集团轻钢结构设计-建筑钢结构课程设计[优秀]

1、 建筑钢结构课程设计专业班级 学 号 姓 名 指导老师 完成时间 1 设计基本资料1.1设计题目:*集团轻钢结构设计1.2建设地点:武汉市1.3工程概况*集团轻钢结构房屋工程的具体要求如下:1)长度为122.4米,跨度24米,柱网为5.1米,檐口高度为8米,屋面坡度为1/12,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:静荷载当有吊顶时为0.45 kN/米2;活荷载为0.3 kN/米2(计算刚架时)、0.5 kN/米2(计算檩条时);基本风压0.35 kN/米2,地面粗糙度为B类;雪荷载为0.5 kN/米2;地震设防烈度为6度.1.4设计原始资料1

2、)材料规格钢材:门式刚架采用Q345-B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.2)地震设防烈度6度;1.5建设规模以及标准建筑规模:建筑面积约,为单层钢结构建筑.1.6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)2 建筑设

3、计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)设计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

4、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.2.2建筑布置考虑工艺、结构和经济三方面要求,按照设计规范,厂房可不设置伸缩缝.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75米米厚岩棉夹芯彩板,在其纵横向搭接处均应设置连续密封胶条.屋面的坡度为1:12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-0.3米,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作面漆.3 结构设计计算书3.1结构体系本设

5、计结构体系为横向单跨双坡门式刚架承重体系,跨度24米,门式刚架斜梁坡度为1:12.纵向为檩条支撑体系,24跨,柱距5.1米.屋面板和墙面板采用75米米厚岩棉夹芯彩板,在其纵横向搭接处均应设置连续密封胶条.3.2结构布置1.柱网布置综合考虑工艺、结构及经济三个方面的要求,确定厂房柱网布置为:纵向24跨,跨度5.1米,横向单跨,跨度24米.2.横向框架结构的主要尺寸、框架柱及横梁(1) 横向框架的结构尺寸采用单跨双坡门架,门架横梁与门架柱刚性连接,刚架柱与地基础的连接为锚栓刚性连接.结构示意图如下:图1 结构示意图框架主要尺寸为:(1)跨度:24米(2)柱高:8米(3)柱距:5.1米(4)横梁坡度

6、为1:122.框架柱及横梁框架柱采用等截面H型钢柱,钢材采用Q345钢,横梁采用分段变截面焊接工字形截面,钢材采用Q345钢.3. 墙架及柱间支撑布置墙架系由横梁(墙梁)及拉条、窗镶边构件、墙架柱、抗风柱等构件组成.其作用是支撑墙体,保证墙体的稳定,墙体承受风荷载传递到厂房骨架和基础上.柱间支撑为交叉腹杆体系,交叉腹杆体系最为经济且刚度较大.4. 屋盖支撑布置门式刚架的屋盖支撑体系由纵向水平支撑、横向水平支撑和系杆构成.3.3静力计算简图选取轴刚架为典型单元进行静力计算,计算单元如图所示:图2 计算单元3.4荷载计算1.荷载取值计算恒载(坡向):结构自重(包括屋面板、檩条、保温层及刚架自重)无

7、吊顶(檩条计算) 0.2 kN/米2有吊顶(刚架计算) 0.45 kN/米2活载:计算刚架取0.3kN/米2 ;计算檩条取0.5kN/米2雪载:0.5 kN/米2风荷载:基本风压按荷载规范GB50009-2001取,地面粗糙等级B级,基本风压:0.35 kN/米2;由于柱高小于10米,不考虑高度变化系数,故取基本风压为0.35 kN/米2.风载体形系数按表A.0.2-1选取:图3 风载体形系数3.5檩条设计1)截面选型按 ,檩条跨度6米,檩条高度,从而初选C形檩条14050202.5,檩距为1.5米,檩条跨度大于4米,故在檩条间跨设置拉条,在檐中处设置斜拉条和刚性撑杆.2)荷载标准值永久荷载:

8、 压型钢板(含保温) 檩条(包括拉条)合计 可变荷载:屋面均布活荷载和雪荷载的最大值为.3)内力计算(1)永久荷载与屋面活荷载组合檩条线荷载 弯矩设计值 (2)永久荷载与风荷载吸力组合按建筑结构荷载规范GB500092001,房屋高度小于10米,风荷载高度变化系数取10米高度处的数值,.按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102: 2002附录A,风荷载体型系数为 (边缘带),.垂直屋面的风荷载标准值:檩条线荷载: 弯矩设计值(采用受压下翼缘设拉条的方案) 4)截面选择及截面特性(1)选用,;先按毛截面计算的截面应力为: (压) (压)(拉)(2)受压板件的稳定系数 腹板腹板为加劲板件,由

9、冷弯薄壁型钢结构技术规范公式 上翼缘板上翼缘板为最大压应力作用于部分加劲件的支承边,由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式 (3)受压板件的有效宽度腹板,由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式 按冷弯薄壁型钢结构技术规范公式计算的板组约束系数为 由于,则, ,因为 ,按冷弯薄壁型钢结构技术规范公式 计算的截面有效宽度为 由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式, , 上翼缘板, 按冷弯薄壁型钢结构技术规范公式计算的板组约束系数为 由 ,则,所以 ,按冷弯薄壁型钢结构技术规范公式 计算的截面有效宽度为由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式,.下翼缘板下翼缘板全截面受拉,全部有效.有效净截面模量有效净截面模量为:,5)强度计算屋面

10、能阻止檩条侧向失稳和扭转,冷弯薄壁型钢结构技术规范公式 6)稳定计算(1)有效截面模量永久荷载与风吸力组合下的弯矩小于永久荷载与屋面可变荷载组合下的弯矩,根据前面的计算结果,可以取: , ,(2)受弯构件的整体稳定系数 按冷弯薄壁型钢结构技术规范附录A中A.2的规定计算,查表,跨中设一道侧向支承,(取正值) (3)风吸力使檩条下翼缘受压,按冷弯薄壁型钢结构技术规范公式 计算的稳定性为: 计算表明永久荷载与风荷载组合不起控制作用.7)挠度计算 8)构造要求 , 故此檩条在平面内、外均满足要求.3.6 墙梁设计1) 截面选型初选形墙梁,间距为,墙梁跨度大于,故在墙梁间跨设置拉条一道.如图4.图4

11、墙梁布置2) 荷载标准值永久荷载: 压型钢板(含保温) 墙梁(包括拉条) 合计 3) 内力计算墙梁所受荷载设计值竖向: 水平: (压力) (拉力)墙梁所受荷载标准值竖向: 水平: (压力) (拉力)荷载组合考虑两种情况:; (1)竖向荷载产生的弯矩.由于墙梁跨中竖向设有一道拉条,可视为墙梁支承点. (2)水平荷载、产生的弯矩、.墙梁承担水平方向荷载作用下,按单跨简支梁设计内力,则迎风: 背风:(3)剪力:在竖向荷载作用下,两跨连续梁的最大剪力为在水平方向的剪力按单跨简支梁计算迎风 背风 4) 截面验算由初选墙梁截面形槽钢,查表得其截面特性:;(1)各板件端的应力值为:迎风: (拉)(拉)(压)

12、(压)背风: (压)(压)(拉)(拉)(2)受压板件的有效宽度迎风:1-3板为加劲板件,由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式取计算, 3-4板为最大压应力作用于部分加劲件的支承边,由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式1-3板,由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式按冷弯薄壁型钢结构技术规范公式计算的板组约束系数为由于,则, , 1-3板截面有效 3-4板 ,按冷弯薄壁型钢结构技术规范公式计算的板组约束系数为由,则,所以,按冷弯薄壁型钢结构技术规范公式计算的截面有效宽度为由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式,1-2板全截面受拉,全部有效背风:1-3板为加劲板件,由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式取计算1-2板为最大压应力作用

13、于部分加劲件的支承边,由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式1-3板,由于,则, 所以1-3板全截面有效.3-4板 ,由,则, 所以,按冷弯薄壁型钢结构技术规范公式计算的截面有效宽度为由冷弯薄壁型钢结构技术规范公式,3-4板全截面受拉,全部有效.(3)有效净截面模量有效净截面模量为: ,5)强度计算(1)正应力:根据冷弯薄壁型钢结构技术规范公式迎风时, 背风时, (2)剪应力:根据冷弯薄壁型钢结构技术规范公式、 竖向剪应力 水平剪应力 6)稳定计算受弯构件的整体稳定系数按冷弯薄壁型钢结构技术规范附录A中A.2的规定计算.查表,跨中设一道侧向支承,(取正值) 按冷弯薄壁型钢结构技术规范公式计算的稳定性为

14、 7)挠度计算竖向:按两跨连续梁计算水平方向:按单跨简支梁计算8)构造要求 ,故此墙梁在平面内、外均满足要求.3.7抗风柱设计每侧山墙设置2根抗风柱,则每根抗风柱作用宽度为8米.1)荷载计算墙面及墙梁自重为 ,抗风柱自重约为风荷载:风压高度变化系数风压体型系数由门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102:2002附录A表A.0.2-4查出,风荷载标准值=单根抗风柱承受的均布荷载设计值:永久荷载设计值 风荷载设计值 风荷载标准值 2)内力计算取中间柱作为计算对象,计算模型如图5图5 抗风柱计算构件最大轴压力构件最大弯矩3)截面选择取工字形截面, 4)强度计算根据钢结构设计规范GB50017-2

15、003公式 5)稳定计算(1)弯矩作用平面内的稳定:根据钢结构设计规范GB50017-2003公式,绕强轴因为,所以查钢结构设计规范GB50017-2003附录C的b类截面,所计算段无端弯矩但有横向荷载,故(2)弯矩作用平面外的稳定:根据钢结构设计规范GB50017-2003公式,绕弱轴考虑墙梁隅撑的支持作用,计算长度取墙梁间距2米. 因为,所以查钢结构设计规范GB50017-2003附录C的b类截面,所计算段有端弯矩和横向何在作用,并使构件段产生同向曲率,故取,另 (3)挠度根据钢结构设计规范GB50017-2003附录A续表A.1.1,在横向风荷载作用下,抗风柱水平挠度为3.8门式刚架设计

16、1)计算简图:由计算条件可得各荷载取值如表1表1 组合内力荷载取值荷载名称荷载取值恒载0.45kN/米2活载0.3kN/米2风载0.35kN/米2雪载0.5kN/米2由表1可得出,雪荷载大于屋面活荷载,应取米ax(活载,雪载)=0.5kN/米2.依据各部分从属面积,从属宽度可以得到:屋面:恒荷载标准值:0.455.1=2.3kN/米雪荷载标准值:0.55.1=2.55kN/米刚架柱:恒荷载标准值:0.235.1=1.17kN/米风荷载标准值:基本风压 0=1.050.35kN/米2=0.3675kN/米2迎风面:柱上qw1=0.36755.10.25=0.47kN/米横梁上qw2=0.3675

17、5.11.0=1.87kN/米背风面:柱上qw3=0.36755.10.55=1.03kN/米横梁上qw4=0.36755.10.65=1.22kN/米3)荷载效应组合(1)恒荷载作用内力计算根据前面所述,进行刚架恒荷载内里分析,内力计算荷载工况如图6所示.图6 恒荷载分析工况采用结构力学求解器求解内力,求解得到如下结果.刚架弯矩图、剪力图和轴力图分别见图7、8和9,数值见表2.图7 刚架恒载下弯矩图图8 刚架恒载下剪力图图9 刚架恒载下轴力图表2 恒载下刚架内力- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 -36959.9999 -11007.2742 0

18、.00000001 -27599.9999 -11007.2742 -88058194.3 2 -13261.3077 26590.5585 -88058194.3 -10969.2525 -914.104377 66534531.2 3 -10969.2525 914.104373 66534531.2 -13261.3077 -26590.5585 -88058194.4 4 -27600.0000 11007.2743 -88058194.4 -36960.0000 11007.2743 0.00000000-(2)活荷载作用内力计算根据前面所述,进行刚架活荷载内里分析,内力计算荷载工况

19、如图10所示.图10 活荷载分析工况采用结构力学求解器求解内力,求解得到如下结果.刚架弯矩图、剪力图和轴力图分别见图11、12和13,数值见表3.图11 刚架活载下弯矩图米图12 刚架活载下剪力图图13 刚架活载下轴力图表3 活载下刚架内力- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 -30599.9999 -12203.7171 -0.00000001 -30599.9999 -12203.7171 -97629737.2 2 -14702.7542 29480.8366 -97629737.2 -12161.5625 -1013.46354 737665

20、45.5 3 -12161.5625 1013.46354 73766545.5 -14702.7542 -29480.8366 -97629737.3 4 -30600.0000 12203.7171 -97629737.3 -30600.0000 12203.7171 -0.00000001-(3)左风荷载作用内力计算根据前面所述,进行刚架活荷载内力分析,内力计算荷载工况如图14所示.图14 左风荷载工况图采用结构力学求解器求解内力,求解得到如下结果.刚架弯矩图、剪力图和轴力图分别见图15、16和17,数值见表4.图15 左风荷载弯矩图图16 左风荷载剪力图图17 左风荷载轴力图表4 左风

21、荷载下刚架内力- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 22259.7916 11912.7421 0.00000000 22259.7916 8152.74216 80261937.3 2 9973.15570 -21505.8525 80261937.3 9973.15570 1011.92929 -43127820.3 3 10003.0867 -652.757577 -43127820.3 10003.0867 14037.9878 37461937.5 4 14820.2083 -8802.74219 37461937.5 14820.2083

22、 -562.742191 0.00000000(4)右风荷载作用内力计算根据前面所述,进行刚架活荷载内力分析,内力计算荷载工况如图18所示.图18 右风荷载工况图采用结构力学求解器求解内力,求解得到如下结果.刚架弯矩图、剪力图和轴力图分别见图19、20和21,数值见表5.图19 右风荷载弯矩图图20 右风荷载剪力图图21 右风荷载轴力图表4 右风荷载下刚架内力- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 14820.2083 562.742189 0.00000001 14820.2083 8802.74218 37461937.5 2 10003.0866

23、 -14037.9878 37461937.5 10003.0866 652.757577 -43127820.3 3 9973.15571 -1011.92928 -43127820.3 9973.15571 21505.8525 80261937.3 4 22259.7916 -8152.74217 80261937.3 22259.7916 -11912.7421 -0.00000001-4)荷载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:.本工程结构构件安全等级为二级,=1.0.有四种组合:(1)1.2恒载+1.

24、4米ax(活载,雪载);(2)1.2恒载+1.4风载;(3)1.2恒载+1.4米ax(活载,雪载)+1.40.6风载;(4)1.2恒载+1.40.7米ax(活载,雪载)+1.4风载;本工程不进行抗震验算.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,对于刚架梁,截面可能的最不利内力组合有:梁端截面:(1)米米ax 及相应的N、V; (2)米米in 及相应的N、V梁跨中截面:(1)米米ax 及相应的N、V; (2)米米in 及相应的N、V对于刚架柱,截面可能的最不利内力组合有:(1)米米ax 及相应的N、V; (2)米米in 及相应的N、V(3)N米ax 及相应的米米ax、V ;

25、(4)N米in 及相应的米米ax、V单元码节点码内力组合1(1.2恒+1.4活)组合2(1.2恒+1.4风)组合3(1.2恒+1.4活+1.40.6风)组合4(1.2恒+1.40.7活+1.4风)左风右风左风右风左风右风1A米0000000N-87.19-13.19-23.60-68.49-74.24-48.23-58.75V-30.293.4612.43-20.2929.82-8.5026.95B米-242.356.69-53.23-174.93-125.22-88.99-148.91N-75.96-1.95-13.37-67.59-67.16-31.33-41.07V-30.29-1.79

26、0.89-23.4422.90-13.7612.852B米-242.356.69-53.23-174.93-125.22-88.99-148.91N-36.49-1.96-1.91-26.90-24.04-19.85-19.83V73.181.80-12.3355.11-67.5930.68-41.14C米183.1119.4519.45146.88146.8891.7491.74N-29.380.790.84-24.04-24.04-8.97-8.87V-2.510.320.18-1.661.96-0.67-1.31表5 内力组合表5)截面预估柱截面:,截面面积A=5840,刚架斜梁断面:,

27、截面面积A=7440,6)截面验算按照门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102: 2002)2012版第(6.1.1)条规定验算.翼缘板自由外伸宽厚比:(200-8)/(210)=7.64,满足规程限值要求;腹板高厚比,满足规程限值要求.柱腹板高度变化率 (450-250)/8=25米米/米60 米米/米,故腹板抗剪可以考虑屈曲后强度.柱腹板不设加劲肋, ,所以,根据规程第(6.1.1)式(6.1.1-8、6.1.1-9)则其抗剪承载力设计值为:;梁腹板高度变化率 0米米/米60 米米/米,故腹板抗剪可以考虑屈曲后强度.梁腹板不设加劲肋,所以,根据规程第(6.1.1)式(6.1.1-8、

28、6.1.1-9)则其抗剪承载力设计值为:.(1)1号单元截面验算最不利组合内力值如下:A节点端 , B节点端 , 强度验算先计算1号单元A节点端柱下端弯矩为0,截面边缘正应力比值, , 因计算参数可用代替技术规程式(6.1.1-3)中的.根据技术规程式(6.1.1-3)求得.所以根据技术规程式(6.1.1-2)求得有效宽度系数,即此时1号单元A端截面全部有效.1号单元A节点端强度满足再计算1号单元B节点端(压)(拉)截面边缘正应力比值用代替技术规程式(6.1.1-3)中的, 根据技术规程式(6.1.1-4)求得根据技术规程式(6.1.1-3)求得.所以根据技术规程式(6.1.1-2)求得有效宽

29、度系数,即此时1号单元B端截面全部有效.节点端同时受到压弯作用,根据协会规程第(6.1.2)条的第2款规定进行验算1号单元B节点端强度满足稳定验算刚架柱平面内的整体稳定验算:根据技术规程第6.1.3条可求出楔形柱的计算长度系数.柱小头的惯性矩,大头惯性矩;梁的最小截面惯性矩.柱的线刚度 柱的线刚度,由规程表6.1.3查得.,.所用钢材为Q345-B,b类截面,故查钢结构设计规范(GB50017-2003)附录表C-2时,长细比换算为,查表得.楔形柱平面内稳定验算:刚架柱平面外的整体稳定验算: 钢架柱脚 抗风柱脚下段柱平面外稳定性验算: 考虑压型钢板墙面与墙梁紧密连接,起到应力蒙皮作用,与柱相连

30、的墙梁可作为柱平面外的支承点,计算时,按常规墙梁隅撑间距考虑,取.楔形柱平面外稳定验算:,换算长细比为,查表得0.464,柱楔率为, 按钢结构设计规范(GB50017-2003)规定,用代替, (2) 2号梁单元验算最不利组合内力值如下:B节点端 , C节点端 , 强度验算先计算2号单元B节点端(压)(拉)截面边缘正应力比值用代替技术规程式(6.1.1-3)中的,根据技术规程式(6.1.1-4)求得根据技术规程式(6.1.1-3)求得.所以根据技术规程式(6.1.1-2)求得有效宽度系数,即此时2号单元B端截面全部有效.节点端同时受到压弯作用,根据协会规程第(6.1.2)条的第2款规定进行验算

31、1号单元A节点端强度满足再计算2号单元C节点端:(压)(拉)截面边缘正应力比值用代替技术规程式(6.1.1-3)中的,根据技术规程式(6.1.1-4)求得根据技术规程式(6.1.1-3)求得.所以根据技术规程式(6.1.1-2)求得有效宽度系数,即此时1号节点端截面全部有效.节点端同时受到压弯作用,根据协会规程第(6.1.2)条的第2款规定进行验算2号单元C节点端强度满足.稳定验算根据技术规程第6.1.6条第一款的规定,实腹式刚架梁当屋面坡度小于10时,在刚架平面内可仅按压弯构件计算其强度.本例的屋面坡度为4.76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(G

32、B50017-2003)第五章第二节的规定进行验算2号梁单元.已知梁平面外侧向支撑点间距为3000 米米,即平面外计算长度L0y=3000米米.,梁为等截面,梁的截面惯性矩.梁钢材为Q345,换算长细比为,查表得0.650,=1.0.因,按照如下公式确定:按钢结构设计规范(GB50017-2013)规定,用代替,即.按2号单元B端的受力验算构件平面外的稳定性:7)节点设计(1)梁柱连接节点螺栓强度验算选取连接处最不利一组组合内力值:,. 螺栓验算:采用10.9级米24型摩擦型高强螺栓连接,预拉力,构件接触面采用处理方法为喷砂,摩擦面抗滑移系数.螺栓承受最大拉力值:螺栓抗拉满足要求.每个螺栓承受的剪力:螺栓抗剪满足要求.最外排螺栓验算: 满足要求.(2)端板厚度验算端板厚度取,按两边支承端板外伸计算(根据技术