门式刚架设计实例

门式刚架设计实例门式刚架设计实例门式刚架设计实例门式刚架设计实例编制仅供参考审核批准生效日期地址：电话：传真:邮编:轻型门式刚架——计算原理和设计实例<9>来源：发布时间：06-06编辑：段文雁二、设计实例一1设计资料门式刚架车间柱网布置：长度60m；柱距6m；跨度18m。刚架檐高：6m；屋面坡度1：10；屋面材料：夹心板；墙面材料：夹心板；天沟：钢板天沟；基础混凝土标号为C25，fc=N/mm2；材质选用：Q235-Bf=215N/mm2f=125N/mm2。2荷载取值静载：为kN/m2；活载：kN/m2；雪载：kN/m2；风载：基本风压W0=kN/m2，地面粗糙度B类，风载体型系数如下图：图3-41风载体型系数示意图3荷载组合(1).恒载+活载(2).恒载+风载(3).恒载+活载+×风载(4).恒载+×活载+风载4内力计算（1）计算模型图3-42计算模型示意图（2）工况荷载取用恒载活载左风右风图3-43刚架上的恒载、活载、风载示意图各单元信息如下表：表3-5单元信息表单元号截面名称长度(mm)面积(mm2)绕2轴惯性矩(x104mm4)绕3轴惯性矩(x104mm4)1Z250~450x160x8x10570097397482L450x180x8x1090457040974227283L450x180x8x109045704097422728表中：面积和惯性矩的上下行分别指小头和大头的值图3-44梁柱截面示意简图（3）计算结果刚架梁柱的M、N、Q见下图所示：

图3-45恒载作用时的刚架M、N、Q图

图3-46活载作用时的刚架M、N、Q图

图3-47（左风）风载作用时的刚架M、N、Q图选取荷载效应组合：（恒载+活载）情况下的构件内力值进行验算。组合内力数值如下表所示：表3-6组合内力表单元号小节点轴力N(kN)小节点剪力Q2(kN)小节点弯距M大节点轴力N(kN)大节点剪力Q2(kN)大节点弯距M12345构件截面验算根据协会规程第条进行板件最大宽厚比验算。翼缘板自由外伸宽厚比：（180-8）/（2×10）=<15，满足协会规程得限值要求；腹板宽厚比：(450-2×10)/8=54<250，满足协会规程的限值要求。腹板屈曲后强度的抗剪承载力设计值按如下考虑：腹板高度变化率：(450-250)/=35mm/m<60mm/m，故腹板抗剪可以考虑屈曲后强度。加劲肋间距取为2hw，则其抗剪承载力设计值为：其中，因为，所以1）1号单元（柱）的截面验算I.组合内力值如下：1号节点端M12=N12=—kNQ12=kN2号节点端M21=N21=—kNQ21=kNII.强度验算先计算1号节点端。×103/5440=mm2用代替式中的fy。=×=N/mm2，弯矩为0，故截面边缘正应力比值。根据规程中式求得=，进而得到=29/×2×=。因为=，所以有效宽度系数=1，即此时1号节点端截面全部有效。QAB1号节点端截面强度满足要求。再验算2号节点端：=N/mm2=—N/mm2用代替规程中式中的fy。=×=N/mm2，截面边缘正应力比值—。根据规程中式求得=，进而得到=。因为=，所以有效宽度系数=1，即此时2号节点端截面全部有效。2号节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第条的第三款规定进行验算。QBA<=3440×125×=215kN(采用规程中式（）计算)=（215－56890/7040）×1010133=M<，故2号节点端截面强度满足要求。III.稳定验算对于1号单元（柱），已知柱平面外在柱高4m处设置柱间支撑，即平面外计算长度L0y=4000mm。根据协会规程第条可求出截面高度呈线性变化柱子的计算长度系数。柱小头惯性矩Ic0=5998×104mm4，柱大头惯性矩Ic1=22728×104mm4，Ic0/Ic1=。梁的最小截面惯性矩Ib0=22728×104mm4，梁为等截面，斜梁换算长度系数取。对于横梁=22728×104/（2××9045）=12564，对于柱=22728×104/5700=39874，所以K2/K1=。查规程中表可得=，平面内计算长度L0x=8150mm。变截面柱在平面内的稳定性按照规程中第条的规定进行验算。=78，查表得=，=1834kN。稳定验算公式为：=+=N/mm2<215N/mm2变截面柱在平面外的稳定性按照规程第条的规定进行验算。=95，查表得=，楔率为=。1号单元柱一端弯矩为0，故=，=，=，=197，=。因为>，按照现行国家标准《钢结构设计规范》GBJ17-88的规定，查出相应的=代替，即=。平面外稳定的验算公式：=+=N/mm2

2）2号单元（梁）的截面验算I.组合内力值如下：2号节点端M23=N23=—kNQ23=kN3号节点端M32=N32=—kNQ32=kNII.强度验算先计算2号节点端。=N/mm2=—N/mm2故截面边缘正应力比值—。用代替规程中式中fy。=×=N/mm2。根据式规程中四式求得=，进而得到=。因为=，所以有效宽度系数=1，即此时2号节点端截面全部有效。2号节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第条的第三款规定进行验算。QBC<=3440×125×=430kN(采用规程中式计算)=（215－28710/7040）×1010133=M<，故2号节点截面强度满足要求。再验算3号节点端。=N/mm2=—N/mm2故截面边缘正应力比值—。用代替规程中式中的fy，=×=N/mm2，根据规程中式求得=，进而得到=。因为=，所以有效宽度系数=1，即此时3号节点端截面全部有效。3号节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第条的第三款规定进行验算。QCB<=3440×125×=215kN(采用规程中式计算)=（215－23050/7040）×1010133=M<故3号节点截面强度满足要求。III．稳定验算根据协会规程第条第一款的规定，实腹式刚架梁当屋面坡度小于10°时，在刚架平面内可可仅按压弯构件计算其强度。本例的屋面坡度为°小于10°，故可不验算梁平面内的稳定性。刚架梁平面外的稳定性按照钢结构设计规范GBJ17-88第五章第二节的规定进行验算2号单元（梁）。已知梁平面外侧向支撑点间距为3000mm，即平面外计算长度L0y=3000mm。梁的最小截面惯性矩Ib0y=974×104mm4，梁为等截面。=81，查表得=，=，按照如下公式确定：=因为>，按照现行国家标准《钢结构设计规范》GBJ17-88的规定，查出相应的=代替，即=。按2号节点端的受力验算构件平面外的稳定性：=+=

6连接节点计算（1）梁柱节点采用如下图所示的连接形式。图3-48梁柱连接节点示意图连接处的组合内力值：M=，N=—kN，Q=54.30kN。1）.螺栓验算若采用摩擦型高强度螺栓连接，用级M20高强螺栓，连接表面用钢丝刷除锈，，每个螺栓抗剪承载力为：=×1××110000=。抗剪需用螺栓数量n==2，初步采用8个M20高强螺栓。螺栓群布置如图3-49所示：图3-49梁柱连接节点螺栓群布置图螺栓承受的最大拉力值按照如下公式计算（其中y1=270，y2=178，y3=113，y4=48各有4个螺栓）：==—+=<=88kn以上计算说明：螺栓群抗剪、抗弯均满足要求。2）连接板厚度的设计端板厚度t根据支承条件计算确定。在本例中有两种计算类型：两边支承类端板（端板平齐）以及无加劲肋端板，分别按照协会规程中相应的公式计算各个板区的厚度值，然后取最大的板厚作为最终值。两边支承类端板（端板平齐）：ef=42mm，ew=40mm，Nt=kn，b=180mm，f=215mm。=mm无加类端板：a=65mm，ew=42mm，Nt=kn=mm综上所得结果可取端板厚度为t=18mm。3）节点域剪应力验算门式刚架斜梁与柱相交的节点域应按照协会规程第条的规定验算。其中，M=kn，db=450mm，dc=434mm，tc=8mm。=N/mm2节点域的剪应力满足规程要求。在端板设置螺栓处，应按照协会规程第条的规定验算构件腹板的强度。采用翼缘内第二排一个螺栓的拉力设计值Nt2，经计算得到：Nt2=kN<P=44kN。因为ew=41mm，tw=8mm，所以，=N/mm2

（2）梁拼接节点梁的拼接方式如图3-50所示。图3-50梁拼接节点示意图连接处的组合内力值为：M=，N=—kN，Q=kN。其计算方法与梁柱连接节点的计算方法相似1）.螺栓验算仍采用级M16高强螺栓，连接表面用钢丝刷除锈，，每个螺栓抗剪承载力为，剪力很小，抗剪显然满足，初步采用12个M16高强螺栓。螺栓群布置如图3-51所示：图3-51梁拼接节点螺栓群布置图螺栓承受的最大拉力值按照如下公式计算（y1=261，y2=183，y3=130各有四个螺栓）：==—+=kN<=56kN所以，螺栓群抗剪、抗弯均满足要求。2）连接板厚度的设计端板厚度t根据支承条件计算确定，在本例中有两种计算类型：两边支承类端板（端板平齐）以及无加劲肋端板，分别按照协会规程中相应的公式计算各个板区的厚度值，然后取最大的板厚作为最终值。伸臂类端板（端板平齐）：其中ef=32mm，Nt=kN，b=180mm，f=215mm。=mm两边支承板（端板平齐）：其中ef=38mm，ew=26mm，Nt=kN，b=180mm，f=215mm。=12..1mm无加类端板：其中a=53mm，ew=26mm，Nt=kN，=mm综上所得结果可取端板厚度为t=18mm。三、设计实例二1、设计资料门式刚架车间柱网布置：长度60m；柱距6m；跨度18m。檐高净高9m；牛腿标高6m，吊车起重量5t，轻级工作制，软钩；屋面坡度1：10；屋面材料：夹心板；墙面材料：夹心板；天沟：钢板天沟；基础混凝土标号为C25，fc=mm2；材质选用：Q235-Bf=215N/mm2，f=125N/mm2。2、荷载取值静载：m2；活载kN/m2；雪载kN/m2；风载：基本风压W0=kN/m2，地面粗糙度B类，风载体型系数图同设计实例一。这里重点介绍吊车荷载的取用。（1）基本资料取得吊车的基本资料为：起重量5t；软钩；轻级工作制；跨度；起升高度12m；运行速度：小车min，大车min。（a）（b）图3-52吊车基本尺寸示意图吊车基本尺寸：B=4500mm，K=3400mm；轨道以上高度H=，B1=230mm；轨道型号：38kg/m；小车重量：，总重：；轮压：Fmax=，Fmin=。（2）吊车荷载的设计值吊车每个车轮的横向水平制动力T1：=×（50+17）/4=kN吊车竖向荷载的设计值（最大）：=××74=kN吊车竖向荷载的设计值（最小）：=××22=kN吊车横向水平荷载的设计值：=××=kN（3）吊车工况吊车荷载的共有八种工况：只考虑一台吊车时1）最大轮压在左，最小轮压在右，并且同时有向右的横向水平荷载2）最大轮压在左，最小轮压在右，并且同时有向左的横向水平荷载3）最大轮压在右，最小轮压在左，并且同时有向右的横向水平荷载4）最大轮压在右，最小轮压在左，并且同时有向左的横向水平荷载同时考虑两台吊车时5）最大轮压在左，最小轮压在右，并且同时有向右的横向水平荷载6）最大轮压在左，最小轮压在右，并且同时有向左的横向水平荷载7）最大轮压在右，最小轮压在左，并且同时有向右的横向水平荷载8）最大轮压在右，最小轮压在左，并且同时有向左的横向水平荷载因为结构具有对称性，故前两种情况就是典型的吊车荷载情况，如下图所示：（a）（b）图3-53两种典型的吊车荷载作用情况示意图（4）吊车荷载的影响线确定假定吊车梁为简支梁。简支梁在受到集中荷载作用时，支座反力的影响线如下图所示：（a）（b）图3-54吊车荷载的影响线示意图当只考虑一台吊车的作用时，吊车作用在刚架上的荷载考虑如下：竖向荷载=×=kN；=×=kN；横向水平荷载=×=kN；当同时考虑两台吊车的作用时，吊车作用在刚架上的荷载考虑如下：竖向荷载=×=259kN；=×=77kN；横向水平荷载=×=kN；将吊车梁的自重平均分配到刚架柱上，估计吊车梁的截面尺寸为380x300x8x10mm，则初步估算吊车梁自重为71kg/m，那么刚架柱上因此受到的集中力标准值为kN。3、荷载效应组合（1）恒载+活载（2）恒载+风载（3）恒载+吊车荷载（4）恒载+活载+×风载（5）恒载+×活载+风载（6）恒载+活载+×吊车荷载（7）恒载+×活载+吊车荷载（8）恒载+×风载+吊车荷载（9）恒载+风载+×吊车荷载（10）恒载+活载+×风载+×吊车荷载（11）恒载+×活载+风载+×吊车荷载（12）恒载+×活载+×风载+吊车荷载4、内力计算采用同济大学的3D3S钢结构辅助设计软件计算结构内力。（1）计算模型简图图3-55计算模型简图（2）内力图形对应图3-53所示的吊车荷载作用情况，下面给出考虑两台吊车同时作用时，刚架相应的内力图形：M图N图Q图（a）考虑两台吊车同时作用（横向水平荷载向右）M图N图Q图（b）考虑两台吊车同时作用（横向水平荷载向左）图3-56吊车荷载下的刚架内力图各单元信息如下表所示：表3-7单元信息表单元号截面名称长度(mm)面积(mm2)绕2轴惯性矩(x104mm4)绕3轴惯性矩(x104mm4)1柱460x180x6x1060006240973224872柱460x180x6x1033006240973224873L400x180x4x890454416778129534L400x180x4x890454416778129535柱460x180x6x1060006240973224876柱460x180x6x103300624097322487我们取如下所示的一种较不利的荷载组合进行构件的验算：恒载+×活载+×风载（左风）+×吊车荷载（吊车荷载工况5）。相应的构件内力如下表所示：表3-8组合内力表单元号小节点轴力N(kN)小节点剪力Q2(kN)小节点弯距M大节点轴力N(kN)大节点剪力Q2(kN)大节点弯距M1234565、构件验算构件验算与实例一相似，可以参照实例一的相应步骤进行，在此不再赘述。6、节点连接计算梁柱节点连接以及梁的对接节点的计算与实例一相似，这里仅给出牛腿及其和柱的连接验算。1）牛腿设计图3-57牛腿连接节点示意图牛腿所承受的组合内力值：牛腿承受一个吊车梁传来的偏心竖向力，包括吊车竖向荷载以及吊车梁的自重，力的大小为：259+×=kN。力的作用点距柱内边缘的偏心值为520mm，则牛腿与柱连接处所承受的力为：Q=kN，M=kN.M。I.牛腿与柱连接处的截面强度计算经计算牛腿的惯性矩为I=×106mm4，截面模量为Wn=731588mm3，腹板中点处的S=414900mm3，抗弯强度：=×106/731588=N/mm2抗剪强度：=264110×414900/（×106×8）=N/mm2腹板边缘处的折算应力：=×165/175=N/mm2可以偏安全地认为=N/mm2，则折算应力为：=N/mm2II.牛腿与柱连接处的焊缝强度计算焊缝全部采用角焊缝，焊脚尺寸取为9mm。焊缝布置如图3-58所示：图3-58焊缝布置图焊脚尺寸为9mm，则焊缝有效截面的投影宽度为=mm。经计算得到焊缝的惯性矩为Iwx=4mm4，截面模量为Wn=956744mm3。因为翼缘竖向刚度较差，所以假定全部剪力由牛腿腹板的焊缝承受，弯矩则由整个工字形焊缝来承受。抗弯验算：=×106/956744=N/mm2<=160N/mm2抗剪验算：腹板的竖向焊缝面积为=4032mm2=N/mm2<=160N/mm2腹板边缘的折算应力：=×165/=N/mm2可以偏安全地认为=N/mm2，则折算应力为：=N/mm2<=160N/mm2焊缝抗剪、抗弯均满足要求。2）柱脚设计3D3S软件计算得到柱脚的最大反力值为：M=，N=kN，Q=kN。柱脚采用如图所示柱脚形式。图3-59柱脚形式示意图I.确定底板尺寸底板的长度和宽度应根据设置的加劲肋等补强板件和锚栓的构造特点来确定。初步确定L=750mm，B=490mm，锚栓孔的布置位置如图3-60所示。底板的长度和宽度应满足下列公式的要求：经计算可得：=+=N/mm2

图3-60锚栓孔的布置图II.确定底板厚度三边支承板及两相邻边支承板：。对于柱内区格：b1=242mm，a1=237mm，b1/a1=，查表得到。相应区格内的最大应力为：q=N/mm2，所以M1=25642N.mm/mm。锚栓区格：b1=145mm，a1=218mm，b1/a1=，查表得到。相应区格内的最大应力为：q=N/mm2，所以M2=10379N.mm/mm。所以Mmax=25642，由此计算底板得厚度：=，取板厚为30mmIII.确定锚栓直径：锚栓计算简图参见图8-13。底板上单位面积上的压力为：=+=N/mm2=—=—N/mm2=407mm=239mm=529mm则锚栓所承受的拉力为：=kN。考虑到锚栓应留有一定余量，选取Q345钢的锚栓，直径为36mm，单个锚栓承载力147kN。I.确定各加劲板件的长度、宽度和厚度尺寸加劲板件的强度及其与柱板件和柱脚底板的连接可近似的按照下列公式计算：（1）（2）其宽厚比不宜超过。2号类型加劲板件：其所承受的作用剪力为：=（145/2+237/2）×155×=kN或者=270取两者之间的大值来确定板件高度。板件厚度按照宽厚比限值计算取厚度为10mm。按照下面的公式确定板件高度：=216mm取板件高度为350mm。焊缝长度按照如下公式确定，取焊脚尺寸为hf=8mm：=301mm所以板件与柱之间满焊，焊缝长度350mm，计算长度lw=340mm<60hf满足构造要求。3号类型加劲板件：与2号类型加劲板件的计算过程类似，所得结果与2号类型加劲板件的尺寸一致。4号类型加劲板件：其所承受的作用剪力为：=237×242×=kN用来确定板件高度。板件厚度按照宽厚比限值计算取厚度为14mm。按照如下公式确定板件高度：=85mm取板件高度为350mm焊缝长度按照下面的公式确定，取焊脚尺寸为hf=6mm：=259mm所以板件与柱之间满焊，焊缝长度350mm，计算长度lw=340mm<60hf满足构造要求。四、设计实例三1、设计资料门式刚架车间柱网布置：长度60m；柱距6m；跨度18m。檐口净高9m；屋面坡度1：10；屋面材料：夹心板；墙面材料：夹心板；有夹层，夹层标高5m。楼面材料：采用压型钢板组合楼面，压型钢板型号YX70-200-600，板厚为，楼面混凝土标号C15；天沟：钢板天沟；基础混凝土标号为C25，fc=mm2；材质选用：Q235-Bf=215N/mm2f=125N/mm2。2、荷载信息屋面恒载：m2；屋面活载：KN/m2；屋面雪载：KN/m2；楼面恒载：m2；楼面活载：m2；风载：基本风压W0=KN/m2，地面粗糙度B类，风载体型系数如下图：图3-61风载体型系数示意图将楼面荷载转化为主梁上的线荷载，同时应考虑楼面活载的最不利位置。楼面主梁上的荷载为：恒荷载KN/m2，活荷载KN/m2。典型的楼面活载不利位置如图3-62所示：

图3-62楼面活载不利位置示意图3、荷载效应组合（1）恒载+活载（2）恒载+风载（3）恒载+活载+×风载（4）恒载+×活载+风载4、内力计算采用同济大学的3D3S钢结构辅助设计软件进行内力计算。（1）计算模型简图：图3-63计算模型简图（2）内力图形图3-64恒+活（活载满布）组合下的刚架内力图各单元信息如下表：表3-8单元信息表单元号截面名称长度(mm)面积(mm2)绕2轴惯性矩(x104mm4)绕3轴惯性矩(x104mm4)AB350x200x8x1050006640133513959BC350x200x8x1043006640133513959CDL400x180x4x89045441677812953DEL400x180x4x89045441677812953FG350x200x8x1050006640133513959EF350x200x8x1043006640133513959HI350x200x8x1050006640133513959JK350x200x8x1050006640133513959BJL450x200x8x1060007440133524664JHL450x200x8x1060007440133524664HFL450x200x8x1060007440133524664取如下所示的一种较不利的荷载组合进行构件的验算：恒载+×活载（活载满布）。相应的构件内力如表3-9所示。表3-9组合内力表单元号小节点轴力N(kN)小节点剪力Q2(kN)小节点弯距M大节点轴力N(kN)大节点剪力Q2(kN)大节点弯距MABBCCDDEFGEFHIJKBJJHHF5、构件验算构件验算与实例一相似，可以参照实例一的相应步骤进行，在此不再赘述。6、节点连接计算梁柱节点连接以及梁的对接节点的计算与实例一相似。（1）楼面梁与中柱的连接节点计算：图3-65楼面梁与中柱连接节点示意图节点处组合内力值：M=，Q=kN，N=kN。考虑剪力全部由腹板及其连接来传递，采用摩擦型级M24高强螺栓。弯矩按照梁截面上腹板与翼缘的刚度比例分配，则翼缘承受的弯矩Mf和腹板承受的弯矩Mw按以下方法计算：梁截面绕强轴的惯性矩=×106mm4，腹板绕强轴的惯性矩Iwx=×106mm4。Mw=（Iwx/Ix）×M=Mf=M—Mw=1）螺栓计算连接处构件表面采用喷砂处理，则每个螺栓抗剪承载力为：=×1××155000=采用8个M24高强螺栓，螺栓群布置如图3-66所示：图3-66螺栓群布置示意图则在剪力和弯矩同时作用下，螺栓群内单个螺栓所承受的最大剪力由两部分组成：=N/8=kN=Q/8=kN=kN=kN由图3-66可以看出螺栓1的受力最大，其合力为：=kN<=螺栓连接满足要求。2）连接板与柱子的焊缝计算连接板与柱子之间采用两条角焊缝进行连接，取焊脚尺寸为6mm，焊缝长度为380mm。焊缝在弯矩、剪力、轴力作用下的应力分别为：=N/mm2=N/mm2=N/mm2将以上三个应力值代入下式，得：=N/mm2<=160N/mm2连接板焊缝满足要求。3）梁柱连接处的焊缝计算翼缘采用四条角焊缝与柱子相连，取焊脚尺寸为10mm，焊缝长度为200mm，则翼缘焊缝所能承受的弯矩为：=>Mf=翼缘焊缝强度满足要求。（2）楼面主次梁连接节点的计算主次梁之间的连接做成铰接，次梁间距为2m，取次梁截面为L250x180x6x8。图3-37楼面主梁与次梁连接节点示意图节点处组合内力值：M=，Q=kN，N=kN。考虑剪力全部由腹板及其连接来传递，采用摩擦型级M16高强螺栓；连接板的长度和宽度按照螺栓连接的构造要求确定，连接板的厚度取10mm。1）连接板上的螺栓群计算连接处构件表面采用喷砂处理，则每个螺栓抗剪承载力为：=×1××70000=KN，采用4个M16高强螺栓，螺栓群布置如图3-37所示。则在剪力作用下，螺栓群内单个螺栓所承受的剪力为：=Q/4=KN<=KN螺栓连接满足要求。2）连接板与主梁间焊缝的计算连接板与主梁之间的连接焊缝采用双面直角角焊缝，取焊脚尺寸为8mm，焊缝计算长度lw通常仅考虑主梁腹板部分有效。作用在焊缝上的作用力，除了次梁端部的剪力外，还应考虑由于偏心所产生的附加弯矩的影响。偏心距为e=136mm，偏心弯矩=。焊缝在剪力和弯矩共同作用下的应力为：=N/mm2=×106/235200=N/mm2=N/mm2<=160N/mm2焊缝强度满足要求。7、压型钢板组合楼面的计算考虑压型钢板作为组合板，即压型钢板既作为模板，又作为楼板底面受拉配筋，待混凝土达到强度后组合受力。选定压型钢板型号为YX70-200-600，板厚为，如图3-38所示：图3-38YX70-200-600压型钢板截面示意图压型钢板腹板与水平面的夹角为：，腹板宽度=mm。计算得到的压型钢板截面特性如下表所示（忽略圆角影响）：表3-10截面特性计算表板件类别板件宽度bi（mm）至上边缘距离yi（mm）bi×yi（mm2）bi×yi2（×103）（mm3）（×103）（mm3）上翼缘130×3=390156————下翼缘50×3+42=19213363————腹板×6=3514511下折板×1=201192————292