门式刚架轻型钢结构设计计算书

《某门式刚架轻型钢结构设计》计算书

1、工程情况：

无吊车门式刚架跨度13.1m,刚架间距5m,共10根。钢架柱高4.6m,屋面坡度

1/6,屋面及墙板采用加JXB42-333-10()0型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板，芯板面板厚为

0.50mm,板厚为80mm,自重0.25kN/nf,楝条为薄壁卷边C型钢，间距为1.5m,自

重0.05kN/nT。钢材采用Q235钢，焊条为E43型。抗震设防烈度为6度。刚架梁在

1/3处变截面。

静载：为0.2kN/nf：活载：0.5kN/m2?一载:0.2kN/m2s风载：基木风压W°=0.55

kN/m2,地面粗糙度B类

图1.刚架简图

2、钢架的布置及类型

2.1钢架的布置

按CECS102:2002规范，门式钢架轻型钢结构广房的纵向福度区(伸缩缝间距)应不达于300m,

横向温度区段应不大于150m.该工程可不设伸缩缝.

柱网及平面布置如图2:

图2.刚架平面布置图

2.2钢架的类型

根据门式钢架类型钢结构特点，为「充分利用材料的作用达到节省材料的目的，截面应选用变

截面实腹式门式钢架轻型钢架结构。由于厂房内无吊车采用较接柱脚刚架。

3、屋面构件与支撑设置

3.1屋面板

根据保温隔热的要求及建筑外形设计要求，考虑施工方便选用JXB42-333-1000型岩棉夹芯彩

色钢制夹芯板，芯板面板厚为0.50mm,板厚为80mm

3.2楝条

根据屋面板对楝条的要求,楝条间距采用1.5m.按荷载采用冷方薄壁C型钢C180x70x20x3

，跨中设拉条一道.

3.3屋面支撑与柱间支撑

为了保证厂房的强度，空间结构的稳定性，门式钢架结构左右跨横梁顶面设置横向水平支

撑，在柱间设置柱间支撑，

3.3.1屋面横向支撑

根据CECS102:2002的要求：屋盖的横向支撑和柱间的支撑一股设置在温度区段端部或第

一或第二开间区。柱间支撑布置如图3：

图3.刚架柱间支撑布置图

(I)柱间支撑设计：柱间支撑计算简图见图4.

按CECSI02：2002附录A：=0.65+0.15=0.8

按GB50009-2()()l低于10m取必、=0.1

vv,=4xxv^=0.8xl.0xl.05x0.55=0.462^/2

w,=0.462x13.1x5x^=15.1^

按一半山墙荷载的%考虑节点活荷载标准值:

凡出二%x叱=3.7750V

即节点荷载设计值:

/；,=1.4x3775=5.29W

R=5.29

x….

图4.柱间支撑计算图

柱间支撑构件为柔性构件只能承受拉力。则：

直杆的反力设计值：2=5.29ZN

斜杆的反力设计值：/V2=5.29/cosa=7.23A7V

（2）杆件验算

直杆承受压力采用C180X70X20X3.0按轴心压杆进行验算，斜杆受拉采用中16圆钢

就按轴心拉杆验算。

1）直杆：

A=9.92加，/=473.（）9。”4/=6.91。〃

截面性质：

/、,=60.92c〃z4",=2.65。〃

强度验算：%=529%2=5.33%/〃〃〃2</=215?//〃〃〃2满足要求

4=%=500%9]=72.3<[刃=200

刚度：:/满足要求

4=%=500%65=1887<[2]=200

粒定性：只需要验算平面外的稳定性：

B类截面查表得%=0.206

%/=529%206乂9.92><102=25-9%/蕨</=215'/蕨，满足要求。

b）斜杆：

截面性质A=201.1mm2

强度验算：%=723%0]]=35.95N/〃〃/</=215N/〃W?2，满足要求。

刚度验算：张紧的圆纲不需要考虑长细比。

3.4墙梁设计

墙板采用加JXB42-333-1000型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板。按文献（4）中墙梁截面选

用表11-1,墙梁选用冷弯薄壁卷边槽钢C160X60X20X20,跨中设拉条一道。

4、荷载计算

4.1荷载取值计算（标准值）：

（1）恒载：

屋面板（JXB42-333-1000型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板）；（）.25RV/

槐条及支撑：0.15^/w2

钢架横梁：0.15

静我：0.2

S=0.75W/Z7/2

墙面及柱的自重：：0.5kN//

（2）活载；

雪载：02kN/m1

屋面均布活载：由于刚架的受荷水平面积为13.1X5=65.5//>60"??,所以屋面

活荷载取为0.3AN///

根据GB5009-2001两种取最大值。取活载0.30V/疗

（3）风荷载:

图5风荷载体形系数与风荷载作用

基本风压吗=0.55kN/，/地面粗糙类别B类，按CECS102：2002的规定，基本风

压乘以1.05的系数。BPyv=1.05x0.55=0.5775W/nr

以柱顶为标准风压高度变化系数：4=1.0,民=1.0

4.2各部分作用荷载：

(I)屋面恒载：

标准值：0.75x5/cosa=3.80M/，〃

设计值：1.2x3.8=4.56^V/m

柱身恒载：O.5X5=2.5&N

设计值：2.5X1.2=30V

(2)屋面活荷载：

标准值：0.3x5/cosa=1.52ZJV/〃？

设计值：1.4xl.52=2.13W//w

(3)风荷载：仅以左风为例，右风相反。

屋面风压设计值；

琥=1.4x1.0x1.0x(-0.6)x0.55x1.05x5=-2A3kN/m

=1.4X1.0X1.0X(-0.5)X0.55X1.05X5=-2.02)W/W

柱顶集中风载设计值(对于较接变截面柱按简化取上半段风载为集中风载作用于柱

顶计算)

pMv=|,4xl.0xl.0x0.8x0.55xl.05x5x2.3=7.43ZN

p^.=1.4x1,Ox1.()x(-0.5)x0.55x1.05x5x2.3=Y65kN

则风荷载作用如图6：

q2q.3

A1AiA1AiAHiA1M1Ai

5富学*^县生鼻q4

7.084BD43

AE

图6.风荷载作用图

1=%=-2A3kN/in

%=%=—2.02ZJV/〃2

5、截面初择

截面初选按以下的方法进行，单跨双坡对称实腹式变截面刚架的几何尺寸如图7所示：

%：40=437:3275mm

%,取=400mm

%：15=46%：15=460:306力的

b=%=18():72mm取b=150mm

2:5

/?==200〃〃〃:133加牝且也o>200mm取九()=250mm

0.3

hboF12OOX150x8x10

200)x150x8x10

Hbl

■

H(250'400)x150x8x10

，，hop

图7.刚架截面初选

L受”二437:

*=374〃〃%,由于一般情况下取加=储，故取&=400

30:3530:35

b=&

=150:606加，取b=150

2:5

13100

=238:2()()//!///,取%=200mm

55:6555:65

选取截面的特性如表1所示:

表1.截面特性

截面

2

大头60401.51X10875216157.930.6

5.64xl064.HxlO5

柱

5.I3X107

小头484075130103.034.1

5.63xl067.53x10$

梁大头60401.51x10s75216157.930.6

5.64xl067.53x10s

小头44403.1OxlO77510283.535.6

5.63xl063.10xl05

柱截面的平均惯性矩：

84

/=(/r0+<.,)=(1.51+0.513)x1^//=1.01xl0/n/n

梁截面的平均惯性矩：

I=(4o+〃4i+。一夕"以%/

2(|)x3.10^10^

=3.10+-X15.1+1-

I3I

=7.09x1()%向4

6、内力和侧移计算

6.1内力计算

内力计算采用弹性分析法。川梁，柱平均刚度将梁，柱简化为等截面刚梁，然后采用结

构力学求解器进行求解。

6.1.1屋面恒荷载作用

1)输入文件

结点,1,0,0

结点2046

结点,3,4.37533

结点,4,6.55,5.69

结点,5,8.73,5.33

结点613.1,4.6

结点,7,13.1,0

单元,1,21,1,0,1,

单元23』』』』,

单元,341,1,1,1,

单元45,1,1,1,1,

单元,5,6,1,1,1,1,

单元.6.71,1,1,1,.0

结点支承74,0,00

结点支承,14000

单元荷载23,4.56。1,90

单元荷载,3,3,4.56,0,1,90

单元荷载43,4.56,0』.90

单元荷载.5,3456.0.1.90

单元荷载63,0.501,180

单元荷载,1,3.050,1,0

单元材料性质,1,1「1,10.1,1,-1,-1

单元材料性质25,-179,1,-1,-1

单元材料性质,6,6,-1,1。1,1,-1,-1

2）输出文件

杆端内力值（乘子=1）

杆端1杆端2

单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩

1-32.1680567-11.16798360.00000000-29.8680567-11.1679836-51.3727247

215.936492927.6197595-51.3727247-15.93649297.4164378226.2421401

3-15.92266847.4460574526.2421401-15.9226684-2.6293758031.5634290

4-15.92266842.6294724031.5634290-15.9226684-7.4459608526.2423535

515.93634037.4163410726.242353515.936340327.619662851.3720827

6-29.867936911.1678440-51.3720827-32.167936911.16784400.oooooooo

3）内力图（设计值）

a.M图(kNm)

b.V图(kN)

c.N图（kN）

图8.刚架在恒荷载作用下的内力图

6.1.2屋面活荷载作用：

1）输入文件

结点,1,0,0

结点2046

结点,3.4.37,5.33

结点46.55,5.69

结点,5,8.73,5.33

结点,6,13.1,4.6

结点,7,13.1,0

单元,1,2,1,1Q1J1

单元,2,3,1,1,1,1,1,1

单元,3,4,1,1,1,1,1,1

单元,4,5』,1,1,1,1,1

单元,561,1,1,1,1,1

单元,6,7』,1,1,1,1,0

结点支承,7,4,000

结点支承,140,0.0

单元荷载23213,0」,90

单元荷载,3,3213。1,90

单元荷载43,2.13,01,90

单元荷载,5,3213,0,1,90

单元材料性质,1,1",10.1,1,-1,-1

单元材料性质,2,5,-179,1,-1,-1

单元材料性质,6,6,-1,10.1,1,-1,-1

2）输出文件

内力计算

杆端内力值（乘子=1）

杆端1杆端2

单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩

1-13.9515265-5.216623940.00000000-13.9515265-5.21662394-23.9964701

2-7.4440460212.9013350-23.9964701-7.444046023.4642571412.2578417

3-7.437561043.4780926212.2578417-7.43756104-1.2281952814.7434438

4-7.437530521.2282404014.7434438-7.43753052-3.4780475012.2579414

5-7.44393921-3.4642119512.2579414-7.44393921-12.9012898-23.9961702

6-13.95147055.21655874-23.9961702-13.95147055.216558740.00000000

3)内力图

a.M图(kNm)

b.V图(kN)

c.N图(kN)

图9.刚架在活荷载作用下的内力图

6.1.3风荷载作用：

1）输入文件

结点,1,0,0

结点,2,046

结点,3,4.37,5.33

结点46.55,5.69

结点58.73,5.33

结点,6,13.1,4.6

结点,7,13.1,0

单元,1,2,1,1,0,1,1,1

单元23,1,1,1,1,1,1

单元,3,4』」』』」』

单元,451,11,1,1,1

单元,5,6』,

单元.671,1,1,1,1,0

结点支承,7,4000

结点支承,1,4,（）,0.0

结点荷载21,7.43,0

结点荷载,6,・1,4.65,180

单元荷载2-3243.0,1,90

单元荷载3-3,2.43,0』,90

单元荷载4-3202,0,1,90

单元荷载5-3,2.02,0』,90

单元材料性质,1,1,-1,10.1,1,-1,-1

单元材料性质25,-1,7.91,-1,-1

单元材料性质

2）输出文件

内力计算

杆端内力值（乘子=1）

杆端1杆端2

单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯更

119.311463711.39889630.0000000019.311463711.398896352.4349234

27.09643555-18.393641152.43492347.09643555-7.62739736-5.20887197

37.08251953-7.64048352-5.208871977.08251953-2.27133817-16.1590800

45.97656250-4.42773271-16.15908005.976562500.03550746-21.0114454

55.976074220.02441674-21.01144545.976074228.97413382-1.07716780

69.836138240.23416691-1.077167809.836138240.234166910.00000000

3）内力图

a.M图（kNm）

c.N图(kN)

图10.刚架在风荷载作用下的内力图

6.2侧移验算(采用标准值计算)：

刚架梁坡度1：6<1：5,故柱顶的侧移按下计算：

由于无吊车梁，处于6度地震区故水平力作用有风或引起

柱顶的等效水平力：

”=0.67X(4+%)X/7=0.67X(1.01+2.22)X4.6

=995kN

刚度与梁的线刚度比值

/xL_1.01x1Qxxl3.1

=4.06

Ihh7.09xl（7x4.6

则刚架柱顶的水平侧移。

Hh'9.95X103X46003

ux（2+Z）=x（24-4.06）

12“12X2.06X105X1.01X108

=23.5mm

增板为轻型钢板墙得

%而=%o=460%0=76.67〃〃〃

M<Uhm满足要求。

7）内力组合

7.1选取控制截面。

由于刚架布置，恒载和活载作用下对称。故选择取控制截面为a-a,b-b,c-c,d-d,e-e。

如图所示：

de

c

图11.刚架控制截面

7.2内力组合：内力组合考虑以下三种

（1）永久荷载+活荷载

（2）永久荷载+风荷载

（3）永久荷载+0.85（活荷载+风荷载）

组合内力见表2：

表2.刚架组合内力：

截面’恒荷载活荷载风荷载’嚅鬻胃鬻%誉器:风

力活荷载风荷载荷载+活荷载）

N-32.17-13.9519.31-46.12-12.86-27.61

“L&V-11.12-5.2211.4-16.340.28-5.87

M000000.00

X-29.87-13.9519.31-43.82-10.56-25.31

b-bV-11.12-5.2211.4-16.340.28-5.87

M-51.37-2452.43-75.371.06-27.20

\-15.94-7.447.1-23.38-8.84-16.23

c-cV27.6212.9-18.3940.529.2322.95

M-51.37-2452.43-75.371.06-27.20

\-15.94-7.447.08-23.38-8.86-16.25

d-dV7.423.46-7.6410.88-0.223.87

M26.2412.26-5.2138.521.0332.23

\-15.92-7.447.08-23.36-8.84-16.23

e-eV-2.63-1.23-2.27-3.86-4.9-5.61

M31.5614.74-16.1646.315.430.35

注：表中N、V的单位为kN,M的单位为kN•m。

8、结构截面验算

8.1刚梁横梁和柱的计算氏度

（1）横梁在刚梁平面内的计算长度

由于刚架坡度1：6<1：5,因此，刚架横梁在平面内稳定性能够得到保证，不需要验算

平面内的稳定性。

（2）横梁在刚梁平面内的计算长度

考虑屋面压型钢板与楝条紧密的连接，有一定的蒙皮效应，在出平面能起到支撑作用，

但为了安全计算长度按两个楝条之间考虑即

/Ov=2x1500=3D00/n/n

8.1.2刚架柱的计算长度

刚架柱在刚架平面内的计算长度采用一阶分析法来计算；

柱顶在水平位移作用下的侧移刚度

“9.95x103

=423.3N\〃〃〃

T-23.5

当门式较接单跨对称:

〃,二4.14第二209

柱在平面内计算长度：4）r=£x%=2.09x4600=9614〃〃”

（2）柱在平面外的计算长度

考虑屋面压型钢板与墙梁紧密的连接，有一定的蒙支效应，在出平面能起到支撑作用,

但为了安全计算长度按两个墙梁之间考虑，即

4八=2x1500=3000/Z///Z

8.2构件的局部稳定性验算

由于梁柱的腹板厚度相同，翼缘宽度相同，因此仅脸算梁、柱大头的局部稳定:

（150-8）/

柱大头：翼缘部分：一二-------a=7.1<15—=15,满足要求:

C1（）

腹板部分：b=40°—2X1°-47.5<250户=250满足要求;

Q8VA

・梁大头:翼缘部勺中2=7.95符Z满足要求;

腹板部分：^=4（）（）2X1（）=47.5<250—=250,满足要求;

（8Vfy

梁柱局部稳定性均满足要求

8.3加劲肋设置

（1）柱加劲肋：

a-a其腹板均匀剪力=&=1634x1)=/=()()25、

°儿4380x8小

心塾二47.5

8

则柱腹板可不设加劲肋,仅在柱端设置加劲肋。

（2）梁加劲肋：

k_40.52x1()3

C-C截面:=13.32N/〃加=0.062/、

3380x8

^-=—=47.5

8

v10.88x1()3

2

d-d截面:%=-----=----=--7--.-5--6-N//wn=0.035/；,

%九180x8

旦46

4

故，梁腹板可.不设加劲肋，仅在梁端设置加劲肋

8.4刚架梁的验算

8.4.1抗剪验算

刚梁截面的剪力最大处为c-c截面，但d-d截面较小且剪力比e-e截面大因而对c-c,d-d

截面进行验算：

C-C截面：

仅考虑支座加劲肋,

a

0二125N/mn/

3

Vit=hjwfv=380x8x125x10=38OZN>V，满足要求

d-d截面：

仅考虑支座加劲肋，纸=0

匕==180X8X125X103=180kN>.满足要求

8.4.2弯，剪，压共同作用下的强度验算

由于横梁跨中可能出现较大弯矩，故除了验算截面c-c,d-d,e-e处，尚应验算该反弯

点位置的强度。

(1)求反弯点位置：如图12所示：

6.69KN/m

M=75.37kNm

图12.刚架梁计算简图

x6.69f

M=40.52x75.37

cosaF

40.52八

人dM、八--------6.69x=0

令——^=0cosa

4x=6.14()〃？

M=50.75KN.m

相应的V=0

N=6.69x6.140sina-23.38=-16.63KN

(2)c-c截面在弯，剪，压共同作用下的强度验算

c-c截面内力：

M=7537kN.in,N=23.38ZNW=40.52ZN

V=40.52<0.5V；=().5x380=190kN

取V=0.5匕

梁翼缘承担弯矩设计值

Mf=

1952)(23.38x1()3

150xl0x——+150x10x195x215xlO-6

1956040

=123.5lkN>M,取M=Mf

2M—M

故,3^7〃一+--------------r=Ov1满足要求。

f

(3)d-d截面:

d-d截面内力：

M=38.5kN.m,N=23.38ANW=10.88AN

V=0.88<0.5匕=0.5x180=90kN

取V=().5匕

梁翼缘承担弯矩设计值

M

/%

952\/23.38x1()3

150xl0x—-+150x10x95x215xW6

954440

=59.77kN、m>M

取M=M/

M-M/

故,=0<l,满足要求。

Mi,

(4)对d~d截面和e-e截面均有,

M<Mf,V<O.5VU

均取,V=0.5匕,M=Mf

=0vl均满足要求。

10.5VMMi,

综上，刚架横梁在弯，剪，压共同作用下强度满足要求。

8.4.3刚架梁稔定性

刚架横梁的坡度1：6<1：5,故刚架横梁不需要考虑其平面内的稳定性问题，故仅验算

刚架横梁在平面外稳定性即可。

（1）变截面段

小头截面：&=1/=300%56=84.3

B类截面，查得：6=0.659

楔形受弯构件的整体稳定性系数必，了的计算:

4=(4/4)-1=(400-200)-1=1

=1+0.023x1xX=1.145

4=1+0.0237/3OOO2OO/

Y/】JV/八1vy

受压翼缘与受压腹板1/3高度组成的截面绕y轴的回转半径，按小头全截面受压计算:

^2=37.7〃〃〃

1980

/=M=S45X3。。%向=91.10

Zy0

4=1+0.00385卡=I+0.00385xlxJ-----=1.034

V37.7

则

\4

4320v4,o'o

Xo----+

W

4”AO

43206040x200U.145,91.10x10)

xl

9L1023.10x10sJ.034、4.4x200,

=3.26>0.6

=1.07--=1.07翁。984

则刚架梁变截面段的平面外稳定性:

23.38x1("1.Ox75.37xlO6

N。二=101.7^/mm2</=215.V/mm2

nA%也0.659x44400.984x7.53x105

满足要求

等截面段

J=0.659

2

43204440x200.79.6x10、235

(1),-----------rX------------------XJI4-x--

死■79.623.10x10sV4.4x200；4

=2.63>0.6

OR?

%=1.07---=0.963

h2.63

23.38x1()31.Ox463x1()6

汕靛&aE

=163.1N/mm2<f=2\5N/inni2满足要求。

8.5刚架柱的验算

8.51刚架柱的抗剪验算

由于柱顶和柱脚剪力相等V=I6.34KN,但柱脚截面较小，故仅对柱脚截面进行抗剪

验算：按仅有支座加劲肋考虑九=0

=0.309<0.8

4=41xx/53441x7534

fv=\25N/mnr

3

Vu=hjwfv=234x8x125x1O-=234kN>V,满足要求。

8.52刚架柱在弯，剪，压共同作用下的强度验算

对于柱脚a-a截面和柱顶b-b截面，分别验算其承受的内力分别为：

a-a截面M=0,V=16.34kN,N=46.12kN；b-b截面M=75.37kN,V=16.34kN,

N=43.82kN

（1）a-a截面在弯、剪、压共同作用下的强度验算

V=16.34<0.5^=0.5x138=69kN

取V=0.5匕

A/=0<MpW=M

故:

M-M

-v+-------乙{=0vl满足要求

<O3VMMd

(2)b-b截面:

4---；xx1=0.507<0.8

41x7534fy41x7534

3

Vu=hjwfv=384x8x125x10=384ZN

V=16.34<0.5V=0.5x258=I29M取V=0.5匕

2

小亡h+板2V卜

M

A?

1952)(4WX101X10^121.5^

150xl0x——+150x10x195x215

195JI6040

M=73.66AN.〃zvMr，取

故:

M-Mf

-------乙=0<1,满足要求。

<Q5V„M—Mf

853刚架柱的稳定性验算

（1）刚架柱平面内的稳定性

由于小头截面弯矩作用为零，按全截面受压故安全截面有效考虑。

按截面小头计算长细比：=961%）3=93,3

B类截面查得外=0.599

刚架平面内的欧拉临界力:

乃2E4,,()乃2x2.06xlO5x4840

X10-3=1027JWV

1.U1.1x93.32

等弯系数力心=1.0

6

J0mxM、46.12x1()31.Ox73.66xl()

0.599x4840l-^^x0.599jx7.53xlO5

则：利4。「券外叫

1027)

/VEtO7

二117N/nun2<f=215N/mm2

满足要求

(2)柱平面外的整体稳定性

z==3。。％。,6=98.04

B类截面查得化=0.568

等效理矩系数月：由于一端弯矩为零故:

N

仇=1+0.75

N.

均匀弯曲楔形受弯双轴对称I字形截面杆件的整体稳定性系数例,按卜面方法求。

构件的楔率

4T.l=0.6

y=

4250

=1+0,023/株=1+0.023X0.6X2

受压翼缘与腹板1/3高度组成截面绕y轴的I可转半径，按小头计算，全截面受压:

J281578%]6=365〃〃?

人。=4x%,=1台09x3(X%6.5=107.6

4=1+().00385x=1+0.00385x0.6x=1.021

V36.5

=4320x4^^4J/235

x-----=

Ao2%。*儿J14.4/JA

则

432()4840x25(,卜1.309丫<107.6x10?

4.11x105F11.02L+-------------xl=1.81>0.6

107.62I4.4x250)

故

•।八~0.282i八~0.282八八一

夕人=1.()7----------=1.07-----------=0.914

%,L81

则，刚架柱在平面外的稳定性：

36

N。PtMx_46.12xl0lx75.37xlQ

例儿0^X,-0.568x48400.914x7.53x105

=147N/mm2<f=2i5N/mm1

,满足要求

刚架整体稔定性满足要求

9节点设计

9.1梁柱的节点：

刚架横梁与刚架柱连接采用端板竖放的连接方式。螺栓采用10.9级M16高强度摩擦型

螺栓进行连接

9.1.1节点构造及螺栓布置

(1)节点的构造见图13

一.

M16

017.5

O