单跨双坡门式刚架设计土木工程钢结构课程设计.docx

单跨双坡门式刚架设计一设计资料1车间柱网布置厂房为单跨双坡门式刚架（图1）。长度90根，柱距6根，跨度15机。门式刚架檐高6根，屋面坡度为1:10。图1刚架简图材料选用屋面材料：单层彩板墙面材料：单层彩板天沟：钢板天沟结构材料材质钢材选用Q235-B,f=215Nmm2,fv=125Nmm基础混凝土标号：C25,fc=n.5Nmm24荷载（标准值）I恒载：无吊顶，0.25左N/苏（不包括刚架自重）II活载：0.5Wm2III风载：基本风压叉=0.55左N/机2,地面粗糙度JB类，风载体形系数如图2所示：图2风载体形系数示意图IV雪载：0.2三m2o本设计不考虑地震作用二单棍刚架设计单棍刚架的设计取中间棍按照封闭式中间区单元进行。1.荷载组合计算刚架内力时，按照如下三种荷载组合进行：1.2恒载+1.4活载；1.2恒载+L4x活载+1.4x0.6风载;1.2恒载+1.4X0.7X活载+1.4风载；1.0恒载+1.4风载。计算位移变形时，按照以下三种荷载组合进行：恒载+活载；恒载+风载；恒载+活载+06X风载。2.内力计算采用同济大学3O3S7.0钢结构辅助设计软件计算结构的内力。结构的计算模型。如图3所示:图3刚架计算模型截面形式及尺寸初选根据柱的受力特点，且考虑经济性因素，柱采用楔形焊接H型钢；而梁由于跨度较小（15加），若采用楔形会增加制作成本，因此梁采用等截面焊接H型钢。各个截面的信息见表1,截面形式见图4。表1截面信息表截面截面名称长度(mm)面积(mm2)绕弱轴惯矩（×104mm4）绕弱轴截面模量（XIo3相机3）绕强轴惯性矩（×104mm4）绕强轴截面模量（XIo3相机3）I-I（小头）Z200400×160×4×8573296546682568257II-II（大头）5740965466811723586III-IIIL400×160×4×8753740965466811723586IV-IVL400×160×4×8753740965466811723586II截面160n11截面160图4梁柱截面示意图各种工况下的荷载，如图5所示:(b)活载作用简图(c)左风荷载作用简图(d)右风荷载作用简图图5工况荷载图各种工况下的内力运行3O3S7.0,结果如图6至图9及表格2所示。（八）N图(单位：kN)(b)。图(单位：kN)图6恒载作用下的刚架M、N、Q图(b)。图(单位：kN)c）对图（单位：Wm）图8左风作用下的刚架M、N、Q图（八）N图（单位：kN）（b）。图（单位：kN）c）加图（单位：kNm）图9右风作用下的刚架M、N、Q图表2各工况作用下的截面内力截面内力恒载活载左风右风I-IMOOO0N-23.9-22.626.316.5Q46.8-12.42.3II-IIM-24.9-41.359.119.2N-13.7-22.626.316.5Q46.8-7.4-3.5III-IIIM-24.9-41.359.119.2N-5.5-9.510.510.4Q-13.2-21.825.415.6M23.238.1-34.234.2IV-IVN-4.2-7.210.510.4Q0.40.7-0.7-1.4内力组合由以上软件计算内力，按照荷载组合规则进行计算，内力组合值如表3所示。表3内力组合值截面内力1.2恒+1.4活1.0恒+1.4活+1.0×0.6X1.2恒+1.4x0.7活+1.4风1.0g+1.4风左风右风左风右风左风右风I-IM0.00.00.00.00.000N-60.32-38.23-46.46-14.01-27.7312.92-0.8Q14.323.916.25-5.9014.68-13.367.22II-IIM-87.7-38.06-71.5712.39-43.4757.841.98N-48.08-25.99-34.22-1.77-15.4923.129.4Q14.328.111.381.16.56-6.36-0.9III-IIIM-87.7-38.06-71.5712.39-43.4757.841.98N-19.9-11.08-11.16-1.21-1.359.29.06Q-46.36-25.02-33.26-1.64-15.3622.368.64IV-IVM81.2-52.45-52.4517.3017.30-24.68-24.68N-15.12-6.3-6.382.62.4610.510.36Q1.460.870.280.19-0.79-0.58-1.563.构件截面验算因为门式刚架左右对称，因此只需验证半棍刚架即可。局部稳定验算柱腹板）1=15（满足要求）构件局部稳定验算是通过限制板件的宽厚比来实现的。柱翼缘iu-x-h200-16“CLC1235CLC1235CLC/、井口而4、II截面i=46<250=25OJ=250(满足要求)却4NfyV235zhHh400161235_/235_,、井口而4、11-11截面=96<250I=250.=250()两足要求)却4NfyV235梁翼缘(160-4)/278=9.75<15=15（满足要求）梁腹板=96<250ff=250Ji=250(满足要求)强度及整体稳定验算楔形柱的腹板高度变化率为一-=35mm/m<60mmm,而梁因为是5.7等截面，因此高度变化率也符合v60m/m的条件，所以考虑板件的屈曲后强度,腹板抗剪承载力按照下式计算：Vd=VX0梁柱都不设置横向加劲肋。心（400-16）+（200-16）对于柱：（=5.34,hw=-=284mm,兀=4mm%=0.8337灰35Ify37×534×235235因为0.8<%<1.4,所以<'=l-0.64(2w-0.8)fv=0.981/；=122.57NZmm2对于梁：(=5.34,hw=400-16=384mm,兀=4mm2=hyJtyv=384/4=J123W37区p35fy37×534×235235.因为0.8<%<1.4,所以=10.648-0.8)fv=0.793fv=99.187Vmm21)1号单元(柱)的验算aII截面强度验算：组合内力值II截面只存在轴力和剪力，分别验算截面的正应力和剪应力。正应力验算采用荷载组合：M12=0.0左NN12=-60.32左N,%=14.32左N剪应力验算采用荷载组合：M2=°0左Nm,N2=-46.46左NM2=16.25kN强度验算正应力验算：-1=-=60.32><1°_i4.73Nmn2<f=215N/mm21A4096弯矩为0,故截面的边缘正应力比值分=1.0。用力5代替公式XP中的力：Yr1=1.1×14.73=16.2kN/mm2J（l+尸y+0.112（1夕）2+（1+尸）"+2h"（200-16）/42=卬/卬_VLL=Q215P28.1仄j2350Hb）28.1423516.2,因为4<0.8,所以夕=1,即1号节点端截面全部有效。N99%=14J3Nmm2<f=215Nmm2V12=16.25kN<Vd=hwtwf'=184×4×122.57=90.2W经验算II截面强度满足条件。bn11截面强度验算：组合内力值nn截面受到压弯作用，采用以下荷载组合进行验算：河21=87.7左N瓶,=48.08雨,%=14.32kN强度验算NM48.8×IO387.7×1062C.cr1=1=1=161Nmm<f=215N/mm1AWe4096586×IO3_N_48.8xlO387.7×IO6a,21Qr7入，/yycy、CID/V/11uL2A访4096586×103故截面的边缘正应力比值/=&=匚卫=-0.856。Crl161因为5<九用”代替公式*五舟近中的加Yr1=1.1×161=YlQkNImm2I 16k=I(1+)2+0.112(1-)2+(l+y0)=I6=20.47J(I0.856)2+0i2(l+0.856)2+(1-0.856)二鬣儿(400-16)/4=065P28.1也75235/(%.%)28.120.47235177因为4<0.8,所以夕=1,即2号节点端Hn截面全部有效。II 11截面受到剪力、弯矩、轴力的共同作用½1=14.322V<0.5z=0.5/ZxX=0.5×384×4×122.57=94.13kN所以采用以下公式进行验算：=Me-NWe/Ae=(f-N/Ae)We=(215-48.8×1034096)×586×103=119三mM21=87.7三m<M经验算1111截面强度满足条件。截面利用率四个=包=0.737M；119c号杆件整体稳定验算：平面内计算高度确定楔形柱截面高度成线形变化，柱的小头惯性矩的=2568x104机柱的大头惯性矩Icl=Il723X104mm4,，型=支竺=0.219。斜梁为等截面,4111723换算长度系数=1.0,梁最小截面惯性矩40-11732×104mm4,s=7537mm。柱的线刚度：K1=11732x10=20582mm3h5700梁的线刚度：K2=11732X10=7783mm32s2×1.0×7537根据蛋=1逛=0.378以及Z=0.219查表得到楔形柱的计算长度系Kl20582Ici数勺=1.21,所以柱的平面内计算长度J=MO=L21x5700=6897根叫平面内稳定计算变截面柱的长细比X=,4%=,6857=87.14oAo2568×1044096根据长细比查钢结构设计规范G550017附表C2得到杆件轴心受压稳定系数e=0.641。nExO=111.U/×2.06×IO5×25681.1×87.12=625.6左N平面内稳定验算:NOSM60.32×IO31.0×87.7×106(PxAoi-(iV001y0.641×25681-(60.32/625.6)×0.641×586×IO3=36.64+159.5=196.2Nmm<f=215N/mm故平面内稳定满足条件。平面外稳定验算平面外柱的计算长度4y=3000加机，柱的长细比7Ly3000M1=l=I=65.14oAo546×1042568根据长细比查钢结构设计规范G550017附表C2得到杆件轴心受压稳定系数%=0.78。构件楔率7=(4/4)1=(4002)-1=1.0柱底端弯矩为0,故等效弯矩系数+0.75=1一A=I-=0.9160.32（60.32?+0.75×图10柱的平面外稳定计算简图s=1+0.023/J面/&=l+0.023×1.0×3000×2008180=1.41v0=×70×43+×8×1803=3888373mm4j01212Ay0=70×6+8×180=1860mm25芽*4=1+0.00385WZ77=1+0.00385×1.0×,3000/45.72=1.031yO.41x3000-y,3>o45.72整体稳定系数43204%43202568x200.1.4IY92.5义8丫92.52257×1031.031J+U4×2OJ=2.06因为例,>0.6,所以按照钢结构设计规范G50017查出相应的625.6（625.6）by1.07-三0.933o2.06平面外稳定验算：NotM_60.32×IO30.91×87.7×106yAe/：暝-0.78x25680.933×586×IO3=30.1+145.97=116N/mm2<f=215N/mm2故平面外稳定满足条件。2）2号单元（梁）的验算aIII11I截面强度验算：组合内力值inin截面受到压弯作用，在风吸力的作用下，即在荷载组合M34=57.84旧V机,4=9.2左N,%4=22.36旧V作用时，下翼缘受压。但是由于梁的下翼缘设置隅撑，截面对称，上下翼缘采用相同的计算长度，而且M/N/V值比恒载与活载组合时的计算值小，所以下翼缘受压情况不予计算。只采用以下荷载组合进行验算：M34=-87.7Wm,34=-19.9三,4=-46.36三强度验算四+以吧四+S=i545N/蕨J=215N标1AWe4096586×10387.7×IO6586×103=-144.8mm2_NM19.9×103W4096故截面的边缘正应力比值/=生=-"S=-0.937。cr1154.5因为联九用“代替公式”两加Z中的加Yr1=1.1x154.5=169.95kN/mm16"(l+;5)2+0.112(1-)2+(l+y5)16CC)=/=-22.4J(I-0.937)2+0.112(1+0.937)2+(1-0.937)“h/t(400-16)/4八,2=/VV_LL=06p28.1而j2350Hb)28.124235169.95.因为4<0.8,所以夕=1,即2号节点端HI11I截面全部有效。in11I截面受到剪力、弯矩、轴力的共同作用V34=23.56kN<0.5Vd=0.5hwtwf'=0.5×384×6×99.18=l14.26三所以采用以下公式进行验算：=Me-NWe/Ae=(f-NAe)We=(215-19.9×1034096)×586×103=123.14左NwM34=87.7三m<Mf经验算inin截面强度满足条件。截面利用率送87.7123.14=0.712bWW截面强度验算：组合内力值wIV截面受到压弯作用，在风吸力的作用下，即在荷载组合知43=24.68左NM,N43=10.5三,3=0.58W作用时，下翼缘受压。与截面inin同样原因只采用以下荷载组合进行验算:M43=8L2kNm,N43=5.12kN,V43=1.46左N强度验算NM15.12×10381.2×106一2上2cr1=1=1r=142.3?/mm<f-215Nmm1 AWe4096586×103NM15.12×10381.2×106山2CT9=-=-134.88mm22 AWe4096586×103故截面的边缘正应力比值4<=三等f949。281瓦也35/4中的小：Yr1=1.1×142.3=156.5kN/mm2(1+/?)2+0.112(1-)2+(l+y5)=22.6816a(1-0.949)2+0.112(1+0.949)2+(1-0.949)28.1而J235(力百)(400-16)/4_=058528.122.68235156.5因为4<0.8,所以夕=1,即3号节点端WW截面全部有效。IVIV截面受到剪力、弯矩、轴力的共同作用匕3=OakN<0.5Vd所以采用以下公式进行验算：=Me-NWe/Ae=(f-N/Ae)We=(215-15.12×1034096)×586×103=123.8左NwM43=81.2三m<Mf经验算WW截面强度满足条件。截面利用率米81.2123.8=0.656c号杆件的平面外整体稳定验算：刚架斜梁应按照压弯构件计算平面外的稳定，计算方法按照钢结构设计规范GS50017的规定进行。平面外的计算长度L=3000相机，等截面梁的弱轴惯性矩=546x1()4相加4。柱的长细比82.174oAo546×10440963000根据长细比查钢结构设计规范G550017附表C2得到杆件轴心受压稳定系数=0.674。t=ia77=.o因为&<120必声=120,所以其整体稳定系数为可以安装下列公式近似计算：107-=107-i三=0.917因为>>0.6,所以用处；=1.07丝2=1.07照2=。.762代替。(P八0.917平面外稳定验算：NtM_19.9×1031.0×1.0×87.7×106yAe0.674x40960.762×586×103=2Q3.6N/mm2<f=215N/mm2故平面外稳定满足条件。4 .位移计算柱顶侧移计算柱脚为较接形式。水平力H=O.67W=O.67(%+叫)0=0.67x(0.87+1.91)x6.0=11.18依图11刚架柱顶侧移荷载计算简图变截面柱的平均惯性矩：Ic=(c0+/cl)2=(2568+11723)×IO4/2=7145.5×IO4mm横梁的平均惯性矩：Ib=11723×104mm4刚架柱与刚架梁的线冈度比值A=幺=71455*15=1.52hlb6×11723刚架在水平力作用下的柱顶侧移Hh3八11.18×103×60003（Cu=（2+£）=-×（2+1.52）=48.15mm12EIcvtj12×2.06×105×7145.5×104v7因此柱顶水平位移满足要求。横梁挠度计算由3O3S7.0计算结果知，横梁在跨中挠度最大2L15000_w,=73.2mm<w=75mmmaxl200200因此横梁挠度满足要求。5 .构件连接节点设计梁柱节点设计梁柱节点连接采用端板竖放的连接形式，如图12所示。连接处选用如下两组组合内力值：M、=87.7kNm,N=19.9kNM=4636kN（轴力使梁受压）图12梁柱连接节点示意图螺栓验算图13螺栓布置图(1-1)采用8.8级M20摩擦型高强度螺栓连接，连接表面采用喷砂的处理方法,摩擦面的抗滑移系数=0.45,预拉力P=110M,则每个螺栓的抗剪承载力为：M=0.90尸=0.9xl.0x0.45Xno=44.55m初步采用8个M20高强度螺栓。螺栓群的布置如图13所示。a在第一组荷载作用时：顶排螺栓的拉力最大2NMy1-19.987.7×IO3×242八noooozNi=+I=+7;rv=63.44左N<0.8P=88kNmaxnZy2&4×(2422+1482)抗拉满足第二排螺栓:N2=-+=+87xl'14：=一249+科%7=37.38左NnXy284×(2422+1482)第三排螺栓:2NMy3-19.9HZyi887.7x103*1484×(2422+1482)=-2.49-39.87=-42.36左N因为N3<O,所以取凡=0第四排螺栓：N4<0,取“=0螺栓群的抗剪承载力M=Zo.9(P-1.25Nn=0.9×1.0×0.45×2×(110-1.25×63.44)+(110-1.25×37.38)+110×2=254.3ZNV=46.36左N<Nv抗剪满足b在第二组荷载作用时：底排螺栓的拉力最大atNMy,9.257.84×103×242maxnZyj84×(2422+1482)=1.15+43.49=44.64左N<0.8P=88LN抗拉满足第三排螺栓:=1.15+26.60=27.75左NNMy357.84×103×1487+S7=,+4×(2422+1482)第二排螺栓:N2=+=1.1526.60=25.45左Nnyi因为N2<0,所以取股=0第一排螺栓：M<0,取Nl=O螺栓群的抗剪承载力M=Zo.9(P-1.25M)=0.9×1.0×0.45×2×(110-1.25×44.64)+(110-1.25×27.75)+110×2=283.WNV=22.36左N<Nv抗剪满足梁梁节点设计梁梁拼接节点连接形式如图14所示。M1=S1.2kNm,N1=-152kN,V1=lA6kNM2=-24.68Wm,N2=105kN,V2=-0.58扳2/图14梁梁连接节点示意图图15螺栓布置图(2-2)连接处选用如下组合内力值：螺栓验算采用8.8级/16摩擦型高强度螺栓连接，连接表面采用喷砂的处理方法,摩擦面的抗滑移系数=0.45,预拉力P=70kN,则每个螺栓的抗剪承载力为：=0.9nfP=0.9×1.0×0.45x70=28.35W初步采用12个/16高强度螺栓。螺栓群的布置如图15所示。a在第一组荷载作用时：底排螺栓的拉力最大a7NMy.-15.1281.2×103×24011maxnZyj-124×(2402+1522+1072)=-1.01+52.68=51.67<0.8P=56kN抗拉满足因为剪力很小，所以无需验算剪力。b在第二组荷载作用时：因为弯矩与轴力都远小于第一组内力，所以无需验算螺栓的拉力。同时因为剪力值很小，故也不予验算。6,柱脚设计按照计算假定，柱脚的形式为较接，不能抵抗弯矩。剪力由底板与混凝士之间的摩擦力承担(若经过验算不满足，则需设置抗剪键)。柱脚的形式如图16所示，采用四个锚栓与基础连接。锚栓为M20,d=20mm,Aq=4×-×202=1256mm2o基础腔标号。25,力=12.5N/相机？。基础底板设计采用如下荷载组合进行：NmaX=60.32左N,V=I4.32MZ200400x160x4x811图16柱脚形式柱脚底板尺寸的确定假定底板宽度5=160+20x2=200加L-f-+A×f-+125630.8mmBfc200I12.5J<L=200+2×40=280mm柱脚底板厚度的确定底板压力,二匚W60320280x200-1256=LlON/mm2底板有两种计算模式：三边支承板一边自由板、一边支承三边自由板。三边支承板一边自由板M1=qa=B2=100mm,4=160/22=78机机，=0.78,查表得分=0.095。Ql于是M=O.095XLloXlOO?=11j45N加/加一边支承三边自由板12M2=3qcc=AQmm1 9M9=-×1.10×402=880mm2 2考虑底板的塑性发展，得到底板厚度实际取用底板厚度t=20mmo柱脚抗剪承载力验算在恒载与风载作用之下，刚架柱内会产生拉应力（N=12.92左N,V=-13.36左N）,此时，柱脚底板与基础之间的摩擦力为0,需要设置抗剪键。7抗风柱设计结构的计算模型抗风柱在风荷载的作用下计算模型为一简支梁，如图17所示。计算高度：H=6.45m截面选择选用Z500xl80x6x8,W=924×103mm3242S=180X8X246+242X6X=529932mm32内力验算丸=1.0,s=+0.65,z=1°,Qo=O55KNm2风载标准值：k=Bzd凡O=1.0x0.65x1.0x0.55=0.3575KNm2风载设计值：图17抗风柱计算模型14LCDk14l5×0.3575CrUq=l.4x-=l.4×=3J5KNm22弯矩设计值：I919Mmflx=-qH2=-×3.75×6.452=19.5GVmmag1&剪力设计值：、TQAqHIA3.75×6.45“八什”匕=1.4×-=1.4×=16.93KNmax22maxMmaX19.5×1061.05×924×103=20.1N/mmCmaX=6.47Nmm2V516.93×103×52993223099×104×6H7所以，crma<=215N/机疗，max<fv=125Nmm2经验算强度满足要求三施工图设计1 .榛条根据屋面坡度以及荷载情况，选取0200x70x20x3.0。2 .屋面结构布置图见G/-2图纸。门式刚架详图见G/-3图纸。.忽略此处.3.