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1、钢结构课程设计,姓班学,名：梅健级：土木 61001号：201060464,班内序号：16指导老师：刘功力,时,间：2013/06/25,轻型门式刚架厂房主体结构1、设计条件1.1、设计资料某单层工业厂房，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度 27m，柱距 6m，长度48m。一侧墙上两个开间设 3.6m3.6m 门一扇，两纵墙轴线位置上，各开间均设窗 3.6m1.2m。刚架柱柱脚标高设为0.000m，刚架檐口高度为 9.0m，从而刚架柱柱高为 h=9.0m。屋面坡度 1/10。屋面及墙面板均为彩色压型钢板，考虑经济、制造和安装方便，檩条和墙梁均采用冷弯薄壁卷边 C 型钢，间距为 1.5 米，钢材采用
2、 Q345 钢，焊条采用 E50 型。1.2、设计参数地面粗糙度：B 类地震设防烈度：6 度设计使用年限：50 年结构重要性系数：0=1.0,基本风压：0=0.50kN/m,2,屋面活载和雪压:0=0.50kN/m,2,2、布置形式刚架平面布置如图所示，刚架形式及几何尺寸如图所示。3、初选截面钢柱采用等截面 H 型钢，梁柱初选截面均为 H450200812。截面特性：,Ix=28181cm,4,Iy=1602cm,4,Wx=1252cm,3,Wy=160.2cm,3,ix=18.53cmiy=4.42cm,Sx=707.07cm,3,A=8210cm,2,4、荷载计算4.1 屋盖永久荷载标准值
3、（对水平投影面）,彩色型钢板檩条及支撑刚架斜梁自重合计,0.25kN m20.05 kN m20.15 kN m20.45 kN m2,4.2 屋面可变荷载标准值,基本风压：0=0.5kN/m,2,4.3 轻质墙面及柱自重标准值（包括柱、墙骨架等）0.5kN m24.4 风荷载标准值基本风压： 0=1.050.50kN m2 =0.53kN m2 ；根据地面粗糙度列别为 B 类，查得风荷载高度变化系数：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。4.5 地震作用荆州地区抗震
4、设防烈度为 6 度，根据全国民用建筑工程设计技术措施-结构中第 18.8.1 条的建议，所以不考虑地震作用。4.6 荷载标准值计算A、屋面恒荷载标准值：0.456/cos=2.72kN m活荷载标准值：0.506=3.00kN mB、柱荷载柱自重标准值：0.456=2.70kN mC、风荷载标准值迎风面：柱上 qw1k=0.536（+0.25）=0.80kN/m横梁上 qw2k=0.536（-1.0）=3.18kN/m背风面：柱上 qw3k=0.536（-0.55）=1.75kN/m横梁上 qw4k=0.536（-0.65）=2.07kN/m4.7 荷载设计值计算屋面恒载 g1=Ggk1=1.
5、22.72=3.26kN/m柱身恒载 g2=Ggk2=1.22.70=3.24kN/m屋面活载 q=QQk=1.43.0=4.2kN/m风载迎风面：柱上 qw1=Qqw1k=1.40.80=1.12kN/m横梁上 qw2=Qqw2k=1.43.18=-4.45kN/m背风面：柱上 qw3=Qqw3k=1.41.75=-2.45kN/m横梁上 qw4=Qqw4k=1.42.07=-2.90kN/m5、内力分析（用结构力学求解器计算求得内力,用 AutoCAD 绘制）,qw3=-1.75kN/m,qw1=0.80kN/m,qw2=-3.18kN/m,qw4=-2.07kN/m,q =3.00kN/
6、mg1 =2.70kN/m,荷载图,1,g2 =2.70kN/m119.60kNm,g2 =2.70kN/m243.45kNm,16.24kN,59.02kN,8.25kN38.29kN,18.33kN,142.45kNmM图39.23kN1.85kN,0.60kNQ图,41.26kN22.34kN70.42kN,60.93kN22.22kN90.09kN,12.20kN12.32kNN图,6、构件设计和验算及节点设计和验算6.1、截面验算构件宽厚比的验算翼缘部分： b/t f 96/12 8 96/12 815 235 fy 12腹板部分：h0 /tw 426/8 53.25 250 235
7、 fy 206满足要求。6.2、刚架梁的验算6.2.1 抗剪验算梁截面最大剪力为 Vmax=39.23kNVu hwtw fv=4268180N=613440N=613.44kNVmax=39.23kN满足要求。6.2.2 抗弯验算取梁端截面进行验算，N=-22.22kN，V=-59.02kN，M=-243.45kNm由于 V0.5VuMe N Me NWe / Ae Wx f NWx / A3 3 3=384879019Nmm=384.88kNmM=-243.45kNm满足要求。6.2.3 平面内的稳定N=-22.22kN，M=-243.45kNm，梁平面内的稳定性验算：计算长度取横梁长度l
8、0 x 135002 13502 27135mmx l0 x /ix 27135/185.3146.44150b 类截面，查附表可知，x 0.986,1.1x,Wex 1x,125210310.986,=200.66kN/mm f=310N/mm, yt0 , s , , 235, f ,125210,68.2, 68.212 235, 4.4426 345,0.75 , N , , ,0.969243.45106 ,12521031.925 ,=98.29N/mm f=310N/mm,kN 707.6kN,NEx0 , 2 20610382101.1146.442, 2EAe02,mx 1.
9、0, ,22.22707.6,222200.9868210,1.0243.45106, N ,mxM x NEx0 ,NxAe0,2,2,满足要求。6.2.4 平面外的稳定横梁平面外的稳定性验算：考虑屋面压型钢板与檩条紧密相连，有蒙皮效应，檩条可以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l0y 3015mm 对于等截面构件，=0，s w 1,y l0y iy 3015/44.2 68.2,b 类截面，查附表得， y 0.668。, y ,2,4, w 4.4h0 ,4320 A0h02 y Wx0,by ,=,2, 14 ,4320 82104262 3,=1
10、.9250.6取 y 1.070.283/by 1.07-0.283/1.925=0.923,2, NExo ,NNEx0,t 1.0,=1.0-22.22/707.6+0.75(22.22/707.6),2,=0.969, 222200.6688210,tMWe1by,NyAe0,2,2,满足要求。6.2.5 按钢结构设计规范（GB50017-2003）校核横梁腹板容许高厚比。梁端截面：, min , min ,2818110,2181810 8,max,222208210,243.45106 21328181104,MyIx,NAEo,N /mm2,186.72181.30,=2.7118
11、4.01,1.97, max min max,0 ,故,235fy,h0tw, 53.25480 0.5x 26.2,84.60，满足要求。,梁跨中截面：,max,12320 142 .45106 2138210 28181104,MyIx,NAEo,N /mm2,109.17106.17,=1.50107.67 ,1.97, max min max,0 ,故,235fy,h0tw, 53.25480 0.5x 26.2,84.60，满足要求。,6.2.6 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=（1.20.276+1.43.0）1.5kN=9.21kNlz=a+5hy
12、+2hR=（70+512+0）mm=130mm,1.09.211038130,Ftwlz,8.86N /mm2 f 310N /mm2, c,满足要求。验算腹板上边缘的折算应力取梁端截面处的应力N=-22.22kN，V=-59.02kN，M=-243.45kNm,My1In,N /mm2 183.9N /mm2,243. 35106 2134, ,VSItw,N /mm2 34.00N /mm2,59.02103200124194, , 2 c 2 c 3 2 183.92 8.862 183.98.86334.002,=197.47N/mm 1.2f=372N/mm,1.1x,2,2,满足要
13、求。6.3 刚架柱的验算6.3.1 抗剪验算柱截面最大剪力为 Vmax=38.29kN,考虑仅有支座加劲肋,53.2541 5.34 235/345, 0.6810.8,h0 /tw41 5.34 235 fy,s ,V u hwtw fv 4268180N 613440N 613.44kN Vmax 38.29kN满足要求。6.3.2 抗弯验算取梁端截面进行验算，N=-60.93kN，V=16.24kN，M=-243.45kNm由于 V0.5Vu ，故Me N Me NWe / Ae Wx f NWx / A3 3 3=378828361Nmm=378.83kNmM=-243.45kNm满足
14、要求。6.3.3 刚架柱平面内整体稳定性验算。构件最大内力：N=-90.09kN，M=-243.45kNm刚架柱高 H=9000mm，梁长 L=27135mm，柱的线刚度为：k2 Ic1 /h 28181104 /9000mm3 31312mm3梁的线刚度为：k1 Ib0 /2s 28181104 /27135mm3 10385mm3k1 /k2 10385/31312 0.332查表得柱的计算长度系数=2.934.刚架柱的计算长度l0 x h 2.9349000mm 26406mmx l0 x /ix 26406/185.3142.5150b 类截面，查附表得，x 0.333,N 747.3
15、kN,NEx0 , 2 20610382101.1142.52, 2EAe02,mx 1.0,Wex 1x,125210310.333,=235.83kN/mm f=310N/mm, yt0 , s , , 235, f ,125210,68.2, 68.212 235, 4.4426 345,0.75 , N , , ,0.890243.45106 ,12521031.925 ,=106.35/mm f=310N/mm, ,90.09747.3,900900.3338210,1.0243.45106, N ,mxM x NEx0 ,NxAe0,2,2,6.3.3 刚架柱平面外整体稳定性验算。
16、考虑屋面压型钢板与檩条紧密相连，有蒙皮效应，与柱连接的墙梁可以作为横梁平面外的支承点，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l0y 3015mm 对于等截面构件，=0， s w 1,y l0y iy 3015/44.2 68.2,b 类截面，查附表得， y 0.668。, y ,2,4, w 4.4h0 ,4320 A0h02 y Wx0,by ,=,2, 14 ,4320 82104262 3,=1.9250.6取 y 1.070.283/by 1.07-0.283/1.925=0.923,2, NExo ,NNEx0,t 1.0,=1.0-90.09/707.6+0.75(
17、90.09/747.3),2,=0.890, 900900.6688210,tMWe1by,NyAe0,2,2,满足要求。6.3.4 按钢结构设计规范（GB50017-2003）校核横梁腹板容许高厚比。柱顶截面：,maxmin,609308210,243.45106 21328181104,MyIx,NAEo,N /mm2,109.17106.17,=7.42107.67 ,1.97, max min max,0 ,y1, ,4 .265 0.16, kN 160.70kN Ntb 180kN,NV,Nt,故,235fy,h0tw, 53.25480 0.5x 26.2,113.34，满足要求
18、。,柱底截面：0 0,故,235fy,h0tw, 53.25 160 0.5x 25, 567.41，满足要求。,6.4 节点验算6.4.1 梁柱连接节点6.4.1.1 螺栓强度验算。梁柱节点采用 10.9 级 M24 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 225kN，连接处传递内力设计值：N=-60.93kN，V=16.24kN，M=-243.45kNm。螺栓抗拉承载力验算Ntb 0.8P 0.8225 180kN,Nn,2,My12,60.938 ,243.450.2652,Nt ,螺栓抗剪承载力验算NV b 0.9nfP 0.91
19、0.45225kN 91.125kN,Vn,16.248,kN 2.03kN, Nv ,满足要求。最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算：,160.70180,2.0391.125, 0.9151,Ntb,NVb,满足要求。6.4.1.2 端板厚度验算端板厚度取为 t=30mm，按照两边支承类端板计算,e e ,6efewNt, 29.5mm,64046160.7010346200240(4046)295, wb2ef f ew f,t ,6.4.1.3 梁柱节点域的剪力验算,Mdbdctc,243.4510642642610,134.16N /mm2 fV 180N /mm2, ,满足要求。,
20、 yi,4 .265 0.16, , y1 n 4 .265 0.16, kN 96.94kN Ntb 124kN,NV,Nt, yi,4 .265 0.16,6.4.1.4 螺栓处腹板强度验算,Nn,60 .938,2,My22, 94.01kN,243.450.162,Nt2 ,0.4P 0.4225 90kN,Nt2ewtw,94.01103468, 255.45N /mm2 f 310N /mm2,满足要求。6.4.2 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，摩擦面抗滑移系数=0.45，每个高强度螺栓的预拉力为 155kN，连接处传
21、递内力设计值：N=12.32kN，V=1.85kN，M=142.45kNm。螺栓抗拉承载力验算Ntb 0.8P 0.8225 124kN,2,2 2,12.328 ,My1 N 142.450.265,Nt ,螺栓抗剪承载力验算NV b 0.9nfP 0.910.45155kN 62.775kN,Vn,1.858,kN 0.23kN, Nv ,满足要求。最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算：,96.44124,0.2362.775, 0.7811,Ntb,NVb,满足要求。6.4.2.2 端板厚度验算端板厚度取为 t=24mm，按照两边支承类端板计算,e e ,6efewNt, 22.9mm,
22、6404696.4410346200240(4046)295, wb2ef f ew f,t ,6.4.2.3 螺栓处腹板强度验算,Nn,12 .328,2,My22, 57.92kN,142.450.162,Nt2 ,0.4P 0.4155 62kN,0.4Pewtw,0.4155103468,168.48N /mm2 f 310N /mm2,满足要求。6.5 柱脚设计刚架柱与基础铰接，采用平板式铰接柱脚。6.5.1 柱脚内力设计值Nmax 90.09kN,V 38.29kN6.5.2 由于柱底剪力较小，故而一般跨间不需要设置剪力键，但经过计算在设置柱间支撑的开间必须设置剪力键。考虑柱间支撑
23、抗拔力之后，锚栓不承受拉力，因此仅考虑柱在安装过程中的稳定，按构造要求设置锚栓即可，采用 4M24。6.5.3 柱脚底板面积和厚度计算。6.5.3.1 柱脚底板面积确定b b0 2t 2c 200+212+2（2050）=264mm324mm，取 b=300mm；h h0 2t 2c 450+212+2（2050）=514mm574mm，取 h=550mm；基础采用 C20 混凝土， fc 9.6kN /mm2 ，验算底板下混凝土轴心抗压强度设计值：,Nbh,90.09103300550, ,N /mm2 0.55N /mm2 c fc 9.6N /mm2,满足要求。6.5.3.2 底板厚度确
24、定根据柱底板被柱腹板和翼缘所分割的区段分别计算板底所承受的最大弯矩。三边支承板：b2 b1 96/426 0.2250.3按悬臂板计算：1 12 2对于悬臂板部分：1 12 2底板厚度：t 6M max / f 65862/310mm 10.6mm取 t=20mm。6.6 檩条设计檩条选用冷弯薄壁卷槽行钢，按照单跨简支构件设计。屋面坡度为 1/10，檩条跨度 6m，于跨中设一道拉条，水平檩距 1.5m，材质为 Q235.,Wy1=23.19cm Wy2=10.02cm,41.6610,23.1910,41.6610,23.1910,6.6.1 荷载及其内力考虑永久荷载与屋面活荷载的组合为控制效
25、应。檩条线荷载标准值：pk (0.270.5)1.5kN /m 1.155kN/m檩条线荷载设计值：p=（1.20.27+1.40.5）1.5kN/m=1.536kN/mpx psin 0.153kN /mpy pcos 1.528kN /m弯矩设计值：M x pyl2 /8 1.52862 /8 6.88kN mM y pxl2 /8 0.15362 /8 0.69kN m6.6.2 截面选择及截面特性6.6.2.1 选用 C18070202.2：,Ix=374.90cm,4,Iy=48.97cm,4,Wx=41.66cm,3,3,3,ix=7.06cmiy=2.55cm0=2.11cm先按
26、毛截面计算的截面应力为,M yWy2M yWy1,M xWxM xWx,M yWy1,M xWx, 96.28N /mm2135.39N /mm2,0.6910610.021030.691063,6.8810641.661036.881063,194.90N /mm2,0.691063,6.881063, 2 3 ,1 ,6.6.2.2 受压板件的稳定系数腹板： min max 3 /1 135.39 194.90 0.695 1k 7.86.29 9.78 2 7.86.290.6959.780.6952 16.889上翼缘板：上翼缘板为最大压力作用于部分加劲肋板间的支承边， min max
27、 2 /1 96.28 194.90 0.494 1kc 5.8911.59 6.68 2 5.8911.590.4946.680.4942 1.795,be ,0.1 bc ,0.1 106.2mm 116.6mm,6.6.2.3 受压板件的有效宽度腹板：k 16.889,kc 1.795,b 180mm,c 70mm,t 2.2mm,1 194.90N /mm2,16.8891.795,70180,1.191.1,c kb k c, ,板组约束系数：k1 0.110.93/( 0.05)2 0.010.93/(1.190.05)2 0.726 205k1k /1 2050.72616.88
28、9/194.90 3.590由于 min / max 0,取 1.5,bc b/(1) 180/(10.695) 106.2mmb/t 180/2.2 81.8218 181.53.590 96.93mm38 381.53.590 204.63mm则取有效宽度：,81.82, 21.81. 53.590, 21.8b/t,bc 106.2mm，取，be bc 106.2mmbe1 0.4be 0.4106.2mm 42.48mmbe2 0.6be 0.6106.2mm 63.72mm上翼缘板：k 1.795,kc 16.889,b 70mm,c 180mm,1 194.90kN /m2,1.7
29、9516.889,18070, 0.8381.1,c kb k c, ,板组约束系数：k1 1/ 1/ 0.838 1.092 205k1k /1 2051.0921.795/194.90 1.436由于 min / max 0,故而， 1.150.15 1.150.150.494 1.076bc b 70mm,be ,0.1 bc ,0.1 70mm 65.02mm,374.9104 4.982.2902 132.29035,Wenx mm3 39708mm3,48.97104 4.982.24.98/226.0121.1 132.221.12.2/2,W enymax,48.97104 4
30、.982.24.98/226.0121.1 132.221.12.2/2,b/t 70/2.2 31.8218 181.0761.436 27.8138 381.0761.436 58.72,所以,18 b/t 38,则截面有效宽度为：,31.82, 21.81. 0761. 436, 21.8b/t,be1 0.4be 0.465.02mm 26.01mmbe2 0.6be 0.665.02mm 39.01mm下翼缘板：下翼缘板全截面受拉，全部有效。6.6.3 有效净截面模量上翼缘板的扣除面积宽度为（70-65.02）mm=4.98mm；腹板的扣除面积为 0，同时在腹板的计算截面有一直径 1
31、3mm 的拉条连接孔（据上翼缘板边缘 35mm），孔位置与扣除面积位置基本相同。所以腹板的扣除面积按直径 13mm 拉条连接孔计算。有效净截面模量为：,2 2,2,21.1,90,mm3,=22638mm3,2 2,mm3,7021.1,W enymin,=9768mm3Wenx /Wx 39780/41660 0.955Wenymax /Wy1 22638/23190 0.976Wenymin /Wy2 9768/10020 0.9756.6.4 强度验算按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑,M yWenymax,M xWenx,0.6910622638,6.8810639708, 203.7
32、4N /mm2 f 295N /mm2,1 ,M yWenymin,M xWenx,0.691069768,6.8810639708,102.63N /mm2 f 295N /mm2,1 ,满足要求。6.6.5 挠度验算,5384,5 ql4384 EI,mm 25.11mm,1.155cos5423860004206103374.9104,vy ,v l /200 6000/200 30mm满足要求。6.6.6 构造要求x 600/7.06 85.0 200，满足要求；y 300/2.55 117.6 200 ，满足要求。6.7 墙梁设计本工程为单层厂房，刚架柱距为 6m，外墙高 7.35m
33、，标高 1.200m 以上采用彩色压型钢板。墙梁间距 1.5m，跨中设一道拉条，钢材为 Q235.6.7.1 荷载计算墙梁采用冷弯薄壁卷边 C 型钢 16060202.5，自重 7kg/m；墙重0.22kN/m；2 2本工程外墙为落地墙，计算墙梁时不计墙重，另因墙梁先安装故而不计拉条作用。qx Gq 1.20.07 0.084kN /mqy Q0s 1.40.5251.5 1.1025kN /m6.7.2 内力计算1 18 81 18 86.7.3 强度计算3 33 4Wenx=0.9Wx，Weny=0.9Wy,3,3,M yWeny,M xWenx,4.9611060.936.0210,0.
34、3781060.98.6610, 201.53N /mm2 f 205N /mm2, ,满足要求。在风吸力下拉条位置设在墙梁内侧，并在柱底设斜拉条。此时，压型钢板与墙梁外侧牢固相连，可不验算墙梁的整体稳定性。,6.7.4 挠度计算,5 ql4384 EI,mm 22.39mm,5 0.5251.560004384 206103288.13104,v ,v l /200 6000/200 30mm7、施工图绘制参考文献（长江大学工程技术学院图书馆藏书）1戴国欣主编.钢结构.武汉：武汉理工大学出版社，2012.2王燕，李军，刁延松主编.钢结构设计.北京：中国建筑工业出版社，2009.3陈树华主编.钢结构设计.武汉：华中科技大学出版社，2007.4GB50017-2003.钢结构设计规范S.北京：中国计划出版社，2003.5GB50011-2010.建筑抗震设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2010.6GB50009-2012.建筑结构荷载规范S.北京：中国建筑工业出版社，2012.,
