢结构设计过程2、学习钢结构方案设计、详细设计和施工图设计3、学习编制结构计算书4、为毕业设计做必要的准备二、基本要求1、掌握门式刚架结构设计的内容、方法和步骤，认真考虑影响设计的各项因素。2、了解和掌握与设计有关的设计规范和规定，并能在设计中正确应用。3、根据建筑设计要求，正确选择结构形式，合理布置结构。4、掌握门式刚架结构的计算方法和构造要求。5、认真绘制施工图和编写说明书、计算书。三、设计资料1、结构形式：门式刚架，见附件1，具体尺寸见分配表格。2、屋面板和墙面板：彩色压型钢板3、构件形式：梁柱为等截面实腹式焊接H型截面，檩条为冷弯薄壁C型截面4、节点形式：梁柱刚接节点； 梁梁连接（端板刚接）； 柱脚 5、基础：柱下独立基础； 混凝土：C30； 钢筋二级筋；基础埋深1.5m，地基承载力标准值： 6、荷载种类：恒载，活载和风荷载（见分组单），不考虑其它荷载四、设计内容1、刚架设计：结构立面图、结构平面布置图；2、檩条设计：檩条详图，檩条、支撑布置图3、节点及构造详图：梁柱连接、梁梁连接及柱脚详图；4、设计说明书及计算书1份；五、参考文献1、钢结构设计规范GB50017-2003.北京：中国计划出版社.20032、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102：2002，北京：中国计划出版社.20023、冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002.北京：中国计划出版社.20024、轻型钢结构设计计算与实例，本书编委会编 人民交通出版社 20085、李星荣. 钢结构连接节点设计手册. 北京：中国建筑工业出版社.20056、陈绍蕃.钢结构房屋设计.北京：中国建筑工业出版社.20037、轻型钢结构设计数据资料一本全，本书编委会编中国建材工业出版社 20078、舒赣平, 王恒华, 范圣刚编著.轻型钢结构民用与工业建筑设计，中国电力出版社 2006，9、周绪红. 钢结构设计指导与实例精选. 北京：中国建筑工业出版社.200810. 朱海宁，王东，赵瑜编著.轻型钢结构建筑构造设计. 东南大学出版社 2003.11， 轻型门式刚架结构计算书一、设计资料 1、 采用单跨双坡轻型门式刚架，刚架跨度15m，柱高3.9m；共有10榀刚架，柱距6m，屋面坡度1:10，不考虑地震作用。刚架平面布置见下图，刚架形式及几何尺寸。屋面及墙面板均为彩色压型钢板,考虑经济、制造和安装方便，檩条和墙梁均采用冷弯薄壁卷边C型钢，间距为1.5m，钢材采用Q235钢。 柱网及平面布置图 2、永久荷载标准值： 屋面恒荷载：0.25kN/m2 活荷载标准值：0.5kN/m2 风荷载标准值：0.45kN/m22、 屋面构件设计 1、檩条计算 恒载：0.25kN/m2 活载：0.5kN/m2 风载：0.45kN/m2 假设檩条自重：0.05kN/m 恒载和活载组合情况： q=(0.251.2+0.51.4)1.5+0.051.2=1.56kN/m qx=qcos=1.55kN/m qy=qsin=0.155kN/m qk=(0.5+0.25)1.5+0.05=1.18kN/m Mx=1/81.5562=6.98kNm My=1/80.15532=0.17kNm 恒载和风载组合情况： qx=(0.251.2cos-0.451.4sin)1.5+0.051.2cos=0.41kN/m qy=(0.251.2sin+0.451.4cos)1.5+0.051.2sin=0.99kN/m qk=(0.25+0.45)1.5+0.05=1.1kN/m Mx=1/80.4162=1.845kN/m My=1/80.9932=1.11kN/m恒载、活载和风载组合情况： qx=0.251.2cos+（0.51.4cos-0.451.4sin）0.91.5+0.051.2cos =1.36kN/m qy=0.251.2sin+（0.51.4sin+0.451.4cos）0.91.5+0.051.2sin =0.99kN/m Mx=1/81.3662=6.12kNmqk=(0.5+0.25+0.45)1.5+0.05=1.85kN/mMy=1/80.7132=1.11kNm檩条的计算简图选C 20070202.5, =538.21，=53.82，,7.74cm,=2.5cm. 2、截面验算：（1）强度验算 满足要求。（2）刚度验算 qkx=qkcos=1.8510/=1.84kN/m 满足要求（3）长细比验算，满足要求。三、荷载计算荷载取值计算屋面自重 0.256=1.5檩条 0.0691 总 1.5691屋面活荷载作用 0.56=3柱身自重荷载 0.256=1.5风振系数，高度变化系数，体形系数均取为1.0，则墙面、屋面风压标准值为 qAB=0.45qBC=0.45qCD=0.45qDE=0.45初估截面钢架斜梁 h=L/60L/40=250mm375mm,取h=350mm,初选HN35017571116.则有=13700，=985，=782，A=63.66cm2钢架柱 h=H/20H/15=195mm260mm，取h=250mm,b=h/3h/2=83mm125mm,初选HW=25025091416.则有=10800，=3650，=867，,A=92.18cm2.四、内力计算及内力组合1、钢架内力计算（1）钢架在恒载（包含重力）的作用下的弯矩（M）、剪力（V）、轴力（N）如图示： 钢架上的恒载作用图（单位：KN） 恒载弯矩图（单位：KNm） 恒载剪力图(单位：KN) 恒载轴力图(单位：KN)（2） 钢架在活载荷载的作用下的弯矩（M）、剪力（V）、轴力（N）如图示： 活载作用图(单位：KN) 活载弯矩图(单位：KNm) 活载剪力图(单位：KN) 活载轴力图(单位：KN)（3） 钢架在风荷载的作用下的弯矩（M）、剪力（V）、轴力（N）如图示： 风荷载作用图 风载弯矩图(单位：KNm) 风载剪力图(单位：KN) 风载轴力图(单位：KN)2、 钢架内力组合 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,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B1.2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C1.2恒荷载标准值计算的荷载效应+1.40.9(活荷载标准值计算的荷载效应风荷载标准值计算的荷载效应)（1）、左侧柱内力组合表： 梁截面荷载弯矩（M）剪力(V)轴力(N)截面1-1恒荷载 17.43 -10.66 -11.83 活荷载 33.17 -20.29 -22.5 风荷载-11.58 7.75 0.29 截面2-2恒荷载-24.16-10.66 -11.83 活荷载 -45.96 -20.29-22.5风荷载 2.22 -0.67 0.29 梁截面内力1.21.41.21.41.21.40.9（Mmax相应的V、N组合值|N|max相应的M、V组合值截面1-1M 66.514.5546.75 66.51 66.51V40.69-1.895 -27.9340.6940.69N44.98-13.78 -41.544.9844.98截面2-2M92.187 25.839 -82.8892.18792.187V40.69213.689-38.5540.69240.692N44.9713.78-41.544.9744.97 （2）、右侧柱内力组合表： 梁截面荷载弯矩（M）剪力(V)轴力(N)截面99恒荷载 -24.16 10.66 -11.83活荷载 -45.96 20.29 -22.5风荷载 -2.16 0.47 0.29 截面1010恒荷载17.4310.66 -11.83 活荷载 33.17 20.29-22.5风荷载 9.95 5.74 0.29 梁截面内力1.21.41.21.41.21.40.9（Mmax相应的V、N组合值|N|max相应的M、V组合值截面99M -92.15-32.07-88.74 -92.15 -92.15V 40.6513.52 38.66 40.65 40.65N -44.97 -14.6 -42.29 -44.97 -44.97截面1010M 66.435.0274.9874.98 66.4V40.65 20.89 45.3 45.340.65N -44.97-14.6-42.29-42.29 -44.97 （3）、左跨梁内力组合表：梁截面荷载弯矩（M）剪力(V)轴力(N)截面3-3恒荷载-24.1610.71-11.79活荷载-45.96 20.37-22.43风荷载2.22-0.35-0.64截面4-4恒荷载4.694.82-11.20活荷载8.939.17-21.31风荷载 1.0-0.29-0.04截面5-5恒荷载12.19-1.06 -10.61活荷载23.19-2.02 -20.19风荷载 0.02-0.230.57 梁截面内力1.21.41.21.41.21.40.9（Mmax相应的V、N组合值|V|max相应的M、V组合值截面3-3M-92.19-25.84-82.88-92.19-92.19V40.7112.3437.4640.7140.71N-44.97-14.99-42.48-44.97-44.97截面4-4M 17.13 7.07 18.23 18.23 17.13V17.37 5.37 16.69 16.6917.37N-40.49-13.44-39.64-39.64-40.49截面5-5M45.9814.6742.8445.9845.98V-4.05-1.60-4.11-4.05-4.05N -40.5-11.89-37.11 -40.5 -40.5（4）、右跨梁内力组合表：梁截面荷载弯矩（M）剪力(V)轴力(N)截面6-6恒荷载12.19 1.06 -10.61活荷载 23.19 2.02-20.19风荷载0.02-0.34 0.51截面7-7恒荷载4.69-4.82-11.20活荷载 8.93-9.17-21.31风荷载-1.16-0.29 0.01截面8-8恒荷载-24.16-10.71-11.79活荷载-45.96-20.37-22.43风荷载-2.16 -0.24-0.5梁截面内力1.21.41.21.41.21.40.9（Mmax相应的V、N组合值|V|max相应的M、V组合值截面6-6M45.9814.6742.8445.9845.98V 4.050.783.32 4.05 4.05N -40.5-11.97-37.18 -40.5 -40.5截面7-7M17.143.97 15.2717.1417.14V-17.36-6.20-17.46-17.36-17.36N-40.49-13.44-39.95-40.49-40.49截面8-8M-92.15-32.07-88.74-92.15-92.15V-40.71-13.19 -38.24-40.71-40.71N -44.93-14.90-42.68 -44.93 -44.93（5）、最不利荷载组合:构件弯矩（kNm）剪力（kN）轴力（kN）钢架柱92.18740.69244.97钢架梁-92.1940.71-44.97五、刚架柱的验算 1、柱正截面强度验算 HW=25025091416.则有=10800，=3650，=867，,A=92.18cm2.10.8cm,=6.29cm.106.14,满足要求。 2、钢架柱正截面刚度验算 计算长度取横梁长度=1950mm，度=1950mm150,满足要求y= =31150,满足要求3、 钢架柱正截面整体稳定性验算 （1）柱平面内的整体稳定性验算 计算长度取=1950mm,=18.05，截面关于x轴和y轴都属于b类截面，查表得=0.9272， ，mx=1.0=111.66N/mm2f=215 N/mm2，满足要求。 （2）柱平面外的整体稳定性验算 y= =31150,b类截面，查表得y=0.932, 满足要求 六、刚架梁的验算 1、梁正截面强度验算 初选HN35017571116.则有=13700，=985，=782，A=63.66cm2，14.7cm,=3.93cm.119.3,满足要求。 ,满足要求。 2、钢架梁截面刚度验算 经计算挠度v-36mmv=mm,满足要求3、钢架梁正截面整体稳定性验算 （1）梁平面内的整体稳定性验算 计算长度取横梁长度，截面关于x轴和y轴都属于b类截面，查表得=0.852， ，mx=1.0=136.4N/mm2f=215 N/mm2，满足要求。 （2）柱平面外的整体稳定性验算 =，b类截面，查表得y=0.712 ,满足要求。七、节点设计1、 梁柱节点设计（1） 梁柱节点采用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=44.97KN，V=40.71KN，M=92.19KNm。每个螺栓的承载力设计值：最外排螺栓的拉力为：0.8P=124KN第二排螺栓的拉力为： Nt2=86.67=46.88KN每个螺栓的抗剪力： 最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力：，满足要求。(2) 端板厚度验算 假设端板厚度取为t=24mm按二边支承类端板计算：第一排螺栓位置端板厚度为：=25.5mm第二排螺栓位置端板厚度为：=14mm,满足假设要求 取腹板厚度为28mm.(3) 梁柱节点域的剪应力验算 ，满足要求(4) 螺栓处腹板强度验算Nt2=86.67=46.88KN0.4P=0.4155=62KN，满足要求。2、 梁梁节点设计 （1）梁柱节点采用8.8级M16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80KN，连接处传递内力设计值：N=40.5KN，V=-4.05KN，M=45.98KNm。每个螺栓的承载力设计值：最外排螺栓的拉力为：0.8P=64KN第二排螺栓的拉力为： Nt2=35.36=19.13KN每个螺栓的抗剪力： 最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力：，满足要求。(2) 端板厚度验算 假设端板厚度取为t=20mm。按二边支承类端板计算：第一排螺栓位置端板厚度为：=19.1mm第二排螺栓位置端板厚度为：=8.4mm,满足假设要求 取腹板厚度为20mm.(3) 梁柱节点域的剪应力验算 ，满足要求(4) 螺栓处腹板强度验算Nt2=35.36=19.13KN0.4P=0.480=32KN，满足要求。3、 柱脚设计柱脚采用刚性柱脚，构造如下图所示：设混凝土局部受压的提高系数=1.1，则。初选在柱的外侧用两根20a的槽钢与柱和底板用角焊缝连接起来。取底板上锚栓的孔径为d=60mm。柱脚内力设计值为M=74.98KNm,V= 45.3KN,N=-42.29KN。（1） 确定底板平面尺寸 取每侧底板悬出22mm,则底板的宽度根据基础的最大受压应力确定底板的长度L,由此的L=312mm,取L=500mm估算底板下应力 =3.77 =0.173.6=3.43，柱脚需要用锚栓来承担拉力（2） 确定锚栓直径 =261.8mm =162.7mm d=500120=380m