跨门式刚架计算书

1、钢结构课程设计计算书姓 名学 号班 级指导教师常州工学院成教学院二 一五 年 十二 月轻型门式刚架刚架计算书1.1设计资料本设计为北京市某郊外（B类地区）一汽车展厅轻型门式刚架结构，该展厅为单跨双坡门式刚架结构，见图1.所示。屋面坡度为1:15，刚架为变截面梁、柱，柱脚铰接，柱距6m，展厅总长54m，跨度为24m。24000材料采用Q345B钢材，焊条采用E50型。屋面和墙面采用75mm厚及100mm厚双层彩色压型钢板荚芯板，彩板均为0.6mm厚镀锌彩板，镀锌层厚为275g/；屋面檩条及墙面檩条均采用镀锌冷弯薄壁型钢檩条，镀锌层厚为160g/。荚芯板厚根据展厅所在当地温度计算确定，保温材料可选

2、聚胺脂、玻璃棉或岩棉等。自然条件：基本雪压：0.40 kN/ ； 基本风压：0.45 kN/。本工程地面粗糙度为B类，场地为三类场地，地下水位为-5m，基础持力层为密实中砂，地基承载力特征值为fa =160 kN/。本工程不考虑地震作用。结构平面布置图如图2所示。柱间支撑布置图如图3所示。屋面梁和屋面支撑平面布置图如图4所示。屋面檩条和隅撑布置图如图5所示。图2 结构平面布置图图3 柱间支撑布置图图4 结构平面布置图图5 屋面檩条和隅撑布置图1.2 构件截面初选刚架简图见图6.构件截面尺寸及特性见表1.图6 构件简图表1 构件截面信息表单元号截面名称长度(mm)面积(mm2)绕强轴惯性矩(x1

3、04mm4)绕弱轴惯性矩(x104mm4)绕强轴计算长度系数绕弱轴计算长度系数柱 1H400800x300x8x127000102081340830650142931540254032.1971.000柱 8H400800x300x8x127000102081340830650142931540254032.1971.000梁 2H500700x200x8x104510784094403138668575133513365.3330.665梁 3H500x200x8x10501178403138613354.8000.599梁 4H500700x200x8x102506784094403138

4、668575133513369.6001.197梁 5H500700x200x8x102506784094403138668575133513369.6001.197梁 6H500x200x8x10501178403138613354.8000.599梁 7H500700x200x8x104510784094403138668575133513365.3330.6651.3 刚架受力分析1）荷载取值计算屋面自重（标准值，沿坡向）：彩色压型钢板复合板 0.18 kN/檩条及其支撑 0.15 kN/刚架横梁 0.10 kN/ 总计 0.43 kN/屋面雪荷载（标准值） 0.40 kN/屋面均布活荷

5、载（标准值） 0.50 kN/ （不与雪荷载同时考虑）墙面及柱自重（标准值）（包括墙面材料、墙梁及刚架柱） 0.55 kN/风载 基本风压w0=0.45 kN/，地面粗糙度为B类，按封闭式建筑选取中间区单元，刚架风载体型系数按规程附录A取定，如图7所示：图7 风载体型系数2）分项荷载作用计算 屋面永久荷载作用：标准值 图8 刚架上恒载作用图（单位：kN/m） 屋面可变荷载作用：标准值 图9 刚架上活载作用图（单位：kN/m） 柱身永久荷载：标准值 风载（如图10所示）：墙面风荷载变化系数按柱顶标高计算取为1.0，w =1.0×0.45=0.45 kN/墙面风压标准值屋面风荷载变化系数

6、按屋顶标高计算取为1.0，w =1.0×0.45=0.45 kN/屋面负风压标准值图10 刚架上风载作用图（单位：kN/m）3）内力计算及组合（1）刚架内力计算本结构为柱脚铰接单层单跨刚架体系，在力学上为一次超静定结构，采用力法可以较方便的求解结构在各种荷载作用下的内力。变截面构件的截面特性可分段计算，每段近似取平均值作为构件截面特性代表值。荷载组合考虑以下几种情况 1) 1.20恒载 + 1.40活载 2) 1.20恒载 + 1.40左风 3) 1.20恒载 + 1.40活载 + 1.40 x 0.60左风 4) 1.20恒载 + 1.40左风 + 1.40 x 0.60右风 5)

7、 1.00恒载 + 1.40右风 定义工况0为恒载，工况1为活载，工况2为左风，工况2为右风。 (1)各工况下荷载内力图见图11所示。a) 工况0_恒载 轴力N图(单位：kN)b) 工况0_恒载 剪力V图(单位：kN)c) 工况0_恒载 弯矩M图(单位：kN.m)d) 工况1_活载 轴力N图(单位：kN)e) 工况1_活载 剪力V图(单位：kN)f) 工况1_活载 弯矩M图(单位：kN.m)g) 工况2_左风 轴力N图(单位：kN)h) 工况2_左风 剪力V图(单位：kN)i) 工况2_左风 弯矩M图(单位：kN.m)j) 工况3_右风 轴力N图(单位：kN)k) 工况3_右风 剪力V图(单位

8、：kN)l) 工况3_右风 弯矩M图(单位：kN.m)图11 各工况下内力图（2） 刚架内力组合见表2。表2 刚架内力组合见表组合号单元号小节点N(kN)小节点V(kN)小节点M(kN.m)大节点N(kN)大节点V(kN)大节点M(kN.m)1-129.449.60.0-95.049.6-347.82-58.5-89.7-346.4-56.2-55.1-33.83-56.2-56.8-33.8-53.5-16.6149.414-53.5-18.7149.4-52.21.4170.75-52.2-1.7170.7-53.518.4149.46-53.516.6149.4-56.256.8-33.

9、87-56.255.4-33.8-58.589.9-346.48-95.0-49.6-347.8-129.4-49.60.01-35.6-4.40.0-1.22.56.622-2.7-1.07.3-2.6-0.811.0续表23-2.6-0.811.0-2.6-0.614.524-2.6-0.714.5-2.6-0.516.05-2.5-0.715.9-2.82.713.46-2.82.713.4-3.29.5-17.17-3.29.5-17.1-3.615.4-70.58-15.7-2.1-68.6-50.0-17.40.01-102.932.70.0-68.536.9-244.32-43.

10、3-64.6-242.8-41.7-39.8-17.43-41.7-41.0-17.4-39.8-12.2115.334-39.8-13.7115.3-38.80.7131.55-38.8-1.6131.4-39.914.8114.76-39.913.4114.7-42.046.2-34.37-42.045.2-34.3-43.973.4-289.58-77.2-36.7-289.4-111.6-45.90.01-111.645.90.0-77.236.7-289.42-43.9-73.2-289.5-42.0-45.0-34.33-42.0-46.2-34.3-39.9-13.4114.74

11、4-39.9-15.0114.7-38.81.4131.45-38.8-0.9131.5-39.813.5115.36-39.812.2115.3-41.741.0-17.47-41.740.0-17.4-43.364.8-242.88-68.5-36.9-244.3-102.9-32.70.01-36.813.50.0-8.1-1.8-40.921.0-8.2-42.91.3-5.0-14.431.3-5.0-14.41.5-1.31.5541.5-1.31.51.60.62.451.50.72.41.6-0.82.661.6-0.82.61.8-3.713.771.8-3.613.72.0

12、-6.234.886.31.434.3-22.38.40.0（3）最不利组合荷载作用下刚架M、N、V图见图12。a) 轴力 N 包络图(单位：kN)b) 剪力 V 包络图(单位：kN)c） 弯矩 M 包络图(单位：kN.m)图12 最不利内力图1.4 刚架构件设计梁、柱截面及截面特性见表3.表3 梁、柱截面及截面特性部位截面简图截面特性刚架横梁1-1剖面2200×10700×8截面积 A=94.4 cm2惯性矩 Ix=6857.5 cm4Iy=1336.2 cm4截面模量 Wx=1959.3 cm3Wy=1336.2 cm3回转半径 ix=26.59 cmiy=37 cm2

13、-23-3剖面2200×10500×8截面积 A=90.08 cm2惯性矩 Ix=26132.6 cm4Iy=3126.6 cm4截面模量 Wx=1306.63 cm3Wy=250.13 cm3回转半径 ix=17.03 cmiy=5.89 cm4-4剖面2200×10700×8截面积 A=106.08 cm2惯性矩 Ix=64609 cm4Iy=3127.5 cm4截面模量 Wx=2153.6 cm3Wy=250.2 cm3回转半径 ix=24.68 cmiy=5.43 cm刚架柱5-5剖面2300×12800×8截面积 A=135

14、.76 cm2惯性矩 Ix=159345.7 cm4Iy=3649.3 cm4截面模量 Wx=3749.3 cm3Wy=291.944 cm3回转半径 ix=34.3 cmiy=5.2 cm6-6剖面2300×12400×8截面积 A=91.76 m2惯性矩 Ix=15667.3 cm4Iy=3646.9 cm4截面模量 Wx=1044.5 cm3Wy=291.752 cm3回转半径 ix=13.1 cmiy=6.3 cm1）构件宽厚比验算（1）梁翼缘（满足要求）（2） 柱翼缘 （满足要求）（3）梁腹板1-1 截面 （满足要求）2-2 截面、3-3 截面 （满足要求）4-4

15、 截面 （满足要求）（4）柱腹板柱底6-6截面 （满足要求）柱顶5-5截面 （满足要求）2）有效截面特性（1）柱有效截面特性翼缘：柱受压翼缘为一边支承、一边自由的均匀受压板件，当其自由外伸宽厚比不超过规范所规定的允许宽厚比时，柱受压翼缘全截面有效。由=（1-2）/1=0，查得=5 =19.04（满足要求）腹板：柱腹板为两边支承非均匀受压板件，其有效宽度按规范计算。柱顶5-5截面腹板最大、最小应力腹板受压区高度故取故取r =1.0，即柱顶腹板全截面有效。柱底6-6截面：故取由得，则故取，即柱底腹板全截面有效。（2）梁有效截面特性翼缘：梁受压翼缘为一边支承，一边自由的均匀受压板件，当其自由外伸宽厚

16、比不超过规范所规定允许宽厚比时，梁受压翼缘全截面有效。1-1截面：（满足要求）3-3截面： （满足要求）4-4截面：（满足要求）腹板：梁腹板为两边支承非均匀受压板件，其有效宽度按规范计算。1-1截面：腹板最大、最小应力腹板受压区高度故取故取r =1.0，即腹板全截面有效。3-3截面：腹板最大、最小应力腹板有效宽度故取 故取=1.0，即3-3截面梁腹板全截面有效。4-4截面腹板最大、最小应力腹板有效宽度故取 故取r =1.0，即4-4截面梁腹板全截面有效。3）刚架梁的验算（1）抗剪承载力验算梁截面的最大剪力Vmax=102.98 kN考虑仅有支座加劲肋，取=5.34,且1.4。 （满足要求）（2

17、）弯剪压共同作用下的强度验算1-1 截面验算M =511.5，N =72.938 kN，V =110.24 kN由 3-3 截面M =189.95，N =67.1 kN，V =21.19 kN4-4 截面M =220.76 kNm，N =65.39 kN，V =11.69 kN4）刚架柱的验算（1）抗剪承载力验算柱截面的最大剪力Vmax=64.5 kN考虑仅有支座加劲肋，取=5.34（满足要求）（2）弯剪压共同作用下的强度验算（满足要求）（3）平面内整体稳定验算柱的计算长度， =0.543 （注：上式中20.25 mm见后文位移计算部分）则, 查表得： =0.632，取mx=1.0 kN=21

18、5 （满足要求）（4）平面外整体稳定性验算楔率：，取,查表（满足要求）5）位移计算（1）柱顶水平位移的验算梁柱平均惯性矩为：（满足规范要求）（2）梁跨中最大挠度的验算由结构力学力法求解得梁跨中最大挠度为139.8 mm（满足规程要求）。1.5 刚架节点设计1）梁柱节点设计梁柱连接节点详图见图12.图12 梁柱连接节点详图（1）梁柱连接节点计算见表4.节点控制内力为M =346.4kNm，N =58.5kN，V =89.7 kN表4 梁柱连接节点计算（一）输入信息1）梁柱几何尺寸梁端柱端截面高度Hmm700800截面宽度Bmm200300腹板厚度Twmm88翼缘厚度Tfmm10122）高强螺栓信

19、息高强螺栓数量14 高强螺栓的直径mm22 高强螺栓强度等级10.9 摩擦面抗滑移系数0.45 最外排螺栓到翼缘边的距离efmm50.0 高强螺栓到腹板边的距离ewmm55.0 第2排螺栓和第3排螺栓间距amm75.0 高强螺栓排列参数xixi2第1排高强螺栓到螺栓群形心的距离x1mm203.0 41209.0 第2排高强螺栓到螺栓群形心的距离x2mm278.0 77284.0 第3排高强螺栓到螺栓群形心的距离x3mm388.0 150544.0 3）端板尺寸信息端板厚度t18 端板宽度bmm300.0 4）材料特性材料牌号Q345Q345屈服强度fyMPa345.0 345.0 抗拉强度设计

20、值fMPa310.0 310.0 抗剪强度设计值fvMPa180.0 180.0 弹性模量EMPa206000.0 206000.0 5）内力设计值控制组合1.2恒+1.4活轴力设计值（压力为负）kN58.50 剪力设计值kN89.70 弯矩设计值kN*m346.40 （二）高强螺栓群承载力验算1）高强螺栓承载力设计值高强螺栓预拉力PkN190.0 钢结构设计规范表7.2.2-2摩擦面抗滑移系数0.45 钢结构设计规范表7.2.2-1高强螺栓抗拉承载力设计值Ntb=0.8PkN152.0 钢结构设计规范第7.2.2条高强螺栓抗剪承载力设计值Nvb=0.9*nf*PkN77.0 钢结构设计规范式

21、（7.2.2-1）2）高强螺栓群内力验算弯矩M作用下高强螺栓的拉力设计值假设螺栓群在弯矩作用下绕形心转动第1排螺栓拉力Nt1kN65.34 第2排螺栓拉力Nt2kN89.49 第3排螺栓拉力Nt3kN124.89 轴力N作用下高强螺栓的拉力设计值kN4.18 高强螺栓最大拉力NtkN129.07 翼缘内第2排螺栓的拉力Nt2kN93.66 每个高强螺栓所受的剪力设计值NvkN6.41 3）高强螺栓群承载力验算Nv/Nvb0.083 Nt/Ntb0.849 高强螺栓群承载力验算应力比Nv/Nvb+Nt/Ntb0.932 钢结构设计规范式（7.2.2-2）（三）端板厚度验算最不利位置出现在最外侧螺

22、栓处端板类型两边支承类端板端板外伸最外排高强螺栓到翼缘边的距离efmm50.0 高强螺栓到腹板边线的距离ewmm55.0 端板宽度bmm300.00 端板厚度tmm18.00 端板强度设计值fMPa310.00 高强螺栓抗拉承载力设计值Nt=0.8PkN152.0 端板所需厚度tmm17.31 门钢规程式（7.2.9-3a）端板厚度验算应力比0.9617 （四）腹板抗拉验算翼缘内第2排一个螺栓的拉力设计值Nt2kN93.66 0.4PkN76.00 腹板抗拉验算=max(0.4P,Nt2)/ew/twMPa212.87 腹板强度设计值fMPa310.00 腹板抗拉强度验算应力比0.6867 门

23、钢规程式（7.2.11）（五）节点域抗剪验算节点域不平衡弯矩设计值MkN*m346.40 节点域宽度dcmm776节点域高度dbmm680节点域厚度tcmm8.00 门钢规程式（7.2.10-2）节点域剪应力=M/(db*dc*tc)MPa82.1 节点域抗剪强度设计值fvMPa180.0 节点域抗剪强度验算应力比0.4559 门钢规程式（7.2.10-1）（六）验算结果汇总验算内容计算值容许值螺栓群承载力验算应力比0.9324 1.0000 端板厚度验算应力比0.9617 1.0000 腹板抗拉验算应力比0.6867 1.0000 节点域抗剪验算应力比0.4559 1.0000 2）梁梁节点

24、设计（1）2-2梁梁节点连接详图见图13.图13 2-2梁梁连接节点详图2-2梁梁连接节点计算见表5.表5 2-2梁梁节点计算（一）信息1）梁梁几何尺寸梁端截面高度Hmm500截面宽度Bmm200腹板厚度Twmm8翼缘厚度Tfmm102）高强螺栓信息高强螺栓数量12 高强螺栓的直径mm16 高强螺栓强度等级10.9 摩擦面抗滑移系数0.45 最外排螺栓到翼缘边的距离efmm40.0 高强螺栓到腹板边的距离ewmm45.0 高强螺栓排列参数xixi2第1排高强螺栓到螺栓群形心的距离x1mm145.5 21170.3 第2排高强螺栓到螺栓群形心的距离x2mm301.0 90601.0 3）端板尺寸

25、信息端板厚度tmm16 端板宽度bmm200.0 4）材料特性材料牌号Q345屈服强度fyMPa345.0 抗拉强度设计值fMPa310.0 抗剪强度设计值fvMPa180.0 弹性模量EMPa206000.0 5）内力设计值控制组合1.2恒+1.4*0.9活+1.4*0.9吊车 第四种轴力设计值（压力为负）kN56.52 剪力设计值kN55.10 弯矩设计值kN*m34.30 （二）高强螺栓群承载力验算1）高强螺栓承载力设计值高强螺栓预拉力PkN100.0 钢结构设计规范表7.2.2-2摩擦面抗滑移系数0.45 钢结构设计规范表7.2.2-1高强螺栓抗拉承载力设计值Ntb=0.8PkN80.

26、0 钢结构设计规范第7.2.2条高强螺栓抗剪承载力设计值Nvb=0.9*nf*PkN40.5 钢结构设计规范式（7.2.2-1）2）高强螺栓群内力验算弯矩M作用下高强螺栓的拉力设计值假设螺栓群在弯矩作用下绕形心转动第1排螺栓拉力Nt1kN11.16 第2排螺栓拉力Nt2kN23.09 轴力N作用下高强螺栓的拉力设计值kN7.07 高强螺栓最大拉力NtkN30.16 每个高强螺栓所受的剪力设计值NvkN4.59 3）高强螺栓群承载力验算Nv/Nvb0.113 Nt/Ntb0.377 高强螺栓群承载力验算应力比Nv/Nvb+Nt/Ntb0.490 钢结构设计规范式（7.2.2-2）（三）端板厚度验

27、算最不利位置出现在最外侧螺栓处端板类型两边支撑端板，端板外伸最外排高强螺栓到翼缘边的距离efmm40.0 高强螺栓到腹板边线的距离ewmm45.0 端板宽度bmm200.00 端板厚度tmm16.00 端板强度设计值fMPa310.00 高强螺栓抗拉承载力设计值Nt=0.8PkN80.0 端板所需厚度tmm13.28 门钢规程式（7.2.9-3a）端板厚度验算应力比0.8301 （四）腹板抗拉验算翼缘内第2排一个螺栓的拉力设计值Nt2kN18.23 0.4PkN40.00 腹板抗拉验算=max(0.4P,Nt2)/ew/twMPa125.00 腹板强度设计值fMPa310.00 腹板抗拉强度验

28、算应力比0.4032 门钢规程式（7.2.11）（六）验算结果汇总验算内容计算值容许值螺栓群承载力验算应力比0.4903 1.0000 端板厚度验算应力比0.8301 1.0000 腹板抗拉验算应力比0.4032 1.0 （2）3-3梁梁节点连接详图见图14。.图14 3-3梁梁连接节点详图2-2梁梁连接节点计算见表6.表6 3-3梁梁节点计算（一）信息1）梁梁几何尺寸梁端截面高度Hmm500截面宽度Bmm200腹板厚度Twmm8翼缘厚度Tfmm102）高强螺栓信息高强螺栓数量10 高强螺栓的直径mm16 高强螺栓强度等级10.9 摩擦面抗滑移系数0.45 最外排螺栓到翼缘边的距离efmm40

29、.0 高强螺栓到腹板边的距离ewmm45.0 高强螺栓排列参数xixi2第1排高强螺栓到螺栓群形心的距离x1mm200.0 40000.0 第2排高强螺栓到螺栓群形心的距离x2mm290.0 84100.0 3）端板尺寸信息端板厚度tmm16 端板宽度bmm200.0 4）材料特性材料牌号Q345屈服强度fyMPa345.0 抗拉强度设计值fMPa310.0 抗剪强度设计值fvMPa180.0 弹性模量EMPa206000.0 5）内力设计值控制组合1.2恒+1.4活轴力设计值（压力为负）kN53.50 剪力设计值kN16.60 弯矩设计值kN*m1.50 （二）高强螺栓群承载力验算1）高强螺栓承载力设计值高强螺栓预拉力PkN100.0 钢结构