轻型门式钢架设计hust建筑钢结构课设.doc

学 院 ：土木工程与力学学院专 业 班 级 ： 土木工程0905班 学 号 ： U200915865 姓 名 ： 曾振铧 课 设 内 容 : 轻型门式钢架设计 完 成 时 间 ： 2012-04-10 指 导 老 师 ： 聂肃菲 题目与要求1.1.1设计题目：*集团轻钢结构设计1.1.2建设地点：武汉市（地形图见附图1）1.1.3 工程概况*集团轻钢结构房屋工程的具体要求如下：1）长度120m，柱网分别为6m、9m，跨度分别为21m、24m、27m，檐口高度分别为6m、9m，屋面坡度为1/10，屋面材料为单层彩板或夹芯板，墙面材料单层彩板或夹芯板，天沟为彩板天沟或钢板天沟。2）荷载：静荷载当无有吊顶时为，有吊顶时为；活荷载为（计算刚架时）、（计算檩条时）；基本风压，地面粗糙度为B类；雪荷载为；地震设防烈度为7度。3）所有建筑应尽量采用铝合金隔热门窗；建筑外观要求美观、新颖，能够充分体现轻钢结构建筑的美学特点。1.1.4设计原始资料1）气象资料该地区为三级气候分区，其基本气象资料为：最冷月平均气温：3.0；最热月平均气温：28.8。极端最低温度5；极端最高温度41。平均年总降雨量1230.6 mm,日最大降雨量317.4 mm。最大积雪深度：32 mm。最大冻土深度：10 mm。冬季平均风速2.6 m/s，夏季平均风速2.5 m/s，30年一遇最大风速21.9 m/s。常年主导风向：东北夏季主导风向：西南风冬季主导风向：东北风2）地质水文资料建筑物场地地势平坦，地表高程38.5638.72m，地下水位标高33.4m，无腐蚀性。经地质勘测，地表剖面为：表层0.81.2m耕杂土；以下有2.5m深的亚粘土；再往下为厚砂卵层。亚粘土可做持力层，地基承载力标准值为120KN/m2,地基土容重为19KN/m3。3）材料规格钢材：门式刚架采用Q235钢，楼面梁、屋面檩条、墙架、檩条采用Q235-B螺栓：采用扭剪型高强度螺栓10.9级,普通螺栓采用六角头螺栓（C级）；焊条：手工焊、自动埋弧焊和CO2气保护焊；基础混凝土C20,垫层混凝土C10；钢筋：直径为级钢筋，直径为级钢筋。4）地震设防烈度6度 ；1.1.5建设规模以及标准1） 建筑规模：建筑面积约，为单层钢结构建筑。2） 建筑防火等级：二级3） 建筑防水等级：二级4） 建筑装修等级：高级1.1.6其它设计要求及资料单跨双坡门架1.1.7设计依据建筑结构荷载规范（GB500092001）钢结构设计规范（GB500172003）门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102: 2002冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB500182002）建筑制图标准（GBJ10487）1.1.8参考资料轻型钢结构设计手册冷弯薄壁型钢结构设计手册建筑结构构造资料集（上、下册）建筑钢结构设计手册（上、下册）钢结构连接节点设计手册钢结构设计与计算房屋建筑学（中国建筑工业出版社）钢结构（王国周著）钢结构（魏明钟）轻型门式刚架（张其林）1.1.9.设计题目排列每人单独一题。每人按成绩记载单次序选择题目。04班按无吊顶静载计算，05班按有吊顶静载计算。檐口高度6m檐口高度9m6m柱网9m柱网6m柱网9m柱网 跨度高度2124272124272124272124271.901234567891011121.951314151617181920212223242.002526272829303132333435361.2 建筑设计1.2.1 建筑设计指导思想1）设计满足生产工艺的要求，这是对设计的基本要求。2）应创造良好的操作环境，有利于保证工人健康和提高劳动生产率。3）应满足有关技术要求：(1) 厂房应具有必要的坚固耐久性能，使在外力、温湿度变化、化学侵蚀等各种不利因素作用下可以确保安全；(2) 厂房建筑应具有一定的灵活应变能力，在满足当前使用的基础上，适当考虑到以后设备更新和工艺改革的需要，使远近期结合，提高通用性，并为以后的厂房改造和扩建提供条件；(3) 设计厂房时应遵守国家颁布的有关技术规范与规程。4）工业建筑设计中要注意提高建筑的经济、社会和环境的综合效益，三者间不可偏废。5）工业建筑在适用、安全、经济的前提下，把建筑美与环境美列为设计的重要内容，美化室内外环境，创造良好的工作条件。3.1.1 建筑布置 综合考虑工艺、结构和经济三方面的要求，按照钢结构设计规范，厂房可不设置伸缩缝，厂房柱网具体布置如下图所示：1.2.3 构造简要说明1）屋面及墙面构造 屋面板和墙面板采用75mm厚岩棉夹芯彩板，在其纵横向搭接处均应设置连续密封胶条。屋面的坡度为1：10的双坡屋面，采用内天沟有组织排水。2）地面构造厂房的地面用素土夯实后铺80厚C10混凝土，然后用20厚1：2水泥砂浆抹面。室内地坪标高为0.000，室外地坪为-0.3m，在进厂房门的室内外做成斜坡。3）刚架防锈处理用各色硼钡酚醛防锈漆F53-9打底，在选用各色醇酸磁漆C04-42作面漆。4) 门窗型号及数量门窗编号洞口尺寸（mm）选用图集及规格数量附注宽高M150006000厂家提供2铝合金平开门C118001800厂家提供80铝合金推拉窗C218001200厂家提供80铝合金推拉窗轻型门式刚架设计计算书一、设计资料武汉市某加工厂一厂房，该厂房为单层，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度21m，柱高檐口高度6m，柱距9m，屋面坡度1:12；静荷载0.45kN/m2；活荷载为0.30kN/m2（计算刚架时）、0.50kN/m2（计算檩条时）；基本风压0.35kN/m2，地面粗糙度为B类；雪荷载为0.50kN/m2；地震设防烈度为7度；钢材采用Q235钢，焊条采用E43型。二、 荷载计算1荷载取值计算 （1）屋盖永久荷载标准值 取静荷载0.45kN/m2。（2）屋面可变荷载标准值取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.50 KN/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，取0.50 KN/m2（4）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0=1.050.35 KN/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，z=1.0。风荷载体型系数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0.55和0.65(CECS102：2002中间区)。（5）地震作用据全国民用建筑工程设计技术措施结构中第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。2各部分作用的荷载标准值计算屋面：恒荷载标准值：0.459=4.05KN/m活荷载标准值：0.509=4.50KN/m柱荷载：恒荷载标准值：0.569+4.0510.5=69.53KN活荷载标准值：4.510.5=47.25KN风荷载标准值：迎风面：柱上qw1=0.3790.25=0.83KN/m 横梁上qw2=0.3791.0=3.31KN/m背风面：柱上qw3=0.390.55=1.82KN/m 横梁上qw4=0.3790.65=2.15N/m三、内力分析考虑本工程刚架跨度较小、厂房高度较低、荷载情况及刚架加工制造方便，刚架采用等截面，梁柱选用相同截面。柱脚按铰接支承设计。采用弹性分析方法确定刚架内力。引用钢结构设计与计算（包头钢铁设计研究院编著，机械工业出版社）中表229（铰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=l/h=21/6=3.5=f/h=0.875/6=0.1458k=h/s=6/10.5363=0.5695=3+k+(3+)=3+0.5695+0.1458(3+0.1458)=4.2802HA=HE=ql/8=4.05213.50.5098/8=18.97KNMC=ql21(1+) /8=4.05x2121(1+0.1458)0.5098=113.81KNmMB=MD=ql2/8=4.052120.5098/8=92.84KNm刚架在恒荷载作用下的内力如图。内力计算的“+、”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=47.25KNHA=HE=ql/8=1.5213.50.5098/8=21.08KNMC=ql21(1+) /8=4.50x2121(1+0.1458)0.5098=103.15KNmMB=MD=ql2/8=4.502120.5098/8=126.45KNm刚架在活荷载作用下的内力如图。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qx和竖向的分力qy。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VA=3.3198.69=26.07KNHA=HE=ql/4=3.31213.50.1275/4=7.75KNMB=MD=7.756=46.50KNmMC =ql22(1+) /4=3.312120.521.14580.1275/4=37.92Nm刚架在qw2y作用下的内力如图(2)在背风面横梁上风荷载竖向分力qw4y作用下VA=2.1595.64=16.94NHA=HE=ql/4=2.15213.50.1275/4=5.03KNMB=MD=5.036=30.18KNmMC =ql22(1+) /4=2.152120.521.14580.1275/4=24.63Nm刚架在qw4y作用下的内力如图。(3)在迎风面柱上风荷载qw1作用下=1VA=VB=qh12/2L=0.8362/(221)=0.71KNHE=0.8363.84=1.14KNMD=1.146=6.84KNm刚架在qw1作用下的内力如图。(4)在背风面柱上风荷载qw3作用下VA=VB=qh12/2L=1.8262/(221)=1.56KNHA=1.8268.42=2.50KNMD=8.4261.8262/2=17.76KNmMB=2.556=15.50KNm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qw2x作用下=1，=0HA=3.310.875(1+0.0189)/2=1.48KNHE=3.310.8751.48=1.42KNMB=1.486=8.88KNmMD=1.426=8.52KNm刚架在qw2x作用下的内力如图。(6) 在背风面横梁上风荷载水平分力qw4x作用下HA=2.150.875(1+0.0189)/2=0.96KNHE=2.150.8750.96=0.92KNMB=0.966=5.76KNmMD=0.926=5.52KNm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。四、内力组合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(GB500092001)的规定，采用荷载效应的基本组合：0SR。本工程结构构件安全等级为二级，0=1.0。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：组合1：1.2恒载+1.4活载组合2：1.2恒载+1.4风载组合3：1.2恒载+1.4活载+1.40.6风载组合4：1.2恒载+1.4风载+0.71.4活载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，即A、B、C、D和E五点，故而列表计算求出各点M、N和V的最大值，内力组合见表1。注：内力计算的“+、”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。加黑字体为最不利内力组合。五、刚架设计1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6002501218，截面特性：B=250mm，H=600mm，tw=12.0mm，tf=18.0mm，A=157.68cm2Ix=94178cm4，Wx=3139cm3，ix=24.44cmIy=4696cm4，Wx=3139m3，ix=5.46cm2构件验算（1）构件宽厚比的验算翼缘部分： 腹板部分： （2）刚架梁的验算抗剪验算梁截面的最大剪力为Vmax=112.43KN fv=125N/mm2考虑仅有支座加劲肋，Vu=hwtwfv=56412125=846000N=846.00KNVmax=112.43KN，满足要求。弯、剪、压共同作用下的验算取梁端截面进行验算N=61.82KN，V=112.43KN，M=313.60KNN因VM=313.60KNm，取M=Mf故，满足要求。整体稳定验算N=61.82KN，M=313.60KNmA梁平面内的整体稳定性验算。计算长度取横梁长度lx=21073mm，x=lx/ix=21073/244.4=86.22=150，b类截面，查表得x=0.646，mx=1.0 =107.00N/mm2f=215 N/mm2，满足要求。B横梁平面外的整体稳定验算考虑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ly=3010mm。对于等截面构件=0，s=w=1y=sl/iy0=3010/54.6=55.13，b类截面，查表得y=0.832=l1t1b1h=3.010.0180.250.6=0.361b=0.69+0.13=0.69+0.130.361=0.737取b=1.070.282/by=0.987故，满足要求。梁跨中截面：故，满足要求。验算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=(1.24.05+1.44.5.00)3.01=33.59KNLz=a+5hy+2hR=70+518+0=160mm验算腹板上边缘处的折算应力：取梁端截面处的内力：N=61.82KN，V=112.43KN，M=313.60KNNc=17.49N/mm2 =92.32 N/mm2Vmax=52.27KN，满足要求。 弯、剪、压共同作用下的验算取柱端截面进行验算N=117.18KN，V=52.27KN，M=313.60KNN因VM=313.60KNm，取M=Mf故，满足要求。整体稳定验算构件的最大内力：N=190.08KN，M=313.60KNmA刚架柱平面内的整体稳定性验算。刚架柱高H=6000mm，梁长L=21073mm.柱的线刚度K1=Ic1/h=94178104/6000=156963.3mm3梁线刚度K2=Ib0/(2S)=94178104/(210537)=44689.2mm3K2/K1=0.351，查表得柱的计算长度系数=2.90。刚架柱的计算长度lx=h=17400mm。x=lx/ix=17400/244.4=71.19=150，b类截面，查表得x=0.744，mx=1.0=118.62N/mm20.4P=0.4190=76.0KN,满足要求。Nt3=52.77KN0.4P=0.4155=62.0KN,满足要求。Nt3=42.91KN0.4P=0.4155=62.0KN，满足要求。（3）柱脚设计 刚架柱与基础铰接，采用平板式铰接柱脚。 柱脚内力设计值Nmax=190.08KN，相应的V=52.27KN；Nmin76.79KN，相应的V=3.49KN。由于柱底剪力较小，max=52.27KN0，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，采用4M24。柱脚底板面积和厚度的计算A柱脚底板面积的确定b=b0+2t+2c=250+218+2(20-50)=326-386mm，取b=360mm；h=h0+2t+2c=600+218+2(20-50)=636-736mm，取h=720mm；底板布置如图。验算底板下混凝土的轴心抗压强度设计值：基础采用C20混凝土，fc=9.6N/mm2，满足要求。B底板厚度的确定根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：b2/b1=119/564=0.2100.3，按悬伸长度为b2的悬壁板计算：对于悬壁板部分：底板厚度，取t=20mm。六、其它构件设计1隅撑的设计隅撑按轴心受压构件设计。轴心力N按下式计算：连接螺栓采用普通C级螺栓M12。隅撑的计算长度取两端连接螺栓中心的距离：l0=633mm。选用L504，截面特性：A=3.90cm2，Iu=14.69cm4，Wu=4.16cm3，iu=1.94cm，iv=0.99cmu=l0/ iu=633/19.4=32.61，k=7.86.29+9.782=21.768B上翼缘板上翼缘板为最大压力作用于部分加劲板件的支承边，=min/max=136.01/167.26=0.8131，kc=5.8911.59+6.682=0.883受压板件的有效宽度A腹板k=21.768，kc=0.883，b=250mm，c=100mm，t=3mm，1=167.26N/mm2板组约束系数k1=0.11+0.93/(0.05)2=0.358由于=min/max0，取=1.5，bc=b/(1)=250/(1+0.916)=130.38mmb/t=250/3=83.3318=181.153.091=63.98，38=381.153.091=135.08所以18b/t0，则=1.150.15=1.150.150.813=1.028，bc=b=100mm，b/t=100/3=33.3318=181.0281.235=22.85，38=381.0281.235=48.24所以18b/t38则截面有效宽度be1=0.4be=0.4=32.45mm，be2=0.6be=0.6=48.68mmC下翼缘板下翼缘板全截面受拉，全部有效。有效净截面模量上翼缘板的扣除面积宽度为：10081.13=18.87mm；腹板的扣除面积宽度为：130.38112.69=17.69mm，同时在腹板的计算截面有一13拉条连接孔（距上翼缘板边缘40mm），孔位置与扣除面积位置基本相同。所以腹板的扣除面积按13计算，见图。有效净截面模量为： Wenx/Wx=0.901，Wenymax/Wymax=0.973，Wenymin/Wymin=0.973（4）强度计算按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑：(5)挠度计算，满足要求。(6)构造要求x=900/11.24=80.07=200，满足要求y=300/2.68=111.94=200，满足要求3墙梁设计（1）基本资料本工程为单层厂房，刚架柱距为9m；外墙高7.35m，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。（2）荷载计算墙梁采用冷弯薄壁卷边C型钢25080203.0，自重g=9.80kg/m； 墙重0.22KN/m2； 风荷载基本风压0=1.050.35=0.3675KN/m2，风荷载标准值按CECS102：2002中的围护结构计算：k=sz0，s=1.1（+1.0）本工程外墙为落地墙，计算墙梁时不计墙重，另因墙梁先安装故不计拉条作用。qx=1.20.098=0.118KN/m，qy=1.10.36751.51.4=0.849KN/m（3）内力计算Mx=0.08462/8=0.378KNm，My=1.09362/8=4.919KNm（4）强度计算墙梁C25080203.0，平放，开口朝上Iy=1140.73cm,4Wxmax=47.38cm3，Wmin=15.84cm3，Wy=91.26cm3参考屋面檩条的计算结果及工程实践经验，取Wenx=0.9 Wx，Weny=0.9 Wy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。（5）挠度计算，满足要求。4山墙抗风柱设计（1）基本资料本工程山墙墙板为自承重墙；抗风柱6274mm，间距采用9m，承受的荷载有自重、墙梁重量及山墙风荷载。抗风柱与基础铰接，按压弯构件设计。抗风柱视为支承于刚架横梁和基础的简支构件。该地区基本风压0=0.35KN/m2，地面粗糙度类别为B类，隅撑间距3.0m。抗风柱采用Q235钢。（2）荷载计算抗风柱选用焊接工字钢300200610，自重g1=44.6kg/m墙梁及其支撑构件重量取g2=9.80kg/m 风荷载：按CECS102:2002中的围护结构计算。k=sz0，s=1.0(+1.0)，0=1.050.35=0.3675KN/m2qz=1.2(0.09893+44.66.27410-2)=6.53KNqy=1.41.01.00.36756=4.63KN/m墙梁自重对抗风柱的偏心力矩为1.20.098930.23=0.73KNm（3）内力计算N=6.53KN，M=1/84.636.2742+0.73=23.51KNm（4）验算构件的局部稳定性翼缘宽厚比b/t=96/10=9.6，因1.602.0，l0=6274mm，x= l0/ ix=48.5=150故，满足要求。（5）强度验算截面特性：A=56.8cm2，Ix=9511cm4，Wx=634.1cm3，ix=12.94cm，Iy=1334cm4，Wy=133.4cm3，iy=4.85cm（6）验算弯矩作用平面内的稳定性=48.5，b类截面，查表得x=0.863，mx=1.0 =36.85N/mm2f=215 N/mm2，满足要求。（7）验算弯矩作用平面外的稳定性考虑隅撑为抗风柱平面外的侧向支撑点l0y=3000mm，y= l0y/ iy=3000/48.49=61.87=150，b类截面，查表得y=0.797，=1.0，tx=1.0 =39.16N/mm2f=215 N/mm2，满足要求。（8）挠度验算抗风柱在水平风荷载作用下，可视为单跨简支梁按下式计算其水平挠度：（9）柱脚设计因抗风柱承受的竖向荷载很小，故垫板尺寸按构造要求确定。采用 H40030020；锚栓采用2M24，平面布置如图。5柱间支撑的设计（1）柱间支撑的布置。（2）柱间支撑为斜杆，采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑。直杆用檩条兼用，因檩条留有一定的应力裕量，根据经验及类似工程，不再作压弯杆件的刚度及承载力验算。（3）柱间支撑荷载及内力支撑计算简图如图。作用于两侧山墙顶部节点的风荷载为（山墙高度取7.2m）：取s=0.8+0.5=1.3，1=1.31.00.35217.35/2=35.11KN按一半山墙面作用风载的1/3考虑节点荷载标准值为：Fwk=1/31/235.11=5.85KN节点荷载设计值Fw=1.45.