建筑钢结构课程设计-单层单跨门式钢架厂房设计及计算书

建筑钢结构课程设计——单层单跨门式钢架厂房设计及计算书一、引言门式刚架结构以其自重轻、跨度大、施工周期短、经济指标优、造型美观等显著特点，在现代工业与民用建筑领域，特别是单层厂房、仓库、体育馆等大空间建筑中得到了广泛应用。本次课程设计旨在通过对一典型单层单跨门式刚架厂房的完整设计与计算过程，使设计者能够理论联系实际，熟练掌握钢结构设计的基本原理、方法和步骤，培养结构方案构思能力、计算分析能力及规范应用能力。本计算书将严格遵循现行国家规范，力求设计成果安全可靠、经济合理，并符合工程实践要求。二、设计资料与基本参数2.1工程概况本项目为某地区单层单跨门式刚架厂房，主要用于轻型机械加工车间。厂房纵向长度根据工艺需求确定，横向为单跨。2.2基本设计参数1.跨度（柱距中心线之间的距离）：根据工艺设备布置及通行要求，取常见的中等跨度值。2.柱高：指室内地面至柱顶（刚架梁下翼缘）的高度。根据设备高度及操作空间需求确定，檐口高度取该值。3.屋面坡度：考虑屋面排水要求，采用单坡或双坡排水。双坡排水时，坡度通常取1/10至1/20，本设计根据当地降雨量及屋面材料特性选取适宜坡度。4.柱距：沿厂房纵向柱的间距，根据结构经济性、屋面荷载及吊车布置等因素确定，采用常规经济柱距。5.抗震设防烈度：根据厂房所在地区的地震动参数区划图确定，本设计暂按某非高烈度区考虑，后续可根据具体地点调整。6.基本风压：按《建筑结构荷载规范》查取厂房所在地区的基本风压值，并考虑高度变化系数。7.地面粗糙度类别：根据厂房周边环境确定，一般工业厂区取B类或C类。2.3荷载条件1.恒荷载（永久荷载）：*屋面自重：包括屋面板、保温层、防水层、檩条、支撑等自重，需根据选用材料及构造做法具体计算或查用手册。*墙体自重（若有围护墙）：包括墙板、墙梁、连接件等自重。*其他永久荷载：如悬挂设备、管道等，根据实际情况考虑。2.活荷载（可变荷载）：*屋面活荷载：按《建筑结构荷载规范》取值。*雪荷载：按规范查取基本雪压，并考虑屋面积雪分布系数。*积灰荷载：对于机械加工车间，若有大量粉尘产生，需按规范考虑，否则可忽略。*吊车荷载：本设计暂按无吊车考虑，若有吊车，需另行计算吊车竖向荷载、横向水平荷载及纵向水平荷载。3.风荷载：按《建筑结构荷载规范》计算，考虑风荷载体型系数（门式刚架有专门的体型系数图表）、风压高度变化系数、风振系数（对高度较高或柔性结构需考虑）。4.地震作用：根据设防烈度及场地类别，按《建筑抗震设计规范》进行简化计算或判断是否需要考虑。对于轻型门式刚架，在某些烈度区可能地震作用不起控制作用。2.4材料选用1.刚架梁、柱：采用Q235B或Q345B钢材，根据受力大小及经济性比较确定。Q235B钢具有良好的塑性、韧性和焊接性能，价格相对低廉，适用于荷载不大或跨度中等的结构。Q345B钢强度较高，可减轻结构自重，适用于跨度较大或荷载较大的情况。2.檩条、墙梁：通常采用冷弯薄壁型钢，如Q235B级的C型钢或Z型钢，经济高效。3.屋面及墙面围护材料：可选用压型钢板（单板或夹芯板），其自重轻、安装方便。4.连接材料：*焊接：手工焊接采用E43型焊条（对应Q235钢）或E50型焊条（对应Q345钢）。*螺栓：普通螺栓采用C级螺栓，高强度螺栓根据受力情况选用摩擦型或承压型，一般采用8.8级或10.9级。2.5设计规范及依据*《钢结构设计标准》（GB____）*《建筑结构荷载规范》（GB____）（2019年版）*《建筑抗震设计规范》（GB____）（2016年版）*《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB____）*《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB____）*其他相关的现行国家及行业标准、规范。三、结构方案与布置3.1结构形式选择本厂房采用单层单跨实腹式门式刚架结构体系。刚架形式可选用斜梁坡度一致的双坡门式刚架，柱脚可根据地基条件及抗震要求选用铰接或刚接。一般情况下，门式刚架柱脚多采用铰接以简化构造并降低对基础的要求，但在有吊车或抗震设防烈度较高时需采用刚接。本设计暂按铰接柱脚考虑。3.2结构布置1.平面布置：刚架沿厂房纵向以一定柱距布置，形成排架。各榀刚架通过屋面檩条、墙面墙梁、纵向支撑以及系杆等连接，形成空间受力体系。2.屋面檩条布置：檩条采用C型钢或Z型钢，按一定间距平行于刚架横梁布置，间距大小需根据屋面荷载、檩条截面及跨度综合确定，一般在1.5m至3m之间。3.支撑体系布置：为保证结构的整体稳定性和空间刚度，需设置必要的支撑。*屋面横向水平支撑：通常在厂房两端第一榀或第二榀刚架间设置，以及在温度区段的分界处设置。*屋面纵向水平支撑：当厂房跨度较大或有吊车时，可在屋脊处或檐口处设置。*柱间支撑：同样在厂房两端及温度区段分界处设置，可采用交叉支撑或门架式支撑，承受纵向水平荷载。4.系杆：分为刚性系杆和柔性系杆。刚性系杆通常采用圆钢管，用于传递水平力，如屋脊系杆、檐口系杆；柔性系杆可采用圆钢，主要起拉结作用。四、荷载计算4.1屋面恒荷载标准值计算(Gk)1.屋面板自重：根据所选压型钢板厚度及构造（是否夹芯），查产品手册或相关资料得单位面积重量。例如：0.6mm厚彩色压型钢板复合保温屋面，自重约为[具体数值]kN/m²。2.屋面檩条自重：根据选用的C型钢/Z型钢规格（高度、厚度）及间距，计算或查用檩条线重量，再除以檩条间距，得到单位面积自重。例如：C160×60×20×2.5，间距1.5m，线重约[具体数值]kg/m，则单位面积自重为[具体数值]/1.5≈[具体数值]kN/m²。3.屋面支撑及连接件自重：一般取0.05~0.10kN/m²。4.其他：如吊顶（若有）等，按实际情况考虑。屋面恒荷载标准值Gk=上述各项之和。4.2屋面活荷载标准值(Qk)按《建筑结构荷载规范》，不上人屋面活荷载标准值取0.5kN/m²。4.3屋面雪荷载标准值(Sk)基本雪压S0=[查规范得当地基本雪压值]kN/m²。屋面雪荷载标准值Sk=μr×S0，其中μr为屋面积雪分布系数，双坡屋面当坡度≤25°时，μr=1.0；当坡度>50°时，μr=0。本设计屋面坡度对应的μr按规范取用。4.4风荷载标准值计算(Wk)基本风压W0=[查规范得当地基本风压值]kN/m²（100年重现期）。风荷载标准值计算公式：Wk=βz×μs×μz×W0其中：*βz：高度z处的风振系数。对于高度不超过30m且高宽比不大于1.5的房屋结构，可取βz=1.0。*μs：风荷载体型系数。门式刚架房屋有专门的体型系数图表，需区分迎风面、背风面、屋面（吸力或压力）等不同区域分别取值。例如，双坡屋面，坡度为α时，屋面迎风侧及背风侧的μs值可查规范确定，通常屋面多为风吸力。*μz：风压高度变化系数。根据地面粗糙度类别（如B类）及计算高度z（檐口高度或屋脊高度）查规范确定。分别计算作用于刚架上的风荷载：1.垂直于屋面的风荷载：对屋面梁产生向上或向下的荷载。2.平行于屋面的风荷载：可分解为水平分力和竖向分力。3.作用于柱上的风荷载：对柱产生侧向推力。风荷载是门式刚架设计中的控制荷载之一，其分布较为复杂，需仔细计算。4.5荷载组合根据《建筑结构荷载规范》，进行承载能力极限状态设计时，应采用基本组合；进行正常使用极限状态验算时，采用标准组合或准永久组合。基本组合的荷载效应设计值Sd=γG×SGk+γQ1×SQ1k+ΣγQi×ψc,i×SQik其中：*γG：永久荷载分项系数，一般取1.2；*γQ1,γQi：可变荷载分项系数，一般取1.4；*ψc,i：可变荷载组合值系数，雪荷载、风荷载取0.6，屋面活荷载取0.7。需考虑以下几种主要组合情况：1.恒载+活载2.恒载+雪载3.恒载+风荷载（风吸力或风压力控制）4.恒载+0.9(活载+雪载+风荷载)5.恒载+地震作用（若地震作用参与组合）五、内力分析与组合5.1计算简图将单榀门式刚架简化为平面结构进行分析。刚架梁与柱的连接视为刚接，柱脚按铰接考虑（或刚接，根据前面假定）。计算跨度取柱轴线间距离，计算高度取柱脚至刚架梁轴线的距离。5.2荷载作用位置及方式1.恒荷载、活荷载、雪荷载：均为垂直作用于屋面的分布荷载，作用于檩条上，再通过檩条传递给刚架横梁，因此对刚架横梁而言，可简化为节点集中荷载或等效均布荷载。通常，当檩条间距较小时，可近似按均布荷载考虑，其值为屋面荷载标准值乘以檩条间距。2.风荷载：分别考虑作用于屋面和墙面的风荷载，转化为作用于刚架节点上的水平力和竖向力（对屋面而言）。5.3内力分析方法可采用手算（如力矩分配法、力法、位移法）或利用结构计算软件（如PKPM、3D3S、SAP2000等）进行分析。对于规则的单跨门式刚架，手算可采用力矩分配法或查用门式刚架计算图表进行简化计算。本设计若采用手算，以力矩分配法为例简述步骤：1.确定各杆线刚度：i=EI/L，E为钢材弹性模量（206×10³N/mm²），I为截面惯性矩，L为杆长。2.计算分配系数和传递系数。3.在各种荷载作用下，计算刚架的固端弯矩。4.进行力矩分配与传递，求出各杆端最终弯矩。5.根据弯矩图，利用平衡条件求出各杆端剪力和轴力。通过软件计算则更为高效和准确，可直接得到各种荷载组合下刚架各控制截面的弯矩M、剪力V、轴力N。5.4最不利内力组合对刚架梁和刚架柱的若干控制截面（如梁端、跨中、柱顶、柱底等），分别求出在不同荷载组合下的内力值，然后挑选出对该截面起控制作用的最不利内力组合（如最大正弯矩+相应轴力、最大负弯矩+相应轴力、最大轴力+相应弯矩等），作为构件设计的依据。六、门式刚架梁柱设计6.1截面形式选择门式刚架梁和柱通常采用实腹式焊接或轧制H型钢，且多为变截面，以适应弯矩图的变化，节约材料。截面高度从跨中向两端逐渐减小（梁），或从柱顶向柱底逐渐增大（柱）。也可采用等截面，构造简单，但经济性稍差。本设计初步选用变截面H型钢。6.2截面尺寸初步估算1.梁截面估算：梁高hb≈(1/40~1/20)L，L为梁的跨度。梁宽bb≈(1/2.5~1/5)hb。腹板厚度tw和翼缘厚度tf可根据经验或参考类似工程初选。2.柱截面估算：柱高hc为已知。柱截面高度hc≈(1/25~1/15)H，H为柱高。柱截面宽度bc可与梁翼缘宽度协调或取相近值。6.3强度验算构件的强度应按下式验算：N/An+Mx/γx/Wnx≤f其中：*N：验算截面的轴力设计值；*An：净截面面积；*Mx：验算截面绕x轴（强轴）的弯矩设计值；*γx：截面塑性发展系数，对H型钢，绕强轴取1.05；*Wnx：净截面抵抗矩；*f：钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，Q235B钢为215N/mm²。对于剪力较大的截面，还需验算抗剪强度：V/(hw×tw)≤fv其中：*V：剪力设计值；*hw：腹板高度；*tw：腹板厚度；*fv：钢材的抗剪强度设计值，Q235B钢为125N/mm²。6.4整体稳定性验算门式刚架横梁和柱在平面内和平面外均需验算稳定性。1.弯矩作用平面内的稳定性（压弯构件）：N/(φx×A)+βmx×Mx/(γx×W1x×(1-0.8×N/(NEx')))≤f其中：*φx：弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数，根据构件长细比λx和截面分类查规范确定；*βmx：等效弯矩系数，根据荷载作用情况确定；*W1x：对x轴的毛截面抵抗矩，取受压纤维一侧；*NEx'：欧拉临界力，NEx'=π²×E×A/(1.1×λx²)。2.弯矩作用平面外的稳定性：N/(φy×A)+βtx×