单跨双坡门式刚架设计.doc

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1、 单跨双坡门式刚架设计摘要:本设计为一72米单跨钢结构，设置A5级吊车。主要依据钢结构设计规范（GB500172003）和门式刚架轻型房屋钢结构技术规程GECS102:2002等国家规范，综合考虑设计工程的规模、跨度、高度及用途，依据“适用、经济、在可能条件下注意美观”的原则，对各组成部分的选型、选材、连接和经济性作了比较，最终选用单层门式钢架的结构方式。梁、柱、结点为刚性连接的门式钢架具有结构简洁、刚度良好、受力合理、使用空间大几施工方便等特点，便与工业化，商品化的制品生产，与轻型维护材料相配套的轻型钢结构框架体系已广泛应用于建筑结构中，本设计就是对轻型钢结构的实际工程进行建筑、结构设计与计

2、算。主要对承重结构进行了内力分析和内力组合，在此基础上确定了梁截面，对梁柱作了弯剪压计算，验算其平面内外的稳定性；梁柱均采用Q345钢，焊接采用E50型焊条，柱脚刚性连接，梁与柱结点也刚性连接；另外特别注重了支撑设置、拉条设置，避免了一些常见的拉条设计错误。关键词：轻型钢结构 门式钢架 内力分析 Abstract：This project is a 72m double-span steel structure,each cross sets up 10t beam crane.The project designed strictly complies with the stipulatio

3、ns of the “CODE FOR DESIGN OF STEEL STRUCTURES (GB50017-2003)”and “TECHNICAL SPECIFICATION FOR STEEL STRUCTURE OF LIGHT WEIGHT BUILDINGS WITH GABLED FRAMES(CECS 102:2002)”，and some others. Synthesize the scale of the consideration design engineering and across a principle for span and use ,according

4、 as “applying,economy,under the possible term attention beautifully”,Connecting method ,structure type and material of each part which consist of a light-weight steel villa are analysed, then choose the construction form that rigid and copular a type steel a ware for having construction Simple,just

5、degree goodly,suffering dint reasonablely,using space bigly and starting construction convenience etc.characteristic,and easy to industrialisation,commercializing produce,thinking with light maintenance material the kit the already extensive applying in the building construction inside,this design i

6、s to proceeds the building, construction design to the structural and actual engineering in light steel and calculation.The tractate the internal force analyzes and combines ,based on these analyses ;we can choose the section of beam and calumniation.Next,checking computations of stability calculati

7、on of the plane structure The steel beam and column employ Q345 carbon structural steel.Connection bolts are high strength bolt of friction type with behavioral grad Common bolts are rough type made byQ235-BF steel.rod for manual welding usually adopts E50 rigid connection apply to the column leg an

8、d the connection of column and beam adopts hind connection.The metope and roofage adopts the Bauble-decked colored polystyrene clamps the circuit board.Others,it is analysed that the forced state of the bracing system for a steel factor building under wind land,and the design of a bracing truss for

9、a building with larger width.Avoid some errors in the design of brace,tension rod,and tension rod joints.Keywords: Lightweight steel structures; gabled frame; the internal force analyzes 目 录单跨双坡门式刚架设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （1）摘要- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

10、（1）Abstract- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （1）目录- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （4）1 设计资料- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （8）2 结构布置- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -(8) 2.1 平面布置- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (8) 2.1.1 柱网布置与

11、定位轴线- - - - - - - - - - - - - - - - （8） 2.1.2 柱间支撑布置- - - - - - - - - - - - - - - - - - （10） 2.1.3 屋盖支撑- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （10） 2.2 构件选型与截面尺寸估选- - - - - - - - - - - - - - - - （10）3 钢架内力分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （16） 3.1 计算简图- - - - - - - - - - - - - - - - - - -

12、- - - （16） 3.2 荷载计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （17） 3.2.1永久荷载- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （17） 3.2.2 屋面可变荷载- - - - - - - - - - - - - - - - - - （18） 3.2.3 风荷载- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （18） 3.3 内力计算 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （19） 3.3.1 永久荷载作

13、用下内力分析- - - - - - - - - - - - - （19） 3.3.2 屋面可变荷载作用下的内力分析 - - - - - - - - - - （20） 3.3.3 左吹风荷载作用下的内力分析 - - - - - - - - - - - （22） 3.3.4 右吹风荷载作用下的内力分析 - - - - - - - - - - - （24）4 内力组合- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （24）5 钢架梁柱截面验算 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （24） 5.1构件宽厚比验算- -

14、- - - - - - - - - - - - - - - - - （24） 5.1.1 截面梁翼缘- - - - - - - - - - - - - - - - - - - （24） 5.1.2 柱翼缘- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （26） 5.1.3 梁腹板- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （26） 5.1.4 柱腹板- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （26） 5.2钢架梁的验算- - - - - - - - - - - - - - -

15、- - - - - （26） 5.2.1 强度- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （26） 5.2.2 稳定性- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （31） 5.3 钢架柱的验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （32） 5.3.1 强度- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （32） 5.3.2 整体稳定性验算- - - - - - - - - - - - - - - - - -（34） 6 位移验

16、算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（35） 6.1 柱顶水平位移验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - （35） 6.2 梁跨中最大挠度验算- - - - - - - - - - - - - - - - - （36） 7 节点设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（36） 7.1 梁柱节点设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （36） 7.1.1连接螺栓计算- - - - - - - -

17、- - - - - - - - - - - （36） 7.1.2 端板计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（38） 7.1.3 节点域应力验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - （38） 7.1.4 端板螺栓处腹板强度验算- - - - - - - - - - - - - -（38） 7.2 梁梁节点设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （38） 7.2.1 2-2剖面梁节点形式- - - - - - - - - - - - - - - - （38） 7.2.2

18、3-3剖面梁节点形式- - - - - - - - - - - - - - - - （40） 7.3 铰接柱脚节点设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - （43）8 牛腿设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （43） 8.1 截面选择 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（44） 8.2 牛腿根部截面特性- - - - - - - - - - - - - - - - - - （44） 8.3 强度验算- - - - - - - - - - - - - -

19、- - - - - - - -（45） 8.4 焊缝验算 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（46）9 维护系统设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （47） 9.1 檩条- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （47） 9.1.1 设计简图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （47） 9.1.2 荷载计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （4

20、8） 9.1.3 内力计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （49） 9.1.4 截面验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （49） 9.1.5 整体稳定验算- - - - - - - - - - - - - - - - - - （53） 9.1.6 挠度计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （57） 9.2墙架梁- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （57） 9.2.1 墙面布置- - - - - -

21、- - - - - - - - - - - - - - （57） 9.2.2 荷载计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（57） 9.2.3 截面计算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （57） 参考文献- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（58）致谢- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （59）个人感想- - - - - - - - - - - - - - - - - -

22、 - - - - - - - （60）1设计资料 某轻钢结构厂房，采用单跨双坡门式刚架，跨度24m，柱距6m，厂房的纵向长度为72m；屋面和墙面均采用带玻璃丝保温棉的双层彩色板，厚度为50mm。厂房檐口高度为12.0m，屋面坡度为10%，厂房内设置两台工作级别为A5的电动单梁吊车，吊车牛腿标高为8.7m，结构形式和布置的要求如下：在结构的端部第二开间设置屋面水平支撑和柱间支撑；在檐口及屋脊处设置三道通长刚性系杆。门式刚架的柱截面采用等截面焊接H型钢，梁截面采用四段变截面焊接H型钢。屋面板及墙面板通过檩条和墙梁与主刚架相连；檩条和墙梁均采用薄壁卷边C型钢.主刚架构件钢材为Q345B；其他构件（如

23、檩条、墙梁及支撑等辅件）的钢材为Q235BF。Q345B钢材应采用E50型焊条，角焊缝的强度设计值为。2 结构布置 2.1 平面布置 2.1.1 柱网布置与定位轴线 厂房柱距方向总长度72m300m，横向跨度24m150m，无需设置温度伸缩缝。 除房屋端部外，刚架柱的柱距采用6.0m，横向定位轴线与刚架柱形心轴重合；端部刚架柱形心与横向定位轴线相距600mm。纵向定位轴线之间的距离为24m，纵向定位轴线位于刚架柱的外皮。山墙等距离布置3根墙梁柱，间距6.0m。 结构平面布置如图2-1所示。 结构平面布置2-1 2.1.2 柱间支撑布置 柱间支撑的间距应根据房屋纵向柱距、受力情况和安装条件确定。

24、本结构设计有电动单梁吊车，在结构第七开间设置柱间支撑，柱间支撑布置在中部、轴线之间，上、下柱分层布置；另外在房屋两端设置屋盖横向水平支撑的开间增设上柱支撑，在结构的端部第二开间设置柱间支撑，如图2-2所示。 2.1.3 屋盖布置 屋盖采用有檩体系，檩条水平间距1.5m。 在结构的端部第二开间和与柱间支撑对应的开间布置屋盖横向水平支撑。水平支撑的水平杆由檩条代替，斜杆采用圆钢。在檐口及屋脊处设置三道通长纵向水平刚性系杆，其中檐口纵向水平系杆采用钢管，屋脊处纵向水平系杆由檩条代替，两侧用撑杆相连。 檩条跨中设置一道12直拉条，檐口和屋脊处设置斜拉条和撑杆，撑杆外套322钢管。 刚架梁两端负弯矩区段

25、设置两道隅撑。 屋面布置如图2-3所示。 2.2 构件选型与截面尺寸估选 门式钢架的柱截面采用等截面焊接H型钢，钢架柱截面高度一般取柱高H的1/121/25，初步选定=600mm，相当于1/20。 刚架梁截面采用四段变截面焊接H型钢。 屋面坡度为10%，=5.71，tan=1/10， cos=1/=0.995。柱间支撑2-2屋面支撑2-3屋盖支撑2-3 综上，刚架梁、柱截面初步选用及截面特性如表1所示。 表1 梁、柱截面及截面特性部位 截面简图截面特性刚 架 横 梁 1-1剖 面截面积 A=130.08cm2惯性矩 Ix=163000cm4 Iy=3125cm4抵抗矩 Wx=3624.364c

26、m3 Wy=250cm3回转半径 ix=35.41cm iy=4.90cm2-2剖 面截面积 A=94.08cm2惯性矩 Ix=33900cm4 Iy=3125cm4抵抗矩 Wx=1508.023cm3 Wy=250cm3回转半径 ix=18.99cm iy=5.76cm3-3剖面截面积 A=114.08cm2惯性矩 Ix=91600cm4 Iy=3125cm4抵抗矩 Wx=2617.028cm3 Wy=250cm3回转半径 ix=28.34cm iy=5.234cm刚 架 柱4-4剖 面截面积 A=139.76cm2惯性矩 Ix=182000cm4 Iy=3645.8cm4抵抗矩 Wx=40

27、35.066cm3 Wy=291.667cm3回转半径 ix=36.04cm iy=5.11cm5-5剖面截面积 A=139.76cm2惯性矩 Ix=182000cm4 Iy=3645.8cm4抵抗矩 Wx=4035.066cm3 Wy=291.667cm3回转半径 ix=36.04cm iy=5.11c3 刚架结构分析3.1 计算简图 横向刚架取一个开间6m宽作为计算单元。横梁与立柱刚接，立柱与基础铰接，结构形式如图3-1所示。 （a）几何尺寸（b）计算简图 图3-1 钢架计算简图（a）几何尺寸 （b）计算简图 横梁的计算跨度取立柱截面形心之间的距离，L0=Lhc=24000 600=234

28、00mm，横梁坡高f=0.5L010%=0.52340010%=1170mm，坡长s=0.5L0/cos5.71=11758.35mm 立柱计算高度取基础顶面到横梁截面形心之间的距离，设基础顶面标高为-0.50m，则H0=H+0.50.5hcos5.71=12+0.50.50.90.995=12.05m 3.2 荷载计算 3.2.1 永久荷载 永久荷载包括屋面（屋面板、檩条及支撑）重量、刚架自重、墙面重量。其中刚架梁自重以线荷载的形式作用于横梁，由檩条传来的屋面重量也近似看成作用于横梁的线分布荷载；刚架柱自重和墙面重量为沿柱高的线分布荷载，作用于柱截面形心线。 永久荷载标准值： 屋面板及玻璃丝

29、保温棉保温层 0.20KN/ 檩条及屋面支撑 0.10KN/合计 0.30KN/ 横梁线分布荷载 屋面自重标准值 6m0.30KN/=1.80KN/m刚架梁自重标准值 6m0.54KN/=3.24KN/m =5.04KN/m立柱线分布荷载刚架柱自重标准值 6m0.83KN/=4.98KN/m墙面自重标准值 6m0.30KN/=1.8KN/m =6.78KN/m 3.2.2 屋面可变荷载 屋面可变荷载标准值取0.45KN/（因为刚架梁负荷面积大于30）和雪荷载0.40KN/中的较大值。 =6m0.45KN/=2.7KN/m 3.2.3 风荷载 基本风压标准值为地面粗糙度为B类，风荷载高度变化系数

30、按照现行建筑结构荷载规范（GB50009-2001）的相关规定取值：当高度小于10m时，按10m高度处的数值取值为，当高度为10-13.2m，按13.2m高度处的数值取值为；风振系数。 风荷载体型系数可按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）附录A的封闭式单跨双坡屋面中间区取值：对迎风面柱、屋面分别取为；背风面柱、屋面分别取为，房屋表面的体型系数如图3-2所示。 在计算时，按照门式刚架轻型房屋钢结构技术规程中A.0.1的要求，基本风压值应按现行建筑结构荷载规范（GB50009-2001）的规定乘以1.05采用。 =B=（)B(KN/m) =1.01.090.25(1.050

31、.45)6.0m=0.77KN/m =1.01.09(-0.55)(1.050.45)6.0m=-1.70KN/m =1.01.09(-1.0)(1.050.45)6.0m=-3.09KN/m =1.01.09(-0.65)(1.050.45)6.0m=-2.01KN/m 图3-2 风荷载体型系数 3.3 内力计算 3.3.1 永久荷载作用下内力计算（如图3-3所示） 横梁标准值 5.04KN/m=5.041/0.995=5.07KN/m 立柱标准值 6.78KN/m （a） 永久荷载作用简图 (b) M图（单位KNm） （c）V图（单位KN） （d） N图（单位KN） 图3-3永久荷载计算简

32、图及内力图 3.3.2 屋面可变荷载作用下内力计算（如图3-4所示) 屋面活荷载标准值 2.70KN/m=2.701/0.995 =2.71KN/m （a）屋面活荷载计算简图 （b） M图（单位KNm） (c) V图（单位KN） （d）N图（单位KN） 图3-4 屋面可变荷载荷载简图及内力图 3.3.3 左吹风荷载作用下内力计算（如图3-5所示） （a）左吹风荷载作用下的荷载简图 （b）M图（单位KNm） （c）V图（单位KN） （d）N图（单位KN） 图 3-5 左吹风荷载简图及内力图 3.3.4 右吹风荷载作用下的内力计算 由于结构对称，风荷载为右风时的结果可以方便地从风荷载为左风时推出。

33、4 内力组合 根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面，控制界面的内力组合主要有: 最大弯矩和同时出现的N及V较大值。 最小弯矩和同时出现的N及V较大值。 最大轴压力和同时出现的M及V较大值 最小轴压力和同时出现的M及V较大值具体内力组合方式有以下两种： 1.2永久荷载+0.91.4积灰荷载max屋面均布活荷载、雪荷载0.91.4风荷载吊车竖向及水平荷载 1.0永久荷载1.4风荷载 因结构对称，取左半部分进行内力组合计算，内力组合见表25 钢架梁柱截面验算 5.1.构件宽厚比验算 5.1.1 截面梁翼缘 （） 满

34、足要求。 内力组合表2 5.1.2 柱翼缘 （） 满足要求。 5.1.3 梁腹板 1-1截面 （ ） 满足要求。 2-2截面 满足要求。 3-3截面 满足要求。 5.1.4 柱腹板 柱顶4-4截面 柱底5-5截面 均满足要求。 5.2钢架梁的验算 5.2.1 强度 （1-1）截面 钢架梁的端部为最不利截面，N= 102.25KN V= -5.66KN M=1298.25KNm (a) 梁抗剪承载力设计值 梁截面的最大剪力为= -5.66KN 考虑仅有支座加劲肋，即按或=0计算，因不设中间加劲 肋，所以=5.34 5.66KN 则满足要求。 （b）抗剪承载力设计值 先计算梁的有效截面：腹板的最大

35、应力和最小应力： 腹板的受压区高度： -0.96 代入式22.86 由于=359.86 则 得1-0.9()=0.83 则 （c）弯剪压共同作用下的验算 由于V=5.66M=1298.25 则满足要求 （2-2）截面 钢架梁的端部为最不利截面，N= 90.63KN V= 91.80KN M=1431.33KNm （a）梁抗剪承载力设计值 梁截面的最大剪力为= 91.80KN 考虑仅有支座加劲肋，即按或=0计算，因不设中间加劲 肋，所以=5.34 91.80KN 则满足要求。 （b）抗剪承载力设计值 先计算梁的有效截面：腹板的最大应力和最小应力： 腹板的受压区高度： -0.98 代入式23.53

36、 由于=934.3 则0.8 得1,即梁腹板不屈曲全部有效。从而可得按有效截面计算的 梁抗弯承载力设计值： 则 （c）弯剪压共同作用下的验算 由于V=91.80M=1431.33 则满足要求 （3-3）截面 钢架梁的端部为最不利截面，N= 108.16KN V= -13.83KN M=1183.69KNm （a）梁抗剪承载力设计值 梁截面的最大剪力为= -13.83KN 考虑仅有支座加劲肋，即按或=0计算，因不设中间加劲 肋，所以=5.34 则满足要求。 （b）抗剪承载力设计值 先计算梁的有效截面：腹板的最大应力和最小应力： 腹板的受压区高度： -0.96 代入式22.86 由于=454.03

37、 则0.8 得1即梁腹板不屈曲全部有效。从而可得按有效截面计算的 梁抗弯承载力设计值： 则 （c）弯剪压共同作用下的验算 由于V=13.83M=1183.69 则满足要求 5.2.2 稳定性 （a） 横梁平面内的整体稳定性验算 当斜梁坡度不超过1:5时，因轴力很小可按压弯构件计算其强度 和和钢架平面外的稳定，不计算平面内的稳定。 （b）横梁平面外的整体稳定性验算 考虑到屋面压型钢板与檩条紧密连接，有蒙皮作用，檩条可作为 横梁平面外的支撑点，但为了安全起见，计算长度按两个檩条或隅撑间距考虑，即。 （1-2）截面 按B类截面查的 因两端有弯矩和横向荷载，使构件产生同向曲率得 平面外稳定满足要求。

38、（2-3）截面 按B类截面查的 因两端有弯矩和横向荷载，使构件产生同向曲率得 平面外稳定满足要求。 5.3刚架柱的验算 5.3.1强度 刚架柱的强度需按弯、剪、压共同作用下的压弯构件计算，并取最不利的柱顶截面，M=908.77KNm，V=105.15KN，N=170.61KN。 柱抗剪承载力设计值 柱截面的最大剪力为=105.15KN 考虑仅有支座加劲肋，则=5.34,即按1或=0计算 1.4则 =(1-0.275)=(1-0.2751.54)180=103.77N/=8728103.77=723.90KN =105.15KN=723.90KN 满足要求。 柱抗弯承载力设计值先计算柱的有效截面

39、：腹板的最大应力和最小应力为： =腹板的受压区高度： 则 由于故取则 又 0.8=0.871.2则 图5-1 有效宽度的分布 弯剪压共同作用下的验算由于则 满足要求。 5.3.2整体稳定性验算构件的最大内力N=170.61KN，M=908.77KNm 刚架柱平面内的整体稳定性验算刚架柱高H=12050mm,梁长L=23400mm。可计算得梁柱线刚度比： 由于柱为等截面，查表可得柱的计算长度系数刚架柱的计算长度,则： b类截面，查表可得 另外，对有侧移刚架取,则： 满足要求。 刚架柱平面外的整体稳定性验算 考虑带玻璃丝保温棉的双层彩色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或隅撑间距考虑，即。 对于等截面构件，即： b类截面，查表可得 满足要求。6 位移验算 6.1 柱顶水平位移验算 梁、柱平均惯性矩 柱顶水平位移 满足要求。 6.2梁跨中最大挠度验算 由结构矩阵分析计算得梁跨中最大挠度为 满足要求。7 节点设计 7.1梁柱节点设计 梁柱节点如图7-1 7.1.1连接螺栓计算采用10.9级，M24摩擦型高强螺栓，构件接触面经喷砂后涂无机富锌漆。预拉力p=225K，抗滑移系数查表的=0.4 顶排螺栓的拉力 图7-1 梁柱节点第二排螺栓