钢结构课程设计门式钢架.docx
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钢结构课程设计门式钢架
门式钢架设计
、设计资料
某厂房为单跨双坡门式刚架,长度150m,檐高H=7.5m,屋面坡度B=1/10,跨度L=15m,柱距S=7.5m。
冈寸架为等截面的梁、柱,柱脚为铰接。
屋面材料、墙面材料米用单层彩板。
檩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。
=0.35kN/m2,地面粗糙度B类。
二、结构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榀刚架,由于纵向温度区段不大于300m、横向温度区段不大于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
相应部位设置檩条、斜拉条、拉条和撑杆,檩条间距为1.5m;同时应该在与屋盖横
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
(一)计算模型的选取
取一榀刚架进行分析,柱脚采用铰接,刚架梁和柱采用等截面设计。
厂房檐高7.5m,考虑到檩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:
11B
(2)荷载取值计算
长度
(m)
柱距
(m)
跨度
(m)
檐高
(m)
恒载
(kN/m2)
活载
(kN/m2)
基本风压
(kN/m2)
150
7.5
12
7.5
0.6
0.5
0.35
o.6k)Nm
2
0.15kN/m
2
0.75kN/m
0.50kN/m,不考虑积灰荷载。
CECS102:
2002附录A的规定计算
基本风压30=1.05X0.45kN/m2,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,卩z=1.0。
风荷载体型系数卩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一0.55和一0.65(CECS1022002中间区)。
(3)各部分作用荷载:
(1)屋面恒载:
标准值:
1
0.757.5=5.60kN/m
cosQ
柱身恒载:
0.257.5=1.88kN/m
5.6kn/m
i1
LJ
U
1J
I1
?
1
LJ
ii1
!
j
ii
1,EEkn/n1,SBkh/jR
(2)屋面活载
1
屋面活荷载0.507.5=3.76kN/m
cos日
3.TGkN'tn
(3)风荷载
以风左吹为例计算,风右吹同理计算:
根据公式
冷根据查表h乞10m,取1.0,」s根据门式刚架的设计规范,取下图:
(地面粗糙度B类)
风荷载如下图:
(4)内力计算:
(1)截面形式及尺寸初选
梁、柱都米用热轧中翼缘H型钢
梁的截面高度h—般取(1/30—1/45)L,故取梁截面高度为600mm
暂取HM588300,截面尺寸见图所示,柱的截面采用与梁相同
截
面
截面名
称
长度
(mm)
面积
(mm2)
lx
64
(汇10mm)
Wx
43
(心0mm)
Iy
64
仔10mm)
Wy
43
(勺0mm)
ix
mm
iy
mm
柱
HM
588700
7200
18721
1128.27
388.95
90.09
60.07
247.15
69.37
梁
HM
600汉300
6030
18721
1128.27
388.95
90.09
60.07
247.15
69.37
(2)截面内力
根据各个计算简图,用《结构力学求解器V2.0》计算,得结构在各种荷载作用下的内力图如下:
注:
剪力图:
“+”表示方向“-”;轴力图:
拉为正,压为负。
(A)恒载作用(标准值)下,计算简图及内力值(考虑基础埋深0.8m):
恒载作用下弯矩图
(B)活载作用(标准值)下,计算简图及内力值(考虑基础埋深0.8m):
-6.11
3.89
活荷载作用下剪力图
活荷载作用下弯矩图
(C)风荷载作用(标准值)下,计算简图及内力值(不考虑基础埋深):
风荷载作用下剪力图
风荷载作用下弯矩图
(3)内力组合
由于恒载和活载关于结构竖向对称,因而风荷载只要考虑一个方向作用,风荷载只引起剪力不同,而剪力不起控制作用。
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:
丫oS 本工程结构构件安全等级为 二级,丫0=1.0 按承载能力极限状态进行内力分析,需要进行以下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: 1.2X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--用于截面强度和构件稳定性计算, 组合C--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,取四个控制截面: 如下图: 控制截面示意图 各情况作用下的截面内力及内力组合见下表: 各情况作用下的控制截面内力 截面 内力 恒载 活载 左风 1-1 N -48.64 -22.56 19.59 Q -5.79 -3.89 9.17 M 0 0 0 2-2 N -9.10 -22.56 19.59 Q -5.79 3.89 4.20 M -46.31 -31.09 48.11 3-3 N -33.60 -6.11 6.13 Q 32.86 22.06 -19.08 M -46.31 -31.09 -48.11 4-4 N -5.76 -3.87 6.13 Q 0.58 0.39 -2.43 M 51.02 34.25 -16.74 控制截面内力组合 截面 内力 1.2X永久荷载+1.4X max{屋面均布活何载} +1.4X0.7风何载 1.2X永久荷载+1.4X0.7X max{屋面均布活何载}+1.4X 风荷载 1.0X永久荷载+1.4X风 何载 1-1 N -70.75 -53.05 -21.214 Q -3.41 2.08 7.05 M 0 0 0 2-2 N -23.31 -5.60 18.33 Q 2.61 2.74 0.09 M -51.95 -18.69 21.04 3-3 N -42.87 -37.73 -25.02 Q 51.62 34.34 6.15 M -146.25 -135.39 -113.66 4-4 N -6.32 -2.12 2.82 Q -1.14 -2.32 -2.82 M 92.77 71.35 27.58 (五)截面验算 控制内力组合项目有: 1+Mmax与相应的N,V(以最大正弯矩控制) 2—Mmax与相应的N,V(以最大负弯矩控制) 3Nmax与相应的M,V(以最大轴力控制) 4Nmin与相应的M,V(以最小轴力控制) 所以以上内力组合值,各截面的控制内力为: 1-1截面的控制内力为M=0,N=-70.75KN,Q=-3.41KN 2-2截面的控制内力为M=-51.95KN・M,N=-23.31KN,Q=2.61KN 3-3截面的控制内力为MH-146.25KN*M,N=-42.87KN,Q=51.62KN 4-4截面的控制内力为M=92.77KN・M,N--6.32KN,Q--1.14KN (1)刚架柱验算: 取2-2截面内力 平面内长度计算系数: H0x=81.115=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Hdy=8000/2=4000mm (A)局部稳定验算 构件局部稳定验算是通过限制板件的宽厚比来实现的 ①柱翼缘 150-32 6 (B)柱有效截面特征 ②柱腹板 =8.48_166.15上174.63N/mm2 厂157.67 由于考虑屈曲后强度: ;丁2-157.67 0.90 6174.63 584 hc=174.63174.63157.67=306.9mm 16 k=—215 厂[(1「)20.112 (1)2]0.51「 °九几==584/^=0.56兰0.8, y28.121.5 p28.1235/f 则匸刊,截面全部有效。 (C)抗剪强度验算: 柱截面的最大剪力为 W37k'23 0.8: : : *: : 1.4,则fv' Vnax二58.59kN 584/8ecu 0.85 37「5.341 hw/tw 5/fy 2 二[1-0.64(w-0.8)]仁=0.973125=121.63N/mm Vd=hwtwfv=5848121.6310”=568.2KN■Vmax,满足要求。 弯剪压共同作用下的验算: 因为V: : : 0.5Vd,按公式M乞M;=Me-NWe/人进行验算, 其中Me二Wef=17310421510^=371.95kNm M;=Me—NWe/Ae=371.95-79.93371.95/9472 =371.95-3.14=368.81kNm■288.10kNm,满足要求。 (D)稳定性验算: ①刚架柱平面内稳定性验算: X=38.1: : 丨1-180,—=x.fy/235=38.1 b类截面,由《钢结构设计规范》附表C-2查得,x=0.906 二2EA3.1422.061059472 2~=2 (1.1x)(1.138.1) N仏Mx79.931031.0288.10106 不x[1-0.8(N/Nex)]Wx=°.9069472〔a173馆口心型)12048 =9.31159.45=168.76N/mm: : : f满足要求。 ②刚架柱平面外稳定性验算 ■-■f/235二64.9 b类截面,由《钢结构设计规范》查得,\=0.78 二0.650.35匹=0.650.35丄二0.825 M12 —2 6 0.825288.1010 0.974173104 =10.81141.0^151.82N/mm2 (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 ②梁腹板 (B)梁有效截面特征 门式刚架坡度为1/10<1/5,可以不考虑横梁轴梁的影响,按受弯构件验算。 GM288.101062 4166.53N/mm 6We173104 .上三―1 -1 he=5841二292mm c2 (C)强度计算 1抗剪强度验算: 梁截面的最大剪力为Vmax=83.45kN k=5.34 扎二九冬584/8 w37k235/fy37,5.341 0.8: w1.4,则fv二[1一0.64(w-0.8)]fv=0.973125=121.63N/mmVd二hwtwfv'=5848121.6310°=568.25kNWax,满足要求。 2弯矩作用下的验算: 4_6 Md=M-17310421510 -371.95kNm288.10kNm,满足要求。 (D)稳定性验算①刚架梁平面内稳定验算: 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主,因而可以满足要求。 ②刚架梁平面外稳定验算: 一般刚架平面外稳定靠支撑来保证, 考虑檩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3m支撑的压弯构件,取其中一段计算。 由二3000=46.2及b类截面查《钢结构设计规范》得,\=0.874 y64.9 2 由于有端弯矩与横梁荷载,取: =1.0,则\=1.07-1.02 44000 由于内力沿杆件线性变化,取较大值77.07kN 从而N+JtxMx_77.07"03+1"匹竺0空 %A半bWpx0.87424721.02<173<104 -9.31163.27=172.58N/mm2 四、位移验算 (一)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=2.06108947210^=1.95106kn. Elx=2.0610852010610」2=1.07105kn・m2 刚架柱顶等效水平力按下式计算: 柱底刚接,均布风荷载: F=0.45W=0.45X16.62=7.48KN 其中W=@1+34)•h=(0.86+1.91)8旳=16.62KN 11.14乂80003 242.06105520106 : [」]=H/150=53.3mm (二)横梁扰度验算: 荷载标准值=1.0恒载+1.0活载=4.3+4.5=8.8kN/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"4二」L满足要求 L24000747250 五、节点设计 (一)梁柱节点设计: 梁柱节点形式见下图: dJ rr i $ T * ■ I f k ESJni— ll 言 * 詰 丁 s ■f % 连接处选用如下组合内力值: M=-288.10KN*M,N=-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J=0.45, 螺栓承受拉力为: My N 288.10x0.372 79.93 W n 222 4(0.132+0.2120.372) 10 My, N 288.10x0.212 79.93 r2 n 4(0.1322+0.21220.3722) 10 M% N 288.10x0.132 222 79.93 第一排: N= =133.46-7.99=125.47kN 第二排: N2= =76.06-7.99=68.07kN 第三排: N3= =47.36-7.99=39.37kN n 其抗拉承载力为: ”[N;]=0.8P=0.8x225=180kN、卄口旳+ b2;2>125.47kN,满足要求。 NthMeft/4=y"21.18500/4=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八09,f(P-1.25NJ=2[0.90.45(225-1.25125.47)0.90.45 (225-1.2568.07)0.90.45(225-1.2539.37)]0.90.452256 =2[27.6156.6671.19]546.78=857.7kN58.59kN 端板厚确定: 采用端板厚t=26mm。 端部腹板设置加劲肋,加强腹板强度,详见施工图 连接处选用如下组合内力值: M=179.92KN・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: 第——排: NV皿92;。 3722-58.32=91.27-7.29=83.98kN 、yn4(0.21220.3722)8 其抗拉承载力为: >83.98kN,满足要求 [N;]=0.8P=0.8225=180kN b Nt =愿d;ftb/4v»21.182500/4=176.2kN 螺栓群的抗剪力(M24螺栓)(下面二排不计外加压力,只考虑预压力) Vb八09»(P-1.25NJ=2[0.90.45(225-1.2583.98)0.90.45 (225-1.2543.72)]0.90.452254 二2[48.6168.99]364.5二599.7kN5.79kN 端板厚确定: 采用端板厚t=26mm。 端部腹板设置加劲肋,加强腹板强度,详见施工图 Vfb=0.4N=0.4104.12=41.65kN<58.59kN 抗剪承载力不满足要求,需要设置抗剪连接件 六、施工图设计(详见图纸) 设计内力米用: M=-180.66KN*M,N=-104.12KN(使螺栓受压),Q=-58.59KN (A)柱脚底板面积的确定 b=b0+2t+2c=3OO+28+2^(20~50)=364~416mm,取b=400mm;h=h0+2t+2c=6OO+28+2>(20~50)=664~714mm,取h=700mm;验算底板下混凝土的轴心抗压强度设计值: 基础采用C25混凝土,fc=11.9N/mm2*,锚栓采用4M20。 3 10412=<1032冉2 匚=0.371N/mm: : cfc=11.9N/mm 400700 (B)底板厚度计算: M=1fc2=0.50.3712002=7420Nmm 2 t'6274;20""mm,因此采用t=20mm (C)抗剪连接件计算
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