单跨双坡门式刚架设计土木工程钢结构课程设计

单跨双坡门式刚架设计设计资料1车间柱网布置厂房为单跨双坡门式刚架（图1）。长度90m,柱距6m,跨度15m。门式刚架檐高6m,屋面坡度为1:10。:二二_।一二二二•一土二1.图1刚架简图2材料选用屋面材料：单层彩板墙面材料：单层彩板大沟：钢板大沟3结构材料材质钢材选用Q235-B,f=215N/mm2,fv=125N/mm2基础混凝土标号：C25,fc=12.5N/mm24荷载（标准值）I恒载：无吊顶，0.25kN/m2（不包括刚架自重）II活载：0.5kN/m2m风载：基本风压Wo=0.55kN/m2,地面粗糙度B类，风载体形系数如图2所示：TOC\o"1-5"\h\z--二-0,G5—~inLT猾「8<z>图2风载体形系数示意图V雪载：0.2kN/m2。本设计不考虑地震作用二单板刚架设计单极刚架的设计取中问板按照封闭式中间区单元进行.荷载组合计算刚架内力时，按照如下三种荷载组合进行：①1.2恒载+1.4活载；②1.2恒载+1.4黑活载+1.4M0.6风载；③1.2恒载+1.4x0.7父活载+1.4风载；④1.0恒载+1.4风载。计算位移变形时，按照以下三种荷载组合进行：①恒载+活载；②恒载+风载；③恒载+活载+0.6区风载。

.内力计算采用同济大学3D3S7.0钢结构辅助设计软件计算结构的内力①结构的计算模型。如图3所示：图3刚架计算模型②截面形式及尺寸初选根据柱的受力特点，且考虑经济性因素，柱采用楔形焊接H型钢；而梁由于跨度较小（15m）,若采用楔形会增加制作成本，因此梁采用等截面焊接H型钢。各个截面的信息见表1,截面形式见图4。表1截面信息表截回截卸名称长度(mm)面积(mm2)绕弱轴惯矩44（父10mm）绕弱轴截面模-33重（父10mm）绕强轴惯性矩44仔10mm）绕强轴截面模-33重（父10mm）I一I（小头）Z200〜400父160M4M857003296546682568257n-n（大头）570040965466811723586m-mL400M160"黑87537409615466811723586IV—IVL400M160"父8753740965466811723586I—I截面n—n截面m-m(iv-iv)截面图4梁柱截面示意图③各种工况下的荷载，如图5所小:(b)活载作用简图(c)左风荷载作用简图(d)右风荷载作用简图图5工况荷载图④各种工况下的内力运行3D3s7.0,结果如图6至图9及表格2所示-1■■■(a)N图(单位：kN)图6恒载作用下的刚架M、NQ图N图(单位：kN)Q图(单位：kN)(c)M图(单位：kNm)图7活载作用下的刚架M、NQ图(a)N图(单位：kN)（b）Q图（单位：kN）c）M图（单位：kNm）图8左风作用下的刚架M、NQ图（a）N图（单位：kN）（b）Q图（单位：kN）c）M图（单位：kNm）图9右风作用下的刚架M、N、Q图表2各工况作用下的截面内力截回内力恒载左风右风I一IM0000N-23.9-22.626.316.5Q46.8-12.42.3n一nM-24.9-41.359.119.2N-13.7-22.626.316.5Q46.8-7.4-3.5m-mM-24.9-41.359.119.2N-5.5-9.510.510.4Q-13.2-21.825.415.6M23.238.1-34.2--34.2W-IVN-4.2-7.210.510.4Q0.40.7-0.7-1.4⑤内力组合由以上软件计算内力，按照荷载组合规则进行计算，内力组合值如表3所示。表3内力组合值截回内力1.2恒+1.4活1.0恒+1.4活+1.0M0.6风1.2恒+1.4父0.7活+1.4风1.0恒+1.4风左风右风左风右风左风右风I一IM0.00.00.00.00.000N-60.32-38.23-46.46-14.01-27.7312.92-0.8Q14.323.916.25-5.9014.68-13.367.22n一nM-87.7-38.06-71.5712.39-43.4757.841.98N-48.08-25.99-34.22-1.77-15.4923.129.4Q14.328.111.381.16.56-6.36-0.9m-mM-87.7-38.06-71.5712.39-43.4757.841.98N-19.9-11.08-11.16-1.21-1.359.29.06Q-46.36-25.02-33.26-1.64-15.3622.368.64w-wM81.2-52.45-52.4517.3017.30-24.68-24.68N-15.12-6.3-6.382.62.4610.510.36Q1.460.870.280.19-0.79-0.58-1.563.构件截面验算因为门式刚架左右对称，因此只需验证半板刚架即可⑴局部稳定验算构件局部稳定验算是通过限制板件的宽厚比来实现的①柱翼缘——5肾噫”（满足要求）②柱腹板

hw200-16235235I—I截面—==46<250I250I250（才两足要求）tw4\fy,235「n截面1400^=96<250疹=250/亘=250（满足要求）

tw4\fy-235③梁翼缘b」16°一4浮=9.75<15叵=151亘=15（满足要求）TOC\o"1-5"\h\zt8\fy,235④梁腹板hw400-16235235—==96<250I=250]=250（#两足要求）tw4fy:235⑵强度及整体稳定验算楔形柱的腹板高度变化率为400—200=35.1mm/m<60mm/m,而梁因为是5.7等截面，因此高度变化率也符合<60mm/m的条件，所以考虑板件的屈曲后强度，腹板抗剪承载力按照下式计算：Vd=hwtwfv'o梁柱都不设置横向加劲肋。400-16200-16对于枉：kT=5.34hw==284mm,tw=4mm237k,235fy2844375.34235235=0.83因为0.8〈儿<1.4,所以f「=7—0.64(%—0.8)1fv=0.981fv=122.57N/mm2对于梁：七=5.34,hw=400-16=384mm,tw=4mmhwtw=3844=112337k:235fy375.34,235235因为0.8c九wm1.4,所以fv'=0—0.64(%—0.8)]fv=0.793fv=99.18N/mm21）1号单元（柱）的验算ai-i截面强度验算：①组合内力值i-I截面只存在轴力和剪力，分别验算截面的正应力和剪应力。正应力验算采用荷载组合：M12=0.0kNm,N12=-60.32kN,V12=14.32kN剪应力验算采用荷载组合：M12=0.0kNm,N12=-46.46kN,M2=16.25kN②强度验算正应力验算：3N_60.3210A一40962_2=14.73N/mm:二f=215N/mm弯矩为0,故截面的边缘正应力比值一：=1.0用”旧代替公式%=——>中的fy：28.1kc235fy2r=1.114.73=16.2kN/mmkc16^(1+P2+0.112(1-P)+(1+P)J62=4.0hwtw=200-16428.1k!235(R01)28.14,235/16.2因为%<0.8，所以P=1,即1号节点端截面全部有效。N2——2:13=14.73N/mm2:二f=215N/mm2AV12=16.25kN二Vd=hXfv=1844122.57=90.21kN经验算I-I截面强度满足条件。bn-n截面强度验算：①组合内力值n-n截面受到压弯作用，采用以下荷载组合进行验算：M21=T7.7kNm,N21=-48.08kN,V21=14.32kN②强度验算48.810387.7106WeaWe4096586103一2__2二161N/mmf=215N/mm348.810409687M…137N/rW586103故截面的边缘正应力比值=3因为叫cf因为叫cf,用'/r5代替公式九p=hw/tW28.1E.235fy中的fy：2r.；＞=1.1161=177kN/mm16-2-2-1「！-0.1121--1-16=20.47400-164V0.65hw；t400-164V0.65hw；tw28.1J"235（r二1）28.120.47.235/177因为，叩＜0.8，所以P=1,即2号节点端n-n截面全部有效。n-n截面受到剪力、弯矩、轴力的共同作用V21=14.32kN257d=0.5hwtwfv=0.53844122.57=94.13kN所以采用以下公式进行验算:M；=Me-NWe/Ae=f-N/人W215-48.8103/4096586103=119kNm__NM21=87.7kNm::Me经验算n-n截面强度满足条件。截面利用率M21M截面利用率M21MeN嘉川37c①号杆件整体稳定验算:①平面内计算高度确定楔形柱截面高度成线形变化，柱的小头惯性矩Ic0=2568M104mm4,柱的大头惯性矩Ic1=11723的大头惯性矩Ic1=11723M104mm4,Ic025681cl11723=0.219。斜梁为等截面,换算长度系数中=1.0,梁最小截面惯性矩联=11732M104mm4,s=7537mm。

4柱的线刚度：K「iF0—=20582mm3梁的线刚度：K2=」也=11732104=7783mm32-s21.07537根据KA=迺_=0.378以及L°=0.219查表得到楔形柱的计算长度系K1205821cl数％=1.21,所以柱的平面内计算长度L°x=%加0=1.21父5700=6897mm。②平面内稳定计算变截面柱的长细比，=L°x=6857=87.1Ic0Ae025681044096根据长细比查《钢结构设计规范》GB50017附表C-2得到杆件轴心受压稳定系数x=0.641NEx0二2E%1.1x22____5___二2.061025681.187.1NEx0二2E%1.1x22____5___二2.061025681.187.12=625.6kN平面内稳定验算:N。一xM：xAe01-N°/Nex0xWe1360.32101.087.71060.6412568||1-60.32/625.60.64158610336.64159.5=196.2N/mm2二f=215N/mm2故平面内稳定满足条件。③平面外稳定验算平面外柱的计算长度L0y=3000mm,柱的长细比L0y\Ic0yAe03000,5461042568=65.1根据长细比查《钢结构设计规范》GB50017附表C-2得到杆件轴心受压稳定系数y=0.78构件楔率=&-1=400200-1=1.0

柱底端弯矩为0,故等效弯矩系数「1N八JN'.60.32八”「60.32"2「1+0.75=1-+0.75父I=0.91Nex。'(Ne/j625.61625口图10图10柱的平面外稳定计算简图」s=10.023,lh0/Af=10.0231.0.3000200/8/180=1.41Iy01Q1二一Iy01Q1二一704381803=3888373mm41212Ay。=7068180=1860mm2」」w=10.00385F7^?=10.003851.03000/45.72=1.031」slIy0整体稳定系数」slIy0整体稳定系数1.41300045.72=92.5中_4320Aohoks4十，Bo235by-%o2WxoNa<4.4hoJfy43202568M200.1.41J/92.5父8j92.52257乂103V11.031J14.4黑200J=2,C6因为Qy>0.6,所以按照《钢结构设计规范》GB50017查出相应的

0.282%=1.07—=0.933。y2.06平面外稳定验算：N0.-tMN0.-tM:y'byWe360.32100.7825680.9187.71060.93358610330.1145.97176.1N/mm2二f=215N/mm2故平面外稳定满足条件O2）2号单元（梁）的验算am-m截面强度验算:①组合内力值出-出截面受到压弯作用，在风吸力的作用下，即在荷载组合M34=57.84kNm,N34=9.2kN,V34-22.36kN作用时，下翼缘受压。但是由于梁的下翼缘设置隅撑，截面对称，上下翼缘采用相同的计算长度，而且M/N/V值比包载与活载组合时的计算值小，所以下翼缘受压情况不予计算。只采用以下荷载组合进行验算:M34=-87.7kNm,N34=-19.9kN,V34=-46.36kN②强度验算19910387710610=154.5N/mm2:二f=215N/mm2We409658610We19.910387.71063AWe409658610=-144.8N/mm2故截面的边缘正应力比值一：=乙二1-1448-=-0.937o154.5kc1235f=kc1235f=中的fy：y因为。1<f，用\巴代替公式%=——28.1r；L=1.1154.5=169.95kN/mm2kc16J(1+Bj+0.112(11Pj+(1+P)16=22.41-0.9370.11210.9371-0.937hwtw400-16428.1"235(R二1)-28.122.4235/169.95=0.614因为,叩C0.8,所以P=1,即2号节点端出-出截面全部有效。出-出截面受到剪力、弯矩、轴力的共同作用V34=23.56kN二0.5Vd=0.5hwtwfv=0.5384699.18=114.26kN所以采用以下公式进行验算:M；=Me—NWe/Ae=f-N/AeWe33=215-19.9103/4096586103=123.14kNm__NM34=87.7kNm::Me经验算出-出截面强度满足条件。截面利用率M昔=-8江=0.712Me123.14bw-w截面强度验算:①组合内力值w-w截面受到压弯作用，在风吸力的作用下，即在荷载组合M43=-24.68kNm,N43=10.5kN,V43=0.58kN作用时，下翼缘受压。与截面出-出同样原因只采用以下荷载组合进行验算:M43=81.2kNm,N43=-15.12kN,V43=1.46kN②强度验算_NM15.1210381.210622「=———=7-=142.3N/mm二f=215N/mm1AW4096586103NM15.1210381.21062二2=---=-r=-134.88N/mmAWe409658610故截面的边缘正应力比值%L得~0.949。因为5<f,用丁r5代替公式，叩hwt28.1k二；235fy中的fy：kkcTOC\o"1-5"\h\z____2r。=1.1142.3=156.5kN/mm16-2-2-1「！-0.1121-P：)+(1:16=22.68400-164=0.5851-0.9490.1121400-164=0.58528.1k;235(R二1)-28.1,22.68,235/156.5因为九p<0.8,所以P=1,即3号节点端IV-IV截面全部有效。IV-IV截面受到剪力、弯矩、轴力的共同作用V43-0.0kN:二0.5Vd所以采用以下公式进行验算:M；=Me-NWe/Ae=f-N/人We33=215-15.1210/409658610=123.8kNmNM43=81.2kNm::Me经验算W-W截面强度满足条件。截面利用率M43叫=0.656123.8c②号杆件的平面外整体稳定验算:刚架斜梁应按照压弯构件计算平面外的稳定，计算方法按照《钢结构设计规范》GB50017的规定进行。平面外的计算长度Loy=3000mm,等截面梁的弱轴惯性矩1boy=546M104mm4。柱的长细比L0y3000,IL0y3000,Ib0yAe05461044096=82.17根据长细比查《钢结构设计规范》GB50017附表C-2得到杆件轴心受压稳定系数唧=0.6740「1.0=1.0因为即<120j235fy=120,所以其整体稳定系数彘y可以安装下列公式近似计算：TOC\o"1-5"\h\z22by-1.07-■—=1.07-82.17=0.917y4400023544000因为中by>0.6,所以用Qy'=1.07—喀2=1.07-壁82=0.762代替。y；：by0.917平面外稳定验算：N1tM_19.91031.01.087.7106yA。byWe-0.67440960.762586103=203.6N/mm2:二f=215N/mm2故平面外稳定满足条件。.位移计算⑴柱顶侧移计算柱脚为较接形式。水平力H=0.67W=0.67w1w2h=0.670.871.916.0=11.18kN图11刚架柱顶侧移荷载计算简图变截面柱的平均惯性矩：1ch「：1c01cl2-：.：2568117231042=7145.5104mm4横梁的平均惯性矩：Ib=11723104mm4刚架柱与刚架梁的线刚度比值tI刚架柱与刚架梁的线刚度比值tIcL7145.515…=二1.52hIb611723刚架在水平力作用下的柱顶侧移Hh3.uHh3.u2t=12EICc11.1810360003122.061057145.510421,52,-48.15mmu：::A.6000.80mm7575因此柱顶水平位移满足要求横梁挠度计算由3D3s7.0计算结果知,Wmax由3D3s7.0计算结果知,Wmax=73.2mm=：：lw1=—横梁在跨中挠度最大.9=75mm200200（轴力使梁受压）（轴力使梁受拉）LU.1图12梁柱连接节点示意图（轴力使梁受压）（轴力使梁受拉）LU.1图12梁柱连接节点示意图因此横梁挠度满足要求。.构件连接节点设计⑴梁柱节点设计梁柱节点连接采用端板竖放的连接形式，如图12所示连接处选用如下两组组合内力值：M1=-87.7kNm,N1=-19.9kN,V1=-46.36kNM2=57.84kNm,N2=9,2kNM=22,36kN①螺栓验算

采用8.8级M20摩擦型高强度螺栓连接，连接表面采用喷砂的处理方法，摩擦面的抗滑移系数N=0.45,预拉力P=110kN,则每个螺栓的抗剪承载力为：［N：］=0.9nfNP=0.9m1.0M0.45x110=44.55kN初步采用8个M20高强度螺栓。螺栓群的布置如图13所示。a在第一组荷载作用时：顶排螺栓的拉力最大…NMy1-19.987.7103242N\==；0.8P=88kNImax一2nxyi84242148抗拉满足第二排螺栓:N2NMy2N2NMy2n,、yi2-19.9887.7103148Z_T2~__24242148--二…”J-；小k\第三排螺栓:__3_N3NMy3N3NMy3-19.9-JkN424221482因为N3<0,所以取N3=0第四排螺栓：N4<0,取N4=0螺栓群的抗剪承载力Nv='、0.9nf」P-1.25Nti=0.91.00.452||.：110-1.2563.44110-1.2537.381102=254.3kNV=46.36kN:二Nv抗剪满足b在第二组荷载作用时：底排螺栓的拉力最大NMy19.257.84103242N二二maxn'、v：8424221482-，；二一；kN二0.8P=88k、

抗拉满足第三排螺栓:N3NMyN3NMy3二一'］、2n'y57,84103148二115二L4242148=一二：:。=:,、kX第二排螺栓:NMy2-N2晨=1.15-26.60--：.「,k、n'、小因为N2<0,所以取N2=0第一排螺栓：N1<0,取N1=0螺栓群的抗剪承载力Nvh,0.9nf5,P-1.25Nti=0.91.00,452||.：110-1.2544.64110-1.2527.751102=283.1kNV=22.36kN:二Nv抗剪满足⑵梁梁节点设计梁梁拼接节点连接形式如图14所示。连接处选用如下组合内力值：M1=81.2kNm,N1--15.12kN,V1-1.46kN图14梁梁连接节点示意图图15螺栓布置图（2—2）M2=-24.68kNm,N图14梁梁连接节点示意图图15螺栓布置图（2—2）①螺栓验算采用8.8级M16摩擦型高强度螺栓连接，连接表面采用喷砂的处理方法，摩擦面的抗滑移系数0=0.45,预拉力P=70kN,则每个螺栓的抗剪承载力为：Nb=0.9nf」P=0.91.00.4570=28.35kN初步采用12个M16高强度螺栓。螺栓群的布置如图15所示。a在第一组荷载作用时：底排螺栓的拉力最大zNMy1-15.1281.2103240Nmax2=~~~,222~n'yi124240152107=--。W=kN<0.8P=56kN抗拉满足因为剪力很小，所以无需验算剪力。b在第二组荷载作用时：因为弯矩与轴力都远小于第一组内力，所以无需验算螺栓的拉力。同时因为剪力值很小，故也不予验算。.柱脚设计按照计算假定，柱脚的形式为钱接，不能抵抗弯矩。剪力由底板与混凝土之间的摩擦力承担（若经过验算不满足，则需设置抗剪键）。柱脚的形式如图16所示，采用四个锚栓与基础连接。锚栓为M20,冗d=20mm,4=4父二父202=1256mm2。基础碎标号C25,fc=12.5N/mm2。4基础底板设计采用如下荷载组合进行：Nmax=-60.32kN,V=14.32kN⑴柱脚底板尺寸的确定1N底板长度L21N底板长度L2+A0B/TOC\o"1-5"\h\z1603201256=30.8mm