钢结构厂房课程设计

学号《钢结构设计》课程设计哈尔滨市某雪糕厂轻型门式刚架设计院（系）名称：航天与建筑工程学院专业名称：土木工程名：指导教师：张建华副教授2014年6月TOC\o"1-5"\h\z设计资料 12.荷载计算 21）荷载取值计算 22）各部分作用的荷载标准值计算 3内力分析 41）在恒荷载作用下 42）在活荷载作用下 63）在风荷载作用下 8内力组合 15刚架设计 17\o"CurrentDocument"截面设计 17\o"CurrentDocument"构件验算 17（1）验算刚架柱在风荷载作用下的侧移 17（2）构件宽厚比验算 17（3）刚架梁的验算 18（4）刚架柱的验算 20\o"CurrentDocument"节点验算 23（1）梁柱连接节点： 23（2）横梁跨中节点 25（3）柱脚设计 27其他构件设计 28檩条的设计 28（1）荷载及内力： 28（2）截面选择及截面特性 29（3）强度验算： 31（4）挠度验算： 31（5）构造要求： 32隅撑的设计 32墙梁的设计 32（1）荷载计算 33（2）内力计算 33（3）强度计算 33（4）挠度计算 34参考文献 341.设计资料哈尔滨市某雪糕厂房，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度27m，柱距6m,柱高6m,屋面坡度1/10，地震设防烈度为6度。刚架平面布置如下图（a）所示，刚架形式及几何尺寸如下图（b）所示。屋面及墙面板均为彩色压型钢板，内填充以保温玻璃棉板，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，间距为米，钢材采用Q345钢，焊条采用E43型。（a） 钢架平面布置图（b） 钢架形式及几何尺寸荷载计算1）荷载取值计算（1）屋盖永久荷载标准值（对水平投影面）TOC\o"1-5"\h\zYX51-380-760型彩色压型钢板 m250mm厚保温玻璃棉板 m2PVC铝箔及不锈钢丝网 m2檩条及支撑 m2刚架斜梁自重 m2悬挂设备 m2合计 m22）屋面可变荷载标准值屋面活荷载：m雪荷载：基本雪压S=m2。对于单跨双坡屋面，屋面坡角a=5°42'38",口=，雪荷0z载标准值S二口S=x。kz0取屋面活荷载与雪荷载中的较大值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）m2（4） 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o=x，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0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，口=。风荷载体型系数□。迎风面柱及屋面分别为+和，背风面柱及屋面分别为和zs（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——2）各部分作用的荷载标准值计算（1）屋面恒荷载标准值：X6kN/m2=m2活荷载标准值：xm2二m2（2）柱荷载恒荷载标准值：（xx+X）kN=活荷载标准值：X二（3）风荷载标准值迎风面：柱上q=X6Xm=mw1横梁上q=xx 背风面：柱上q=xXm=mw2w3横梁上q=xx内力分析w4考虑本工程刚度跨度较小，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《建筑结构静力计算手册》（中国建筑工业出版社）中表8-7公式计算刚架内力。（1）在恒荷载作用下（见图3-1~3-3）入=l/h=27/6二W=f/h=6=

k=h/s=6/=

口=3+k+甲（3+甲）=3++（3+二

①一8+5屮=8+4x0.225=4卩 4x4.1678H=H=ql入①二xxxq^xxx xx 图3-1恒荷载AE888作用下的M图图3-2恒荷载作用下的N图图3-3恒荷载作用下的V图刚架的内力图符号规定：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（见图3-4~3-6）V=V=ql=X27/2kN=AE2H=H=ql入①二2.79x27x4.5x0.5474kN=AE88MC=竽[1-（Z）M= X[1-（1++]kN・m=・mM=M=-ql2①二xx图3-4活荷载作用下的M图BD8图3-5活荷载作用下的N图图3-6活荷载作用下的V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q和竖向的分力q。xy（1） 在迎风面横梁上风荷载竖向分力q作用下（见图3-7）w2y11二一（8+5甲）= - （8+x）=16卩 16x4.1866V=ql=X27/8kN二；E8ql3.48x27 ql23.48x272x0.1368ql23.48x272V=x x4.5x0.1368 xx图3-7风荷载qA4 4 4 4 4 4 w2y作用下的M图（2） 在背风面横梁上风荷载竖向分力q作用下（见图3-8）w4yV=ql=X27/8kN=;V=xqlxxx吃竺［a2—（1+屮）2.26x272xx图3-8风荷载qA8E4444w4y作用下M图（3）在迎风面柱上风荷载q作用下（见图3-9）w1a=1①二丄［6（2+①二丄［6（2+屮）+5k］=4卩14x4.1866[6x（2++x]=V=-V=qh2=X(2X27)kN二AEH=XEqh2H=XEqh2a20.87x62x14 4x(2-0.9334)qh2a20.87x62x14 4(1—(1+)X)kN•m=•mM=x•m二・mD图3—9风荷载q作用下的M图

w1在背风面柱上风荷载q作用下(见图3—10)w3V=—V=qh2=x(2x27)kN=AEHe=-畤(2-IO)=—TX(2—呼)kN=H=xxxx qh2a2[1-(1+屮) 1.91x62x12x[l—((1+0.22x0.9334]A 4 4=•m图3—10风荷载q作用下的M图w3在迎风面横梁上风荷载水平分力q作用下(见图3—11)w2xw 0225a=1;①二工(4+即)=—x(4+3x0.225)=8卩 8x4.1678V=—V=-AE3.48x1.35X(1+=2H=qV=—V=-AE3.48x1.35X(1+=2H=q21(1+0)=3.48x1.352(1+kN=f[0.5w-(1+W)0]3.48x1.35x62x[0.5x0.225-(1+0.225)x0.0315]二・mM=x・m二・mBM=x・m二・mD图3—11风荷载q作用下的M图

w2x在背风面横梁上风荷载水平风力q作用下(见图3—12)

w4xV=—V=X／(2X27)X(2X6+kN=AEH=xxx，M=x・m=・mED图3-12风荷载q作用下的M图w4x（7）用叠加绘制在风荷载作用下刚架的组合内力（见图3-13~3-3-16）图3-13左风向风荷载q作用下的M图w图3-14右风向风荷载q作用下的M图w图3-15风荷载q作用下的N图W图3-16左风向风荷载q作用下的V图W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》（GB50009-2001）的规定，采用荷载效应的基本组合：YS<R。本工程结构构件安全等级为二级，丫=。00（1）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x恒荷载标准值计算的荷载效应+x活荷载标准值计算的荷载效应；X恒荷载标准值计算的荷载效应+x风荷载标准值计算的荷载效应；X恒荷载标准值计算的荷载效应+X活荷载标准值计算的荷载效应+XX风荷载标准值计算的荷载效应；X恒荷载标准值计算的荷载效应+X风荷载标准值计算的荷载效应+XX活荷载标准值计算的荷载效应；X恒荷载标准值计算的荷载效应+XX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如下。梁端截面:M及相应的N、V；M及相应的N、V。maxmin梁跨中截面：M及相应的N、V；M及相应的N、V。maxmin对于刚架柱,截面的最不利组合有M及相应的N、V；M及相应的N、V；N及相应的土M、V；N及相应的土M、V。maxminmaxmaxminmax内力组合见表4-1。表钢架内力组合（左半跨）截面内力组组合项目荷载组荷载组合项目M/kN.mN/kNV/kN

合方式刚架柱柱顶（1）1.2x恒+1.4x活（2）1.0x恒+1.4x风（1）1.2x恒+1.4x活（2）1.0x恒+1.4x风柱底——（1）1.2x恒+1.4x活0（2）1.0x恒+1.4x风0刚架梁支（1）1.2x恒+1.4x活（2）1.0x恒+1.4x风跨中（2）1.0x恒+1.4x风（1）1.2x恒+1.4x活刚架设计截面设计初选梁柱截面均用热轧普通工字钢I63c:630X180X17X22,截面特性：B=180mm,H=630mm,t=mm，t=mm，A=mm2，

wfI=102339cm4,W=cm3，i=cm；xxxI=cm4，W=cm3，i=cm。yyy。构件验算(1)验算刚架柱在风荷载作用下的侧移卩I=I=102339cm4,g=Il/Ih=27000/6000二cbtcb刚架柱顶等效水平力：HW=(01+o2)h=(0.87+1.91)x6kN=kN)xkN0.67W=Hh3卩=1=11.18x103x60003(2+4.5)mm12Elt12x206x103x102339x104c=mm<［九］=h/60=100mm2)构件宽厚比验算翼缘部分：b/1=22=<：235^f=15满足y腹板部分：h/1=586/17=<.-'235/f=250满足0 W V y刚架梁的验算抗剪验算：梁截面最大剪力为V=kN，考虑到仅有支座加劲肋，maxh/t 586/17九=0 —二 =<，s37/5.34 37：5.34V=htf=586X17X125kN=1245kN>V二，满足要求uwwv maxb・弯、剪、压共同作用下的验算：取梁端截面进行验算，N二kN,V=kN,M=kN-m。

因V<V，取V=V，按《钢结构设计规范》(GB50017—2003)验算uuf h2 )M=A—+Ahff[f1—f22丿2=kN-m>M=kN-m，取M=MM-Mf—=0<1，满足要求。M-Meu fc.整体稳定验算：c.整体稳定验算：N=kNN=kN,M=kN-m梁平面内的整体稳定性验算：计算长度取横梁长度I.=27135mm,九=l/i=27135/=<［九］=150，b类截面，查表得申x0xx0xx=。NEx=兀2EANEx=兀2EA 兀2X206X103X17979e0YX2R1.1X117.732kN=kNBmxMmxMmx x丫w11-9xN'丿Ex721001.0721001.0X518.97X106=0.472x17979=0.472x179793248.9x103xfl—0.472x72.1、I 2566.5丿=N/mm2<f=295N/mm2，满足要求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=0,卩=卩SW=1.0,B=1.0tx二〉即l=3015mm。对于等截面构件0y=1九=l/i=3015/32=,b类截面，查表得9y0yyN+n

9AyN+n

9AyBMtx x9WbxmX103+1.0X°・85X518・97X1°6]0.848x3248.9x103丿10.593x17979N/mm2=N/=N/mm2<f=295N/mm2d・按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)校核横梁腹板容许高厚比:梁端截面：e.72.1x103(Jmax一 min 17979+518.97x106x213-102339e.72.1x103(Jmax一 min 17979+518.97x106x213-102339x106N/mm2112.02-104.0N/mm2J-Ja一——max min一0Jmax故t0-SC4%+你-26.2）宁-，满足要求w y梁跨中截面：58.11x103Jmax一 min17979+312.3x106x213+ 102339x10468.23N/-61.77mm2N/mm2Ja一一

0«ax JmaxJ——min一+0.5九-26.2）：空-，满足要求验算檩条集中荷载下的局部受压承载力：a.檩条传给横梁上翼缘的集中荷载。F-6.2x0.42x6+1.4x0.45x6)x1.5kN-kNl=a+5h+2h一Go+5x12+0)mm=130mmz yRTF1.0x10.21x10317x130j一一 N/mm2=N/mm2<f=295N/17x130ctlwz验算腹板上翼缘处的折算应力。取梁端截面处的内力M一kN-m,N一kN,V一kN,°一竺一518.97x106x213n/mm2一N/mm2I 102339x104VS125.68x103x180x22x219102339x104x17t一一 N/mm102339x104x17Iw

二二108.012+4.622-108.01x4.62+3x6.262N/mm2二二108.012+4.622-108.01x4.62+3x6.262N/mm2二N/mm2<1.2f=354N/mm2,满足要求4)刚架柱的验算抗剪验算：柱截面最大剪力为V=kN，考虑到仅有支座加劲肋，九max二L=<,37f5.34\235V=htf=xxkN=kN>V=kN，满足要求。uwwvmax弯、剪、压共同作用下的验算：取柱顶截面进行验算N=kN，V=kN，M=kN•m因V<V，取V=V，按《钢结构设计规范》(GB50017—2003)验算ur h2A4

f1h2M=fu+Ahff22丿180x22x+180x22x219lx295kN•m219 丿=kN•m>MkN•m，取M=Mfrv、0.5Vu、21

丿—=0<1,满足要求。M—Meu f整体稳定验算构件的最大内力：N二kN,M=kN•ma-刚架柱平面内的整体稳定性验算：刚架柱高H=6000mm，梁长L=27135mm，柱的线刚度k=I/h1c1=102339x104/6000mm3=170565mm3；梁线刚度k=I/(2屮s)=102339x104/27135mm3二mm3，2b0k/k=170565/=，查表得柱的计算长度系数卩二。刚架柱的计算长度12l=yh=xmm=12450mm。九=l/i=12450/=<［九］=150，b类截面，查表0x x0xx得9=

_兀2EA_n2x206x103x17979N= e0=Ex0 YX2 1.1x52.18_兀2EA_n2x206x103x17979N= e0=Ex0 YX2 1.1x52.182RxkN二kN,B二mx卩Mmx x—/ N\YW1-0.8NEx丿52.18x1030.845x179791.0x518.97x1061 5218A1.05x3248.9x103x1-0.8x : I 12192.46丿二Nmm2<f=295N/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,单位安全起见,计算长度按两个墙梁距离或隅撑间距考虑，即l=3015mm。对于等截面构件，九=l/i=3015/=,b类截面,0y y0yy查表得申=y二〉N+n

屮AyBM1165.65x103——tx x 申WI0.593x17979bx+1.0x川x157.62x106 ]1.0x0.848x3248.9x103丿N/mm2=Nmm2<f=295N/mm2④按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)校核钢架柱腹板容许高厚比:a.柱顶截面:qmax=min140・45x103土518V7x106N/mm2=|167.55N/mm23248.9x103 I-151.9317979qa二一

0-qmax min=qmax故h0=<tw(48a0+0/-26.2)浮=，满足要求b.柱底截面:a=00故伫-<（L6a+0.5九+25）：迺-，满足要求t 0 fw v节点验算1）梁柱连接节点：（见图5-1）图5-1刚架柱与刚架梁的连接节点螺栓强度验算：梁柱节点采用级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r二，每个高强度螺栓的预拉力为190kN，连接处传递内力设计值：N=kN,V=kN,M=kN-m螺栓抗拉承载力验算：(518.97x0.305 、72.7],4xG.3052+0.2452丿(518.97x0.305 、72.7],4xG.3052+0.2452丿-8丿kNMykNN= —tXy21=99.32kN<Nb=152kNt螺栓的抗剪承载力验算：Nb—nrP—xxxkN —kN>N—8kN—kN，满足要求Vf v最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算倖+N—空！+99昱—<，满足要求Nb Nb76.95 152Vt端板厚度验算：端板厚度取t=20mm，按二边支撑类端板计算:6x40x46x99.32x103 —f mm二mmx180+2x40x(40+46丿」x295梁柱节点域的剪应力验算：M518.97x106t— — N/mm2ddt586x586x10bcc=Nmm2<f=180N/mm2满足要求。v④螺栓处腹板强度验算：

N=^My2-t2 —y2iN=( 518.97xN=^My2-t2 —y2ikN=kN<~n=14xG.3O52+0.2452丿-丿kN=kN<0.4P=0.4x190x103=165.21Nmm0.4P=0.4x190x103=165.21Nmm2<f二295Nmm2RnkNV

N[ 严3x0・305 、_58.11]kNkNnV4nX^-30^2+，08245118.338丿kNMkN-met 46xM10yNbPxkNkNN _t tLy2nuPxxxkNkN工NkNkN+二 + <tmmv Nrn/mmNgy?_nNL4631280>+022：440x¥05846牛295 12工爲P6n2x103 2——f———— _ IkNkN<PxkNkN— =134.78N(4x'0.3052+0.2452丿 8丿 et46x10mm2<f二295Nmm2脚内力设计值：N二kN，相应的V"=kN；maxf「 6x40x46x11?.33x10N祇4631280x^。/xU0^46]<NbkNNbtVN=kN，相应的V=kN。minb.由于柱脚剪力V=kN>NkN，故在设置柱间支撑的开间必须设置剪力键。maxmax另N>0,考虑柱间支撑竖向 上拔力后，锚栓仍不承受拉力，故仅考虑柱在安装过min程中的稳定，按构造要求设置锚栓即可，采用4M24。柱脚底板面积和厚度计算。a.柱脚底板面积确定基础采用C20混凝土，f=N/mm2，验算底板下混凝土的轴心c抗压强度设计值：b=—=165.65x103N/mm2bh300x730=Nmm2<^f=Nmm2 满足要求。ccb.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矩:三边支承板：b/b=96/586=<，按悬臂板计算2111M二一ba2=x0.75x1762N-m=11616N-m2 4 211对于悬臂板部分：M=2ba4=2x0.72x502N-m=900N-m底板厚度：_.'6M_：6底板厚度：_.'6M_：6x11616t= max=-f 295mm=mm，取t=20mm。其他构件设计檩条的设计檩条形式为卷边槽形冷弯型钢，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，材质为钢材Q345。（1）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：p=（0.52+0.5）x1.5kN：m=kNmk檩条线荷载设计值p=（1.2x0.52+1.4x0.5）x1.5kNm=kNmp二psina=m，p二pcosa二kN/mxy弯矩设计值：pl2 1.899x62M=—y—= kN-m二8.55kN-m，x88（2）截面选择及截面特性①选用C180x70x20x2.2（见图6-1）：I二374.90cm4,W二41.66cm3,i=7.06cm;I=48.97cm4,x x x yW =23.19cm3,W =10.02cm3,i=2.55cm,咒=2.11cm.ymax ymin y 0图6-1薄壁C型钢截面先按毛截面计算的截面应力为受压板件的稳定系数腹板：Q=◎min= =—0.91>—1a214.42max上翼缘板：受压板件的有效宽度：腹板：k=21.62，k=0.863，b=180mm，c=70mm，t=2.2mmca=214.42N/mm2。1板件约束系数k二0.11+0.93/忆-0.05）2二0.11+0.93/（1.952-0.05）2二0.3671由于p=-°min■<0，取a=1.15b/1=180/222=81.82,18ap=18xl.15x2.75=56.92,38ap=38x1.15x2.75=120.18,18ap<b/1<38ap.则截面有效宽度上翼缘板：k二0.863,k=21.62,b=70mm,c=180mm,t=2.2mmcG=214.42N/mm2。1板件约束系数々=1/厉=1/^0514=1.395由于q=£m^>0，取a=1.15-0.15申=1.15-0.15x0.858=1.02Gmaxb/t=70/2.2=31.82 18ap=18x1.02x1.07=19.6538ap=38x1.02x1.07=41.47 18ap<b/t<38ap.则截面有效宽度下翼缘板：下q翼缘板全截面受拉，全部有效。有效净截面模量上翼缘板的扣除面积宽度为（）mm二；腹板的扣除面积宽度为（）mm二，同时在腹板的计算截面有一直径13mm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。所以腹板的扣除面积按直径13mm拉条连接孔计算。有效净截面模量为：（3,强度验算：按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑G=宜+：=8・55x106+°・213x106=250.23N/mm2<295N/mm2WW 3.743x104 0.977x104enx enymin（4,挠度验算：5 1.53xcos5。42'38〃x60004v二x mmy384 206x103x374.9x104=mm<l200=30mm满足要求

5）构造要求：九=6000/=<［九］=200，九=3000/=<［九］=200xy隅撑的设计（见图6-2）图6