刚架结构计算参考

一、设计资料某加工厂一厂房，该厂房为单层，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度18m，柱高6m；共有12榀刚架，柱距6m，屋面坡度1:10。刚架平面布置见图1(a)，刚架形式及几何尺寸见图1(b)。屋面及墙面板均为彩色压型钢板,内填充以保温玻璃棉板，详细做法见建筑专业设计文件；钢材采用Q235钢，焊条采用E43型。二、荷载计算（一）荷载取值计算1屋盖永久荷载标准值（对水平投影面）YX51-380-760型彩色压型钢板0.15 KN/m250mm厚保温玻璃棉板0.05 KN/m2PVC铝箔及不锈钢丝网0.02 KN/m2檩条及支撑0.10 KN/m2刚架斜梁自重0.15 KN/m2悬挂设备0.20 KN/m2合计0.67 KN/m22屋面可变荷载标准值屋面活荷载：按不上人屋面考虑，取为0.50 KN/m2。雪荷载：基本雪压S0=0.45 KN/m2。对于单跨双坡屋面，屋面坡角=54238，r=1.0，雪荷载标准值Sk=rS0=0.45 KN/m2。取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.50 KN/m2，不考虑积灰荷载。3轻质墙面及柱自重标准值（包括柱、墙骨架等）0.50 KN/m24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=1.050.45 KN/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)。5地震作用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。（二）各部分作用的荷载标准值计算屋面：恒荷载标准值：0.506=3.00KN/m活荷载标准值：0.656=3.00KN/m柱荷载：恒荷载标准值：0.456=2.70KN风荷载标准值：迎风面：柱上qw1=0.4760.25=0.71KN/m横梁上qw2=0.4761.0=2.82KN/m背风面：柱上qw3=0.4760.55=1.55KN/m横梁上qw4=0.4760.65=1.83KN/m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。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=18/6=3=f/h=0.9/6=0.15k=h/s=6/9.0449=0.6634=3+k+(3+)=3+0.6634+0.15(3+0.15)=4.1359HA=HE=ql/8=4.021830.5289/8=14.35KNMC=ql21(1+) /8=4.02x1821(1+0.15)0.5289=63.78KNmMB=MD=ql2/8=4.021820.5289/8=86.11KNm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。2在活荷载作用下VA=VE=27.00KNHA=HE=3.001830.5289/8=10.71KNMC=3.001821(1+0.15)0.5289/8=47.60KNmMB=MD=3.001820.5289/8=64.26KNm刚架在活荷载作用下的内力如图。3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=2.8296.35=19.03KNHA=HE=ql/4=2.821830.1322/4=5.03KNMB=MD=5.036=30.18KNmMC= ql22(1+) /4=2.821820.521.150.1322/4=22.38KNm刚架在qw2y作用下的内力如图(2)在背风面横梁上风荷载竖向分力qw4y作用下VA=1.8394.12=12.35KNHA=HE=ql/4=1.831830.1322/4=3.27KNMB=MD=3.276=19.62KNmMC= ql22(1+) /4=1.831820.521.150.1322/4=14.52KNm刚架在qw4y作用下的内力如图。(3)在迎风面柱上风荷载qw1作用下=1，VA=VB=qh12/2L=0.7162/(218)=0.71KNHE=0.7163.22=1.04KNMD=1.046=6.24KNm刚架在qw1作用下的内力如图。(4)在背风面柱上风荷载qw3作用下VA=VB=qh12/2L=1.5562/(218)=1.55KNHA=1.5567.02=2.28KNMD=7.0261.5562/2=14.22KNmMB=2.286=13.68KNm刚架在qw3作用下的内力如图。(5) 在迎风面横梁上风荷载水平分力qw2x作用下=1，=0HA=2.820.9(1+0.0202)/2=1.29KNHE=2.820.91.29=1.25KNMB=1.296=7.74KNmMD=1.256=7.50KNm刚架在qw2x作用下的内力如图。(6) 在背风面横梁上风荷载水平分力qw4x作用下HA=1.830.9(1+0.0202)/2=0.84KNHE=1.830.90.84=0.81KNMB=0.816=4.86KNmMD=0.846=5.04KNm刚架在qw4x作用下的内力如图。(7)用叠加绘制在风荷载作用下刚架的组合内力。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193.3081.2232.21（）Mmin及相应的N、VB1.0恒+1.4风7.891.051.67（）Nmax及相应的Mmax、VA1.2恒+1.4活193.3081.2232.21（）Nmin及相应的Mmax、VB1.0恒+1.4风7.891.051.67（）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0102.8232.21（）Nmin及相应的Mmax、VB1.0恒+1.4风019.054.30（）刚架梁支座（B点）Mmax及相应的N、VA1.2恒+1.4活193.3039.8977.60（）Mmini及相应的N、VB1.0恒+1.4风7.891.570.89（）跨中（C点）Mmax及相应的N、VB1.0恒+1.4风9.402.030.60（）Mmin及相应的N、VA1.2恒+1.4活143.1831.813.21（）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。五、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450200812，截面特性：B=200mm，H=450mm，tw=8.0mm，tf=12.0mm，A=82.1cm2Ix=28181cm4，Wx=1252cm3，ix=18.53cmIy=1602cm4，Wx=160.2cm3，ix=4.42cm（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=77.60KN考虑仅有支座加劲肋，fv=125N/mm2Vu=hwtwfv=4268125=426000N=426.0KNVmax=77.60KNVu，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=39.89KN，V=77.60KN，M=193.30KNN因VM=193.30KNm，取M=Mf故，满足要求。(3)整体稳定验算N=39.89KN，M=193.30KNmA梁平面内的整体稳定性验算。计算长度取横梁长度lx=18090mm，x=lx/ix=18090/185.3=97.63=150，b类截面，查表得x=0.570，mx=1.0=165.15N/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=3015/44.2=68.2，b类截面，查表得y=0.762取b=1.070.282/by=0.821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=(1.20.276+1.43.00)3=18.43KNLz=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=193.30KNm，N=39.89KN，V=77.60KNc=17.72N/mm2=130.65 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=32.21KN考虑仅有支座加劲肋，fv=125N/mm2Vu=hwtwfv=4268125=426000N=426.0KNVmax=32.21KNVu，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=81.22KN，V=32.21KN，M=193.30KNN因VM=193.30KNm，取M=Mf故，满足要求。(3)整体稳定验算构件的最大内力：N=102.82KN，M=193.30KNmA刚架柱平面内的整体稳定性验算。刚架柱高H=6000mm，梁长L=18090mm.柱的线刚度K1=Ic1/h=28181104/6000=46968.3mm3梁线刚度K2=Ib0/(2S)=28181104/(29045)=15578.2mm3K2/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=17604/185.3=95。0=150，b类截面，查表得x=0.588，mx=1.0=181.45N/mm2f=215 N/mm2，满足要求。B刚架柱平面外的整体稳定验算考虑屋面压型钢板墙面与墙梁紧密连接，起到应力蒙皮作用，与柱连接的墙梁可作为柱平面外的支承点，但为安全起见，计算长度按两个墙梁距离或隅撑间距考虑，即ly=3000mm。对于等截面构件=0，s=w=1y=sl/iy0=3000/44.2=67.9，b类截面，查表得y=0.764取b=1.070.282/by=0.822(4)按钢结构设计规范(GB500172003)校核刚架柱腹板容许高厚比柱顶截面：故，满足要求。柱底截面：故，满足要求。4验算刚架在风荷载作用下的侧移Ic=Ib=28181cm4，t= Ic l/hIb=18000/6000=3.0刚架柱顶等效水平力按下式计算：H=0.67W=0.6713.56=9.09KN其中W=(1+4)h=(0.71+1.55)6.0=13.56KN（三）节点验算1梁柱连接节点(1) 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=0.45，每个高强度螺栓的预拉力为190KN，连接处传递内力设计值：N=39.89KN，V=77.60KN，M=193.30KNm。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=21mm。按二边支承类端板计算：(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=75.70KN0.4P=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