门式钢架设计

门式钢架设计

一、设计资料

某厂房为单跨双坡门式刚架,长度15Um,檐高H=7.5m,屋面坡度跨

度L=15m,柱距S=7.5m。刚架为等截面的梁、柱，柱脚为较接。

屋面材料、墙面材料采用单层彩板。

楝条和墙梁均采用冷弯薄壁卷边Z型钢，间距为1.5m,钢材采用Q235钢，焊

条采用E43型。

基本风压W°=O35kN/向，地面粗糙度B类。

二、构造平面柱网及支撑布置

该厂房长度150m,跨度12m,柱距7.5m,共有21根刚架，由于纵向温度区段

不不小于300m、横向温度区段不不小于150m,因此不用设置伸缩缝。

厂房长度＞60m,因此在厂房第一开间和中部设置屋盖横向水平支撑；并在屋盖

对应部位设置楝条、斜拉条、拉条和撑杆，楝条间距为1.5m；同步应当在与屋盖横

向水平支撑相对应的柱间设置柱间支撑，由于柱高〉柱距，因此柱间支撑用分层布

置，布置图详见施工图。

三、荷载的计算

(-)计算模型的选用

取一根刚架进行分析，柱脚采用较接，刚架梁和柱采用等截面设计。厂房檐高

7.5m,考虑到楝条和梁截面自身高度，近似取柱高为7.2m；屋面坡度为1：10。

因此得到刚架计算模型：

<-)荷载取值计算

长度柱距跨度檐局恒载活载基本风压

(m)(m)(m)(m)(kN/m2)(kN/m2)(kN/m2)

1507.5127.50.60.50.35

1.屋盖永久荷载原则值

屋面板0.60攵N//

刚架斜梁自重(先估算自重)O.\5kN/而

合计0.75kN/m2

2.屋面可变荷载原则值

屋面活荷载：按不上人屋面考虑，取为0.50kN/W,不考虑积灰荷载。

3.轻质墙面及柱自重原则值0.25左N/m2

4.风荷载原则值

按《门式刚架轻型房屋钢构造技术规程》CECSI02：2023附录A的规定计算。

基本风压30=1.05X0.45kN/nr,地面粗糙度类别为B类；

风荷载高度变化系数按《建筑构造荷载规范》(GB50009-2023)日勺规定采用，当

高度不不小于10m时，按10m高度处［f、J数值采用，uz=1.0。

风荷载体型系数us：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(CECS102：2023中间区)。

(三)各部分作用荷载：

(1)屋面恒载:

原则值：0.75x—x7.5=5.60ZN/m

cos3

柱身恒载：0.25x7.5=1.88〃N/m

5.6kn/m

（2）屋面活载

屋面活荷载0.50x—x7.5=3.76W/m

cos。

3.76kN/u

山川川山川川川印

（3）风荷载

以风左吹为例计算，风右吹同理计算：根据公式4=44供）计算:

4根据查表力工10〃?，取1.0,从根据门式刚架的设计规范，取下图：

（地面粗糙度8类）

—0.6——0.5

风载体形系数示意图

风荷载如下图:

(四)内力计算：

(1)截面形式及尺寸初选

梁、柱都采用热轧中翼缘H型钢

梁的截面高度h一般取(l/30-l/45)L,故取梁截面高度为600mm:

暂取HM588x3OO,截面尺寸见图所示,柱的截面采用与梁相同

吗Iy

截截面名长度面积

(X106/77/?74)(x1043(xlO6wm4)(xlO4W2AM3)

2mm)

面称(mm)(mm)mmmm

HM

柱588x3(X)7200187211128.27388.9590.0960.07247.1569.37

HM

梁600x3006030187211128.27388.9590.0960.07247.1569.37

（2）截面内力

根据各个计算简图，用《构造力学求解器\20》计算，得构造在多种荷载作用

下日勺内力图如下：

注：剪力图：“+”表达方向“一”；轴力图：拉为正，压为负。

（A）恒载作用（原则值）下，计算简图及内力值（考虑基础埋深0.8m）：

9.10

恒栽作用下剪力图

-46.31

-46.311PY,__1।iI「T"：一…41-46.31

恒载作用下弯矩图

（B）活载作用（原则值）下，计算简图及内力值（考虑基础埋深0.8m）：

活荷载作用下轴力图

22.06

0.39

-22.06

-3.893.89

活荷载作用下剪力图

活荷载作用下弯矩图

（C）风荷载作用（原则值）下，计算简图及内力值（不考虑基础埋深）:

风荷载作用下轴力图

风荷载作用下剪力图

风荷载作用下弯矩图

（3）内力组合

由于恒载和活载有关构造竖向对称，因而风荷载只要考虑一种方向作用，风荷

载只引起剪力不一样，而剪力不起控制作用。

刚架构造构件按承载能力极限状态设计，根据《建筑构造荷载规范》（GB50009

一2023）的规定，采用荷载效应的基本组合：丫oSWR。本工程构造构件安全等级为

二级，yo=l.O

按承载能力极限状态进行内力分析，需要进行如下3种组合：

A：1.2X永久荷载+1.4Xmax｛屋面均布活荷载｝-1.4X0.7风荷载

B：L2X永久荷载+1.4X0.7Xmax｛屋面均布活荷载｝+1.4X风荷载

C：1.0X永久荷载+1.4X风荷载

组合A、B一用于截面强度和构件稳定性计算,

组合C一用于锚栓抗拉计算。

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,

各状况作用下的截面内力及内力组合见下表：

各状况作用下的I控制截面内力

截面内力恒载活载左风

N-48.64-22.5619.59

1-1Q-5.79-3.899.17

M000

N-9.10-22.5619.59

2—2Q-5.793.894.20

M-46.31-31.0948.11

N-33.60-6.116.13

3-3Q32.8622.06-19.08

M-46.31-31.09-48.11

N-5.76-3.876.13

4-4Q0.580.39-2.43

M51.0234.25-16.74

控制截面内力组合

截面内力L2X永久荷载+L4X1.2X永久荷载+1.4X0.7XL0X永久荷载+1.4X

max｛屋面均布活荷裁｝max｛屋面均布活荷载｝十1.4X风荷载

+1.4X0.7风荷载风荷载

N-70.75-53.05-21.214

1-1Q-3.412.087.05

000

N-23.31-5.6018.33

2-2Q2.612.740.09

M-51.95-18.6921.04

N-42.87-37.73-25.02

3-3Q51.6234.346.15

M-146.25-135.39-113.66

N-6.32-2.122.82

4-4Q-1.14-2.32-2.82

M92.7771.3527.58

（五）截面验算

控制内力组合项目有:

①+Mmax与对应的N,V（以最大正弯矩控制）

②一Mmux与对应日勺N,V（以最大负弯矩控制）

③Nmax与对应的M,V（以最大轴力控制）

④Nmin与对应的M,V（以最小轴力控制）

因此以上内力组合值，各截面的控制内力为：

1-1截面的控制内力为M=0,N=-70.75A7V,Q=-3AiKN

2・2截面的I控制内力为M=-51.95侬・M,N=—23.31KN,Q=26\KN

3-3截面的控制内力为M=—146.25KN・M,N=9281KN,Q=5\.62KN

4-4截面的控制内力为M=92.77KN・〃，N=-6.32KN,Q=-\.\^KN

（1）刚架柱验算：

取2-2截面内力

平面内长度计算系数:

/7.5K+4甘4/12.06...

Ao=、7.5K+1其中K==--------=1.51,.-.〃（）

I.fH8°

HOv=8x1.115=8.92M

平面外长度计算系数:

考虑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，但为了安全起见计算长度按两个墙梁间距考虑,

即Ho1.=80（H）/2=4（）00"〃〃

二典38」，人二也

•••4=64.9

234'61.6

（A）局部稳定验算

构件局部稳定验算是通过限制板件口勺宽厚比天实现小J。

①柱翼缘

〃—(150_3)/2_

7-6~（满足规定）

②柱腹板

儿「600—16

（满足规定）

（B）柱有效截面特性

M=—288.10KN・M,N=—79.93KMQ=58.59KN

36

(TnlaxlN.M79.93xl0,288.10xl0

4

<TminA-%9472~173X10

174.63,

=8.48±166.15=《N(mm2

-157.67

==174.63+157.67=]90

5M174.63

-^-=—=97<48q)+0.5%-26.2=84.1

06

因97>70,故可以考虑屈曲后强度。

由于考虑屈曲后强度：

“二十喘箸一9°

/?r=174.63x---------=306.9〃〃〃

174.63+157.67

16

h==21.5

[(I+/?)2+0.112(1-y9)2]05+l+y7

584/8

A=---——.——----[=0.5640.8,

P28.1瓦,235//；28.1xV2L5

则P=1,截面全部有效。

（C）抗剪强度验算:

柱截面的最大剪力为\晨=58.59AN

%_%%.584/8=0点

37店J235//V37x>/534xl'

0.8<儿<1.4,则£=[1-0.64(4一0.8)]/.=0.973x125=121.63N/mm2

Vd=4),/=584x8x121.63x10-3=568.2KN>Qx，满足要求。

弯剪压共同作用下的验算：

因为V<0.5%，按公式M=Me-NWe/A,进行验算，

其中M”叱,/=173x1()4x215x10-6=371.95攵N〃i

M：=Me-NWe/Ac=371.95-79.93x371.95/9472

=371.95-3.14=368.8\kNm>288.1OkN-/??,满足要求。

(D)稳定性验算：

①刚架柱平面内稳定性验算:

4=38.1<[2]=180,1=4〃/235=38.1

。类截面，由《钢结构设计规范》附表C-2查得，%=0.906

厘EA3.142x2.06xl05x9472

=12048AM晨=1.0,则

(1.1硝(1.1X38.12)

N13nM_79.93x1031,0x288.IQxlO6

懑+〃l-0.8(N/N&)W=0.906x9472+]05x173x10X1-0.8x3^)

12048

=9.31+159.45=168.76/V/mnr<f满足要求，

②刚架柱平面外稳定性验算

N=/vJ/7235=64.9

〃类截面，由《钢结构设计规范》查得，?=0.78

M|

065+0.354=0.65+0.35x-=0.825

4=2

_2

；6492

珈=1.()7一=1.07——■—=0.974

440044000

N凡此79.93x103200.825x288.10x1()6

则

喊0.78x94720.974xl73xlO4

=10.81+141.01=151.82^/〃〃/〈/满足要求。

（2）刚架梁验算:

取3-3截面内力；M=288.10KN・M,N=—77.03KN,Q=83.45KN

（A）局部稳定验算

①梁翼缘

b_(150-3)/2

t6

（满足规定）

②梁腹板

600-16

=146<250=250

4

（满足规定）

（B）梁有效截面特性

门式刚架坡度为1/10G/5,可以不考虑横梁轴梁的影响，按受弯构件验算。

o-J(M/88.10x1()6

>=i-----=±--------------------=±166.53N/〃加

-4

CFJVVV_173xl0

0匹=7

〃二584x2=292〃〃〃

「2

_____________16_____________

而112x4=2391

口+£)2+0]]2(1_4)2严+]+£

584/8

=0.53<0.8.

‘厂28.1瓦J235",28.1x723.91

则0=1,截面全部有效。

（C）强度计算

①抗剪强度验算:

梁截面的最大剪力为匕”=83.45A:N

kr=5.34

4二"-584/8

卬37厄J235//、.37x^/^x1,-

0.8<4<1.4,则工:=[1-0.64(4-0.8)]/.=0.973x125=⑵.63N/mm2

匕/=584x8x121.63x10-3=568.25ZN>V皿，满足要求。

②弯矩作用下的验算：

%=M=173x1()4X215XKF6

=371.95AN•m>288.10kN-m,满足要求。

(D)稳定性验算

①刚架梁平面内稳定脸算：

验算方法与柱平面内的稳定验算相同，由于N梁<N柱，M梁二M柱，因而可以满足要求。

②刚架梁平面外稳定验算：

般刚架平面外稳定靠支撑来保证，

考虑楝条处设置隅撑以保证屋脊负弯矩使下翼缘受压时有支撑，

在支撑点处设置隅撑以保证横梁全截面受支承，则横

梁成为平面外3nl支撑的压弯构件，取其中一段计算。

由乙二器=46.2及b类截面查《钢结构设计规范》得，％=0.874

由于有端弯矩与横梁荷载，取用=1.0,则分=1.07-一二二1.02

,xh44000

由于内力沿杆件线性变化，取较大值77.07ZN

N77.07x10'，八1.0x288.10x1()6

从而---+77——-=-----------+l.Ox--------------

0/研”0.874x94721.02x173x1(/

=9.31+163.27=172.58N/mm2</■满足要求。

四、位移验算

(-)柱顶水平位移验算：

位移验算为正常使用极限状态下的承载力验算，荷载应选用标准值。

构件截面参数：

EA=2.06xl08x9472x!0^=1.95x]06k〃,

EJx=2.06x10"x520x100x1OF=]07*10乜〃•府

刚架柱顶等效水平力按下式计算：

二/,£二24000二3

1~~^H~8000"*

柱底刚接，均布风荷载：F=0.45W=0.45x16.62=7.48KN

其中w=(3i+34)・h=(0.86+1.91)x8.0=16.62KN

F”33+2.11.14x8000’3+2x3一。一

LI=---------------=------------------：--------------x----------=1.48+1.52.98m/??

24“3+524x2.06x10、x520xl()63+3

〈网=77/150=53.3加

(-)横梁扰度验算：

荷载标准值=1.Ox恒载+1.Ox活载=4.3+4.5=8.8k\/m,

由矩阵位移法结构力学计算程序计算位移，位移图如下：

_32.14_I

满足要求

~L~24000~747250

五、节点设计

(-)梁柱节点设计:

梁柱节点形式见下图:

连接处选用如下组合内力值:

M=-288.10KN・M,M=-79.93KN(使螺栓受压)，Q=58.59KN

采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN,

摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数〃=0.45,

螺栓承受拉力为:

288.10x0.372—翌=.加一]"二⑵

第一排:NA-^=288.10x0.372—.47kN

1Zy.n4x(0.1322+0.2122+0.3T22)10

288.10x0.212

第二排:My^_/V=_-------_=76.06-7.99=68.07kN

2Zyfn4x(0.1322+0.2122+0.3722)10

雪上二―吧=

第三排:288.10x0.132―47.36_7.99=3937kN

3n4x(0.1322+0.2122+0.3722)10

其抗拉承载力为：

[N^]=0.8P=0.8x225=180kN一口西十

.,1,,>125.47kN,满足要求。

=nd;x/fc/4=^x21.182x500/4=176.2kN

螺栓群的抗剪力(M24螺栓)(下面三排不计外加压力，只考虑预压力)

Vb=£0.9〃〃/(P-1.25N,)=2[0.9x0.45x(225-1.25x125.47)+0.9x0.45x

(225-1.25x68.07)+0.9x0.45x(225-1.25x39.37)1+0.9x0.45x225x6

=2(27.61+56.66+71.19]+546.78=851.7kN>58,59kN

端板厚确定:

/6eJV~6x68x125.47xlO3

第一排螺栓端板厚：t>I—=J------------------=24.99〃〃〃,

bf400x205

第二排螺栓端板厚：t>

[ewb+2ef(ef+ew)]f

6x68x97x68.07xl03

=14.65〃〃77,

[97x400+2x68x(68+97)]x205

3,23x37x39.37x6=20.2。,加,

第三排螺栓端板厚：t>

(0.5a+「.)/(0.5x80+97)x205

采用端板厚/=26〃〃〃。

端部腹板设置加劲肋，加强腹板强度，详见施工图

（二）梁梁节点设计:

梁梁节点形式见下图:

连接处选用如下组合内力值:

M-\092KN，M,N—-58.32KN(使螺栓受压)，Q-5.83KN

采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN,

摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数〃=0.45,

螺栓承受拉力为:

My.N179.92x0.3725832

第一排：此二一，>----=--------------------；--------=91.2/-/.Z