刚架结构计算参考.docx

一、设计资料某加工厂一厂房，该厂房为单层，采纳单跨双坡门式刚架，刚架跨度18m,柱高6m；共有12根刚架，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l(b)0屋面及墙面板均为彩色压型钢板,内填充以保温玻璃棉板，具体做法见建筑专业设计文件；钢材采纳Q235钢，焊条采纳E43型。二、荷载计算(-)荷载取值计算1 .屋盖永久荷载标准值(对水平投影面)0.15KNZm2YX51-380-760型彩色压型钢板50mm厚保温玻璃棉板0.05KNm2PVC铝箔及不锈钢丝网0.02KNm2楝条及支撑0.10KNm2刚架斜梁自重0.15KNm2悬挂设施0.20KNZm2合计0.67KNm22 .屋面可变荷载标准值屋面活荷载：按不上人屋面考虑，取为0.50KN/n?。雪荷载：基本雪压SO=O.45KN对于单跨双坡屋面，屋面坡角=5o42,38",r=1.0,雪荷载标准值Sk=HrSO=O.45KN/n?。取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.50KN/m2,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)0.50KNm24 .风荷载标准值按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002附录A的规定计算。基本风压3o=l.O5XO.45KNm2,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法律规范(GB50009-2001)的规定采纳，当高度小于IOm时,按IOm高度处的数值采纳，HZ=I.0。风荷载体型系数Us：迎风面柱及屋面分别为+0.25和一1.0,背风面柱及屋面分别为+0.55和-0.65(CECSlO2：2002中间区)。5 .地震作用据全国民用建筑工程设计技术措施一结构中第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。(-)各部分作用的荷载标准值计算屋面：恒荷载标准值：0.50×6=3.00KNm活荷载标准值：0.65×6=3.00KNm柱荷载：恒荷载标准值：0.45X6=2.70KN风荷载标准值：迎风面：tt±qw=0.47×6×0.25=0.71KN/m横梁上qw2=-0.47×6×1.0=-2.82KNm背风面：柱上qw3=-0.47×6×0.55=-1.55KNm横梁上qw4=-0.47×6×0.65=-1.83KNm三、内力分析考虑本工程刚架跨度较小、厂房高度较低、荷载状况及刚架加工制造便利，刚架采纳等截面，梁柱选用相同截面。柱脚按较接支承设计。采纳弹性分析方法确定刚架内力。引用钢结构设计与计算(包头钢铁设计讨论院编著，机械工业出版社)中表229(较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=lh=18/6=3=fh=0.96=0.15k=hs=69.0449=0.6634=3+k+(3+)=3+0.6634+0.15×(3+0.15)=4.13598+ 548+ 5x0.154×4.1359=0.5289HA=HE=ql8=4.02×18×3×0.52898=14.35KNMc=ql2ll-(1+)8=4.02x1821-(1+0.15)×0.5289=63.78KN-mMb=Md=-ql2/8=-4.02×182×0.52898=-86.11KNm刚架在恒荷载作用下的内力如图。内力计算的“十、一”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。2 .在活荷载作用下Va=Ve=27.00KNHa=He=3.00×18×3×0.52898=10.71KNMc=3.00×1821-(1+0.15)×0.52898=47.60KNmMb=Md=-3.00×182×0.5289/8=-64.26KNm刚架在活荷载作用下的内力如图。q=3.OOKN/m图6.刚架在活荷载作用下的N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q、和竖向的分力qyo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= 18 + 5") =116×4.1359(8+ 5×0.15) = 0.1322=6.35 KNqa2=2.82X9222×18Va=2.82×9-6.35=19.03KNHA=HE=ql4=2.82×18×3×0.13224=5.03KNMb=Md=5.03×6=30.18KNmMc=ql22-(l+)4=2.82×182×0.52-1.15×0.13224=22.38KNm刚架在qw2y作用下的内力如图qw2y=2.82KNm(2)在背风面横梁上风荷载竖向分力qw4y作用下Va=1.83×9-4.12=12.35KNHA=HE=ql/4=1.83×18×3×0.13224=3.27KNMb=Md=3.27×6=19.62KNmMc=ql22-(l+)4=1.83×182×0.52-1.15×O.13224=14.52KNm刚架在qw4y作用下的内力如图。qw4y=l83KNm在迎风面柱上风荷载qw作用下=1,=-6(2+什+K)-Ka2=!6×(2+0.15+0.6634)-0.6634×12=0.98034必4x4.1359Va=-Vb=一qh122L=-0.71×62(2×18)=-0.71KNHa=一亚(2-)=-°,71x6x1(2-×0.9803)=-3.22KN2222He=0.71×6-MB=(2-)=,Ix：”6(2-0.9803)=6.52KNm3.22=1.04KNMd=1.04×6=6.24KNmMC=1-(1+)=071X6X11-(l+0.15)×0.9803)=-0.81KNm44刚架在qw作用下的内力如图。(4)在背风面柱上风荷载qw3作用下VA=-VB=-qh22L=-1.55×62(2×18)=-1.55KNHe=一等(2-)=l",xl(2-l×0.9803)=102KNHa=1.55×6-7.02=2.28KNMd=7.02×6-1.55×622=14.22KNmMb=2.28×6=13.68KNmMc二"三1-(1+)JJ5x6-l-1-(1+0.15)x0.9803)=T.78KN.加44刚架在qw3作用下的内力如图。(5)在迎风面横梁上风荷载水平分力qw2作用下=1,=O=(4+3×l×0.15)=0.02028x4.1359282×OQVa=-V£=(2x6+0.9)=0.91KNHa=2.82×0.9(1÷0.0202)2=1.29KNHe=2.82×0.9-1.29=1.25KNMc=82,9x60.15×0.5-l.15×0.0202=039KNmMb=1.29×6=7.74KNmMd=1.25×6=7.50KNm刚架在qw2作用下的内力如图。7.74KN.mC(6)在背风面横梁上风荷载水平分力qvk,4x作用下1QQxAQVa=-Ve=-；(26+0.9)=-0.59KNHa=1.83×0.9(l+0.0202)/2=0.84KNHE=I.83x0.90.84=0.81KNMc=L83x；也6015X0.5L15X0.0202=0.26KNtnMb=0.81×6=4.86KNmMd=0.84×6=5.04KNm刚架在qw4x作用下的内力如图。(7)用叠加绘制在风荷载作用下刚架的组合内力。左风qw2y=2.82KNmqw4y=l.83KNmqw4y=l.83KNmqw2y=2.82KNm11.51KN25.09KN11.51KN11.57KN11.57KN16.76KN16.76KN25.09KN18000图16.刚架在左风向风荷载qw作用下的N图图17.刚架在左风向风荷载qw作用下的V图四、内力组合刚架结构构件按承载力量极限状态设计，依据建筑结构荷载法律规范(GB50009-2001)的规定，采纳荷载效应的基本组合：oSR<>本工程结构构件平安等级为二级，o=l.Oo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：A.1.2x恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4x活荷载标准值计算的荷载效应B.1.0X恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4x风荷载标准值计算的荷载效应C. 1.2x恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4x活荷载标准值计算的荷载效应÷0.6xl.4x风荷载标准值计算的荷载效应D. 1.2x恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4x风荷载标准值计算的荷载效应+0.7xl.4x活荷载标准值计算的荷载效应E. 1.35x恒荷载标准值计算的荷载效应+0.7xl.4x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掌握截面取柱底、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：MmaX及相应的N、V;(2)Mmin及相应的N、V梁跨中截面：(I)MmaX及相应的N、V;(2)Mmin及相应的N、V对于刚架柱，截面可能的最不利内力组合有：(DMmaX及相应的N、V；(2)Mmin及相应的N、V(3)Nmax及相应的±MmaV；(4)Nmin及相应的±Mmax、V内力组合见表Io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方式荷载组合项目M(KNm)N(KN)V(KN)刚架柱柱顶（B点）MmaX及相应的N、VAL2x恒+L4x活193.3081.22-32.21(-)Mmin及相应的N、VBLOx恒+1.4x风-7.891.05-1.67(一)NmX及相应的±Mmx、VA1.2x恒+1.4x活193.3081.22-32.21(一)Nmin及相应的±Mmax、VB1.0×is+1,4×R-7.891.05-1.67(一)柱底（A点）MmaX及相应的N、VMmin及相应的N、VNmaX及相应的±Mmax、VAL2x恒+L4x活O102.82-32.21(一)Nmin及相应的±MwtVBLOX恒+1.4x风O19.054.30(-)刚架梁支座（B点）MmaX及相应的N、VA1.2x恒+1.4x活193.3039.8977.60(t)Mmini及相应的N、VBLoX恒+1.4x风-7.891.570.89(t)跨中（C点）MmaX及相应的N、VB1.0×+1.4×A-9.40-2.030.60(I)Mmin及相应的N、VAL2x恒+1.4x活-143.1831.81-3.21(t)注：内力计算的“十、一”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450x200x8x12,截面特性：B=200mm,H=450mm,tw=8.0mm,t尸12.0mm,A=82.1cm2Ix=28181cm4,Wx=1252cm3,ix=18.53cmIy=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/t=96/12=8<15235fy=15腹板部分：h0tw=426/8=53.25<250235fy=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，s二"）上J,烟=0.562<0.8S41534vfv=125Nmm2Vu=hwtwfv=426×8×i25=426000N=426.0KNVmax=77.60KN<Vu,满意要求。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=193.30KNN因V<0.5Vu,取V=0.5Vu,按法律规范GB70017式4.4.1-1验算,Mf=A2N（AflT"+42人2）（/）9o239890=(200×12×-+200×12×219)(215)2198210=220.90KN-m>M=193.30KNm,取M=Mf故(9M-Mf-I)2+- = 0<1,满意要求。整体稳定验算N=39.89KN,M=193.30KNmA.梁平面内的整体稳定性验算。计算长度取横梁长度Ix=18090mm,x=lxix=18090185.3=97.63<=150,b类截面,查表得WX=O.570NEXoLU2mx=L0NnM_39890LOXl93.30X1()6夕A°Wel(-x-)0570x82101252×103×Q-0.57OX型经)I592；=165.15Nmm2<f=215Nmm2,满意要求。B.横梁平面外的整体稳定验算考虑屋面压型钢板与楝条紧密连接，有蒙皮作用，楝条可作为横梁平面外的支承点，但为平安起见，计算长度按两个楝距或隅撑间距考虑，即ly=3015mm0对于等截面构件Y=0,Us=MW=Iy=sli=3015/44.2=68.2,b类截面，查表得弧=0.76243208210X426/68.2×12x2by=1.133 >0.6XXII)68.221252×103V4.4x426取b,=l.07-0.282/by=0.821»=1.0-VUo.75(VL)2=0.975NEXOTEXONI ,M (PyAA weihr398900.975x193.30× IO60.762×82100.821×1252×103=189.73Nmm<f= 25Nmm239.89× IO3 + 193.30 × IO3 × 2138210 28181 ×106150.969=4.86 ±146.10= NZfwn2-141.24Zy_ 5nax ao 一= 1.94max故？= 53.25 < (484 + 0.52 26.2) J干=115.7,满意要求。梁跨中截面:3L81×103+ 143.18×103x213821028181 ×106=3.87 ±108.22 =112.09-104.35N/ nn2-0=-=1.93maxht故生=53.25< (484 + 0.52 - 26.2) =115.3,满意要求。(5)验算楝条集中荷载下的局部受压承载力楝条传给横梁上翼缘的集中荷载：F=(1.2×0.27×6+1.4×3.00)×3=18.43KNLz=a+5hy+2hR=70÷5×12÷0=l30mmF1.0×18.43×103一22e=17.72N""<f=215Nm"'twL8×130验算腹板上边缘处的折算应力：取梁端截面处的内力：M=193.30KNm,N=39.89KN,V=77.60KN=y=l n193.30× IO328181×104×213=146.107V。c=17.72Nmm2VS77.60×103×200×12×41928181×104×8=34.61Vmm2+j-t.+32=(146.10-39.89)2+17.722+17.72×(146.10-39.89)+3×34.612=130.65Nmm2<1.2f=258NZmm2,满意要求。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,人=.巴_.”/235=0.562<0.841534v，fv=125Nmm2Vu=hwtwfv=426×8×125=426000N=426.0KNVmaX=32.21KNVVu,满意要求。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=193.30KNN因V<0.5Vu,取V=0.5Vu,按法律规范GB70017式4.4.1-1验算,h2NMz=(Azi+Az)(/-)nfA219281220=(200×12×-+200×12×219)(215)2198210=215.6IKN-m>M=193.30KNm,取M=Mf故(-D2+M-Mf满意要求。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 KI=IClh=28181×10460=46968.3mm3梁线刚度 K2=Ib(2 S)=28181 ×104(2×9045)= 15578.2mm3K2K1=O.332,查表得柱的计算长度系数U =2.934。刚架柱的计算长度Ix= U h= 17604mmox=lxix= 17604/185.3=95o OV入=150, b 类截面，查表得 2 "0.588NEXoLU2储X 206 X O X 8210l.l×95.02二1681AKN ,mx=L0N0tnM102.82×1031.0×193.30×IO6(PX人。Wel(-x0588x82101252×103×(l-0.588×感空)NEXq1681.4=181.45Nmm2<f=215Nmm2,满意要求。B.刚架柱平面外的整体稳定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，但为平安起见，计算长度按两个墙梁距离或隅撑间距考虑，即ly=3000mm0对于等截面构件Y=O,Us=Uw=ly=sIiyo=300044.2=67.9,b类截面，查表得弧=0.76443208210X426/67.9×12x2by=1.138 >0.6XXI()67.921252×103V4.4x426取b,=l.07-0.282/by=0.822A=L0-J÷0.75(=0.942rEXOTEXO=9332Nmm2<f= 25Nmm2102.82x1030,942×193.30XIO60.764×82100.822×1252×103(4)按钢结构设计法律规范(GB500172003)校核刚架柱腹板容许高厚比柱顶截面：81.22×103+ 193.30×IO3 ×2138210- 28181 ×106155.99?=9.89 ±146.10= NImm2-136.21ZV_ 5nax ao 一= 1.87rax故?= 53.25 < (484 + 0.52 - 26.2)j 半=111.0,满意要求。柱底截面:%=0235故，= 53.25 < (160 ÷ 0.5 + 25)J,=72.5，满意要求。4 .验算刚架在风荷载作用下的侧移Ic=Ib=28181cm4,t=Iclhlb=18000/6000=3.0刚架柱顶等效水平力按下式计算：H=0.67W=0.67×13.56=9.09KN其中W=(1+4)h=(0.71+1.55)×6.0=13.56KNHh3C八9.09×103×60003小一r1,八“C=(2+,)=：×(2+3)=Amm<=z150=40加12EIC12×206×103×28181×104(三)节点验算1 .梁柱连接节点(1)螺栓强度验算梁柱节点采纳10.9级M22高强度摩擦型螺栓连接，构件接触面采纳喷砂，摩擦面抗滑移系数U=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=I93.30KNm。每个螺栓的拉力：128.65KN<0.8x190=152KNZMyN193.30×0.26539.892YZZZII一ZIIIIZy：n4×(0.2652+0.162)8My2N7193.30×0.1639.894×(0.2652+0.162)8-=75.70KN<0.8×190 = 152KN螺栓群的抗剪力:N；=O9nf卬=0.9×l×0.45×190×8=615.6KN>V=77.60侬,满意要求。最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力：=0.97 <1,满意要求。NVN177.60/8128.65+=+N；N：615.6/8152(2)端板厚度验算端板厚度取为t=21mmo按二边支承类端板计算：I6efewN,I6×40×46×128.65×103t=J=20.9awh爪0的+2町(与+ew)f46x200+240(40+46)x205梁柱节点域的剪应力验算M193.30× IO6dhdctc426×426×10=106.527V/wz2< fv = 125NZmm2,满意要求。(4)螺栓处腹板强度验算Nt2=75.70KN<0.4P=0.4×190=76.0KNO.4PO.4×19O×1O34446x8=206.52Nmm2 < f = 25N/mm2,满意要求。ca50cn cn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纳10.9级M20高强度摩擦型螺栓连接，构件接触面采纳喷砂，摩擦面抗滑移系数U=0.45,每个高强度螺栓的预拉力为155KN,连接处传递内力设计值：N=31.81KN,V=3.21KN,M=I43.18KNm。每个螺栓的拉力：Nn143.18×0.26531.814×(0.2652+0.162)-8=95.0IKTV<0.8X155=124KNMy2Nx2n143.180.164×(0.2652+0.162)QIQI-=55.79KN<0.8×155=8124KN0.4尸 0.4x155x1()34446x8螺栓群的抗剪力:N,=0.9nfpp=0.9×1×0.45×155×8=502.2KN>V=3.2IATV,满意要求。最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力：=0.77< 1,满意要求。工工22Ei+咨N；N；502.2/8124(2)端板厚度验算端板厚度取为t=18mmo按二边支承类端板计算：I6efewN/I6×40×46×95.01×IO3t=I7.8vfiewb+2ef(ef+ew)f46x200+240(40+46)x205(3)螺栓处腹板强度验算Nt2=55.79KN<0.4P=0.4×155=62.0KN=168.487V/w<f=25Nmn,满意要求。图19.刚架梁跨中节点3.柱脚设计刚架柱与基础较接，采纳平板式较接柱脚。柱脚内力设计值Nmax=102.82KN,相应的V=32.21KN;Nmin=19.05KN,相应的V=4.30KN°(2)由于柱底剪力较小，Vmax=32.21KN<0.4NmaX=41.13KN,故一般跨间不需剪力键；但经计算在设置柱间支撑的开间必需设置剪力键。另Nmin>0,考虑柱间支撑竖向上拔力后，锚栓仍不承受拉力，故仅考虑柱在安装过程中的稳定，按构造要求设置锚栓即可，采纳4M24。(3)柱脚底板面积和厚度的计算A.柱脚底板面积的确定b=bo+2t+2c=2OO+2×12+2x(2050)=264324mm,取b=300mm；h=ho+2t+2c=45O+2×12+2×(20-50)=514574mm,取h=550mm；底板布置如图。验算底板下混凝土的轴心抗压强度设计值：基础采纳C20混凝±,fc=9.6Nmm2=°282X10_062N/mm2<f=9.6N/nm2,满意要求。bh300×550CCB.底板厚度的确定依据柱底板被柱腹板和翼缘所分割的区段分别计算底板所承受的最大弯距：对于三边支承板部分：b2b=96426=0.225<0.3,按悬伸长度为b2的悬壁板计算:M=-c:=×0.62×1462=66O87Vm22对于悬壁板部分：Ma;=-×0.62×502=775Nm22底板厚度，=-6max/f=6×6608/215=13.6mm,取t=20mmo