刚架结构计算参考

1、.一、设计资料某加工厂一厂房，该厂房为单层，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度18m，柱高6m；共有 12 榀刚架，柱距 6m，屋面坡度 1:10。刚架平面布置见图 1(a)，刚架形式及几何尺寸见图 1(b)。屋面及墙面板均为彩色压型钢板 ,内填充以保温玻璃棉板，详细做法见建筑专业设计文件；钢材采用 q235 钢，焊条采用 e43 型。ba112图1(a). 刚架平面布置图009000618000图1(b). 刚架形式及几何尺寸二、荷载计算（一）荷载取值计算1屋盖永久荷载标准值（对水平投影面）yx51-380-760 型彩色压型钢板0.15 kn/m 2.50mm 厚保温玻璃棉板0.05 kn/m

2、 2pvc 铝箔及不锈钢丝网0.02 kn/m 2檩条及支撑0.10 kn/m 2刚架斜梁自重0.15 kn/m 2悬挂设备0.20 kn/m 2合计0.67 kn/m 22屋面可变荷载标准值屋面活荷载：按不上人屋面考虑，取为0.50 kn/m 2。雪荷载：基本雪压s0=0.45 kn/m 2。对于单跨双坡屋面，屋面坡角=5 4238， r=1.0，雪荷载标准值sk=rs0=0.45 kn/m2。取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.50 kn/m 2，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）0.50 kn/m 24风荷载标准值按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程cecs102：

3、2002 附录 a 的规定计算。基本风压 0=1.05 0.45 kn/m 2，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， z=1.0。风荷载体型系数 s：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(cecs102：2002 中间区 )。5地震作用据全国民用建筑工程设计技术措施结构中第 18.8.1 条建议：单层门式刚架轻型房屋钢结构一般在抗震设防烈度小于等于7 度的地区可不进行抗震计算。 故本工程结构设计不考虑地震作用。（二）各部分作

4、用的荷载标准值计算屋面：恒荷载标准值： 0.506=3.00kn/m活荷载标准值： 0.656=3.00kn/m柱荷载：恒荷载标准值： 0.456=2.70kn.风荷载标准值：迎风面：柱上qw1=0.47 6 0.25=0.71kn/m横梁上 qw2= 0.4761.0=2.82kn/m背风面：柱上 qw3=0.4760.55=1.55kn/m横梁上 qw4= 0.4760.65= 1.83kn/m三、内力分析考虑本工程刚架跨度较小、 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。引用钢结构设计与计算 （

5、包头钢铁设计研究院编著，机械工业出版社）中表 229（铰接柱脚门式刚架计算公式）计算刚架内力。1在恒荷载作用下 =l/h=18/6=3 =f/h=0.9/6=0.15k=h/s=6/9.0449=0.6634 =3+k+ (3+ )=3+0.6634+0.15 (3+0.15)=4.135985850.15444.13590.5289ha =he=ql /8=4.02 1830.5289/8=14.35knm c=ql21 (1+ ) /8=4.02x1821 (1+0.15) 0.5289=63.78kn mm b=m d = ql2/8= 4.02 1820.5289/8= 86.11kn

6、m刚架在恒荷载作用下的内力如图。内力计算的“ +、”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。.g=4.02kn/ m-86.11kn mc-86.11kn mb63.78knmd36.18kn36.18kn000618.00kn18.00kn14.35knae1800014.35kn54.18kn54.18kn图2. 刚架在恒荷载作用下的 m图17.68kn14.08kn17.68kn36.18kn+36.18knbcd000+654.18knae1800054.18kn图3. 刚架在恒荷载作用下的 n图00061.43kn3

7、4.57kn14.35kn b-c +-14.35kn+1.43knd34.57kn-+14.35kn14.35knae18000图4. 刚架在恒荷载作用下的 v图.2在活荷载作用下v a =v e=27.00knha =he=3.00 1830.5289/8=10.71knm c=3.00 1821(1+0.15) 0.5289/8=47.60knmm b=m d = 3.00 1820.5289/8=64.26knm刚架在活荷载作用下的内力如图。q=3.00kn/ mc-64.26kn mb47.60kn m0006a10.71kn1800027.00kn图5. 刚架在活荷载作用下的 m图

8、13.34kn10.65kn27.00kn+bc000+627.00kna18000图6. 刚架在活荷载作用下的 n图-64.26kn mde10.71kn27.00kn13.34kn27.00knd+27.00kne.1.07kn0006-25.80kn10.71kn bc +-10.71kn+1.07knd25.80kn-+10.71kn10.71knae18000图7. 刚架在活荷载作用下的 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qx 和竖向的分力 qy。现分别计算，然后再叠加。(1)在迎风面横梁上风荷载竖向分力qw2y 作用下1 (85 )1(8 5 0.15

9、) 0.132216164.1359qa 22.829 26.35 knve2182lv a =2.82 9 6.35=19.03knha =he=ql /4=2.82 1830.1322/4=5.03knm b=m d =5.03 6=30.18knmm c= ql22(1+) /4=2.82 1820.5 21.15 0.1322/4=22.38knm刚架在 qw2y 作用下的内力如图.0006.qw2y=2.82kn/ m22.38knmbcd30.18kn m30.18knmae5.03kn5.03kn1800019.03kn6.35kn图8. 刚架在风荷载q w2y作用下的 m图(2

10、)在背风面横梁上风荷载竖向分力qw4y 作用下qa 21.8392ve2184.12kn2lv a =1.83 9 4.12=12.35knha =he=ql /4=1.83 1830.1322/4=3.27knm b=m d =3.27 6=19.62knmm c= ql22(1+) /4=1.83 1820.5 21.15 0.1322/4=14.52knm刚架在 qw4y 作用下的内力如图。0006qw4y=1.83kn/ m14.52kn mbcd19.62kn m19.62kn mae3.27kn3.27kn180004.12kn12.35kn图9. 刚架在风荷载q w4y作用下的

11、m图.(3)在迎风面柱上风荷载qw1 作用下 =1，16(2k ) k2 41 6 (2 0.15 0.6634) 0.6634 12 0.980344.1359v=v= qh2218)= 0.71knab/2l= 0.71 6 /(21h aqh( 20.716112)2(20.9803)3.22kn22e6h =0.71m bqh 220.716 2120.9803)6.52 kn m3.22=1.04kn4( 2)4( 2m d=1.04 6=6.24kn mm cqh 221 (1) 0.7162121 (10.15) 0.9803)0.81knm44刚架在 qw1 作用下的内力如图。

12、0.81knmmqw1=0.71kn/ m6.24knbcd0m6.54kn006ae3.22kn1.04kn180000.71kn0.71kn图10. 刚架在风荷载qw1作用下的 m图(4)在背风面柱上风荷载 qw3作用下2218)= 1.55knv a =v b= qh1/2l= 1.55 6 /(2h eqh ( 2)1.55 6 1 (210.9803) 7.02kn2222ha =1.55 6 7.02=2.28kn.m d=7.02 61.55 62/2=14.22kn mm b=2.28 6=13.68kn mqh22) 1.5562121.78 kn mm c1 (141 (1

13、 0.15) 0.9803)4刚架在 qw3 作用下的内力如图。00061.78knm14.22kn mbcdqw3=1.55kn/ m13.68knmae2.28kn7.02kn180001.55kn1.55kn图11. 刚架在风荷载q w3作用下的 m图(5) 在迎风面横梁上风荷载水平分力 qw2x 作用下 =1， =00. 158(4310.15)0.02024.1359vave2.820.9 ( 26 0.9)0.91kn218ha =2.82 0.9(1+0.0202)/2=1.29knhe=2.82 0.9 1.29=1.25knm c2.820.96 0.150.51.150.0

14、202 0.39 kn m2m b=1.29 6=7.74kn mm d=1.25 6=7.50kn m刚架在 qw2x 作用下的内力如图。.7.74knmcqw2x=2.82kn/ mdb0.39kn m07.50knm006ae1.29kn1.25kn180000.91kn0.91kn图12. 刚架在风荷载q w2x作用下的 m图(6) 在背风面横梁上风荷载水平分力 qw4x 作用下vave1.83 0.9 (260.9)0.59 kn218ha =1.83 0.9(1+0.0202)/2=0.84knhe=1.83 0.9 0.84=0.81knm c1.830.96 0.150.51.

15、150.0202 0.26kn m2m b=0.81 6=4.86kn mm d=0.84 6=5.04kn m刚架在 qw4x 作用下的内力如图。0006c5.04kn mqw4x=1.83kn/ mbd0.26knm4.86kn mae0.81kn0.84kn180000.59kn0.59kn图13. 刚架在风荷载q w4x作用下的 m图.(7)用叠加绘制在风荷载作用下刚架的组合内力。qw2y=2.82kn/ mqw4y=1.83kn/ m左风mqw2x=2.82kn/ m38.84knqw4x=1.83kn/ mbcd067.14kn m31.80kn m036.77knm8.93kn

16、m06a13.32kn0.65kneqw1=0.71kn/ mqw3=1.55kn/ m1800025.09kn图14. 刚架在左风向风荷载q 作用下的 m图16.76knwqw4y=1.83kn/ mqw2y=2.82kn/ mqw4x=1.83kn/ m38.84kn mqw2x=2.82kn/ mbcd031.80kn m67.14kn m右风08.93kn m36.77kn m06a0.65kn13.32kneqw3=1.55kn/ mq =0.71kn/m18000w116.76kn图15. 刚架在右风向风荷载q w作用下的 m图25.09kn11.51kn11.51kn11.57k

17、n-11.57kn25.09knc16.76knbd000-6a16.76kne25.09kn18000图16. 刚架在左风向风荷载q w作用下的 n图.24.06kn0.86kn-d 9.95knb-+ c9.06kn1.45kn+015.69kn0-0+6a13.32kn0.65kne18000图17. 刚架在左风向风荷载q w作用下的 v图四、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： 0s r。本工程结构构件安全等级为二级， 0=1.0。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

18、：a 1.2 恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4 活荷载标准值计算的荷载效应b 1.0 恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4 风荷载标准值计算的荷载效应c 1.2 恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4 活荷载标准值计算的荷载效应+0.6 1.4 风荷载标准值计算的荷载效应d 1.2 恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4 风荷载标准值计算的荷载效应+0.7 1.4 活荷载标准值计算的荷载效应e1.35 恒荷载标准值计算的荷载效应+0.7 1.4 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有：梁端截面

19、： (1)m max 及相应的 n、v ；(2)m min 及相应的 n、v梁跨中截面： (1)m max 及相应的 n、v ； (2)m min 及相应的 n、v对于刚架柱，截面可能的最不利内力组合有：(1)m max 及相应的 n、 v ；(2)m min 及相应的 n、v(3)n max 及相应的 m max、v ；(4)n min 及相应的 m max、v内力组合见表1。.刚架内力组合表（以左半跨为例）表 1截面内力组组合项目荷载组合荷载组合项目mnv方式（ kn m）（ kn ）（kn ）m max 及相应的 n、 va1.2 恒+1.4 活193.3081.2232.21（）柱顶（

20、 b 点）m min 及相应的 n、 vb1.0 恒+1.4 风7.891.05 1.67（）nmax 及相应的 m max、va1.2 恒+1.4 活193.3081.2232.21（）刚架nmin 及相应的 m max、vb1.0 恒+1.4 风7.891.05 1.67（）m max 及相应的 n、 v柱m min 及相应的 n、 v柱底（ a 点）nmax 及相应的 m max、va1.2 恒+1.4 活0102.8232.21（）nmin 及相应的 m max、vb1.0 恒+1.4 风019.054.30（）刚支座（ b 点）m max 及相应的 n、 va1.2 恒+1.4 活1

21、93.3039.8977.60（）m mini 及相应的 n、 vb1.0 恒+1.4 风7.891.570.89（）架跨中（ c 点）m max 及相应的 n、 vb1.0 恒+1.4 风9.402.030.60（）梁m min 及相应的 n、 va1.2 恒+1.4 活 143.1831.81 3.21（）注：内力计算的“ +、”号规定：弯矩图以刚架外侧受拉为正，轴力以杆件受压为正，剪力以绕杆端顺时针方向旋转为正。.五、刚架设计（一）截面设计参考类似工程及相关资料，梁柱截面均选用焊接工字钢450200812，截面特性：b=200mm，h=450mm，tw=8.0mm，tf =12.0mm，

22、a=82.1cm2 i x=28181cm4， wx=1252cm3 ，ix=18.53cm i y=1602cm4，wx=160.2cm3， ix=4.42cm（二）构件验算1构件宽厚比的验算翼缘部分：b/t96/12 815 235/f y15腹板部分：h 0 /t w426/853.25 250235/f y 2502刚架梁的验算(1)抗剪验算梁截面的最大剪力为vmax=77.60kn考虑仅有支座加劲肋，h0/ t wf y / 235 0.562 0.8s5.3441f v=125n/mm2v u=hw twf v=4268125=426000n=426.0knv max=77.60k

23、nv u ，满足要求。(2)弯、剪、压共同作用下的验算取梁端截面进行验算n=39.89kn ，v=77.60kn ，m=193.30kn n因 vm=193.30kn m，取 m=m f故 (v1) 2mm f0 1，满足要求。m eum f0.5vu(3)整体稳定验算n=39.89kn ，m=193.30kn ma 梁平面内的整体稳定性验算。计算长度取横梁长度 lx=18090mm， x=lx/ix=18090/185.3=97.63=150， b 类截面，查表得 x=0.570n ex02 eae0220610382101592.0kn ， mx=1.01.121.197.632nmx m

24、 x398901.0 193.30 106x ae0we1 (1xn)0.57082101252 103(1 0.57039.89)n ex01592=165.15n/mm2f=215 n/mm 2，满足要求。b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，即l y=3015mm。对于等截面构件 =0， s=w =1 y=sl/i y0=3015/44.2=68.2，b 类截面，查表得 y=0.762by43208210426(68.212) 21.133 0.668.2212521034.44

25、26取 b=1.070.282/by=0.821t1.0 -n0.75( n) 20.975n ex0n ex0nt m398900.975193.30 1062f 215n / mm2y ae0we10.76282100.821 1252 103189.73n / mmbrmax39.89103193.301032134.86150.96n / mm2min821028181106146.10141.24.0maxmin1.94max故 h053.25(48 0 0.526.2)235115.7 ，满足要求。twf y梁跨中截面：max31.8110 314309n

26、 / mm2min8210281811063.87 108.22104.350maxmin1.93max故h053.25(4800.526.2)235115.3 ，满足要求。twf y(5)验算檩条集中荷载下的局部受压承载力檩条传给横梁上翼缘的集中荷载：f=(1.2 0.27 6+1.4 3.00) 3=18.43knl z=a+5hy+2hr=70+512+0=130mmf1.018.4310322ct w l z8 13017.72n / mmf 215n / mm验算腹板上边缘处的折算应力：取梁端截面处的内力： m=193.30kn m， n=39.89kn，v=77.60knm y11

27、93.30103213 146.10n / mm2i n28181104 c=17.72n/mm2vs77.601032001241934.61n / mm2it w28181104822c32(146.1039.89)217.72217.72 (146.10 39.89)2c3 34.61=130.65 n/mm21.2f=258 n/mm2，满足要求。3刚架柱的验算抗剪验算柱截面的最大剪力为vmax=32.21kn.考虑仅有支座加劲肋，h0/ t wf y / 235 0.562 0.8s5.3441f v=125n/mm2v u=hw twf v=4268125=426000n=426.

28、0knv max=32.21knv u ，满足要求。(2)弯、剪、压共同作用下的验算取梁端截面进行验算n=81.22kn ，v=32.21kn ，m=193.30kn n因 vm=193.30kn m，取 m=m f故 (v1)2mm f0 1，满足要求。0.5vum eum f(3)整体稳定验算构件的最大内力： n=102.82kn ，m=193.30kn ma 刚架柱平面内的整体稳定性验算。刚架柱高 h=6000mm，梁长 l=18090mm.柱的线刚度 k 1=ic1/h=28181 104/6000=46968.3mm3梁线刚度 k 2=i b0/(2s)=28181 104/(2 9

29、045)=15578.2mm3k2/k1=0.332 ，查表得柱的计算长度系数=2.934。刚架柱的计算长度l x=h=17604mm。 x=lx/ix=17604/185.3=95。 0 =150， b 类截面，查表得x=0.5882 eae022061038210n ex 01.121.195.021681.4kn ， mx=1.0.nmx m x102.821031.0 193.30 106x ae0we1 (1xn)0.58882101252 103 (1 0.588102.82)n ex01681.4=181.45n/mm2f=215 n/mm 2，满足要求。b刚架柱平面外的整体稳定

30、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，但为安全起见，计算长度按两个墙梁距离或隅撑间距考虑，即 l y=3000mm。对于等截面构件 =0， s=w =1 y=sl/i y0=3000/44.2=67.9，b 类截面，查表得 y=0.764by43208210426( 67.912 ) 21.138 0.667.9212521034.4426取 b=1.070.282/by=0.822t 1.0 -n0.75( n ) 20.942n ex0n ex0nt m102.821030.942193.301062f 215n / mm2y a

31、e0we1 br0.76482100.8221252103193.32n / mm(4)按钢结构设计规范 (gb500172003)校核刚架柱腹板容许高厚比柱顶截面：max81.2210 3193.3010 3213155.99n / mm2min82102818110 69.89 146.10136.210maxmin1.87max故 h053.25(48 00.526.2) 235111.0 ，满足要求。twf y柱底截面：0 0故 h053.25 (16 0 0.525) 23572.5 ，满足要求。twf y.4验算刚架在风荷载作用下的侧移i c=ib=28181cm4， t= ic

32、l/hi b=18000/6000=3.0刚架柱顶等效水平力按下式计算：h=0.67w=0.6713.56=9.09kn其中 w=( 1+ 4) h=(0.71+1.55) 6.0=13.56knhh39.0910360003(2 3) 14.1mm h / 150 40mm( 2 t )12 20610328181 10412ei c（三）节点验算1梁柱连接节点(1) 螺栓强度验算梁柱节点采用10.9 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 =0.45，每个高强度螺栓的预拉力为190kn ，连接处传递内力设计值：n=39.89kn ， v=77.60kn ，m

33、=193.30kn m。每个螺栓的拉力：n1my1n193.300.26539.89128.65kn0.8190152knyi2n4(0.26520.162 )8n 2my 2n193.300.1639.8975.70kn0.8190152knyi2n4(0.26520.162 )8螺栓群的抗剪力：nvb0.9n fp0.9 10.45 1908615.6knv77.60kn ，满足要求。最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力：n vn t77.60 / 8128.65，满足要求。n vbn tb615.6 / 80.97 1152(2)端板厚度验算端板厚度取为t=21mm。按二边支承类端板计算：.t6

34、ef ew n t6 4046 128.6510 32ef (e few ) f 46 200 240(4020.9mm ew b46) 205(3)梁柱节点域的剪应力验算m193.30106106.52n / mm2f v125n / mm2 ，满足要求。db dct c426 426 10(4)螺栓处腹板强度验算nt2=75.70kn0.4p=0.4 190=76.0kn0.4p0.4190103206.52n / mm22，满足要求。ew tw46 8f 215n / mm图18. 刚架柱与刚架梁的连接节点2横梁跨中节点横梁跨中节点采用 10.9 级 m20 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