門式剛架輕型鋼結構設計

1、門式剛架輕型鋼結構設計計算書1、工程情況：無吊車門式剛架跨度13.1m，剛架間距5m，共10榀。鋼架柱高4.6 m，屋面坡度1/6，屋面及墻板采用加JXB42-333-1000型巖棉夾芯彩色鋼制夾芯板，芯板面板厚為0.50mm，板厚為80mm，自重0.25 kN/m2，檁條為薄壁卷邊C型鋼，間距為1.5m，自重0.05kN/m2。鋼材采用Q235鋼，焊條為E43型。抗震設防烈度為6度。剛架梁在1/3處變截面。靜載：為0.2 kN/m2；活載：0.5 kN/m2 ；雪載：0.2 kN/m2；風載：基本風壓W0=0.55 kN/m2，地面粗糙度B類圖1.剛架簡圖2、鋼架的布置及類型 2.1鋼架的布

2、置按CECS102:2002規(guī)范,門式鋼架輕型鋼結構廣房的縱向溫度區(qū)(伸縮縫間距)應不達于300m,橫向溫度區(qū)段應不大于150m.該工程可不設伸縮縫.柱網(wǎng)及平面布置如圖2:圖2.剛架平面布置圖2.2鋼架的類型 根據(jù)門式鋼架類型鋼結構特點,為了充分利用材料的作用達到節(jié)省材料的目的,截面應選用變截面實腹式門式鋼架輕型鋼架結構。由于廠房內無吊車采用鉸接柱腳剛架。3、屋面構件與支撐設置 3.1屋面板根據(jù)保溫隔熱的要求及建筑外形設計要求,考慮施工方便選用JXB42-333-1000型巖棉夾芯彩色鋼制夾芯板, 芯板面板厚為0.50mm，板厚為80mm.。 3.2檁條根據(jù)屋面板對檁條的要求,檁條間距采用1.

3、5m.按荷載采用冷彎薄壁C型鋼C180x70x20x3,跨中設拉條一道. 3.3屋面支撐與柱間支撐為了保證廠房的強度 ，空間結構的穩(wěn)定性，門式鋼架結構左右跨橫梁頂面設置橫向水平支撐，在柱間設置柱間支撐。 屋面橫向支撐 根據(jù)CECS102:2002的要求：屋蓋的橫向支撐和柱間的支撐一般設置在溫度區(qū)段端部或第一或第二開間區(qū)。柱間支撐布置如圖3：圖3.剛架柱間支撐布置圖 （1）柱間支撐設計：柱間支撐計算簡圖見圖4. 按CECS102：2002 附錄A： 按GB50009-2001 低于10m 取 按一半山墻荷載的考慮節(jié)點活荷載標準值： 即節(jié)點荷載設計值： 圖4.柱間支撐計算圖 柱間支撐構件為柔性構件

4、只能承受拉力。則： 直桿的反力設計值： 斜桿的反力設計值：（2）桿件驗算直桿承受壓力采用C180×70×20×3.0按軸心壓桿進行驗算，斜桿受拉采用圓鋼就按軸心拉桿驗算。 1）直桿：截面性質 強度驗算：滿足要求 剛度：滿足要求穩(wěn)定性：只需要驗算平面外的穩(wěn)定性：B類截面查表得 ，滿足要求。 b）斜桿：截面性質 強度驗算： ，滿足要求。 剛度驗算：張緊的圓鋼不需要考慮長細比。 34墻梁設計墻板采用加JXB42-333-1000型巖棉夾芯彩色鋼制夾芯板。按文獻 （4）中墻梁截面選用表11-1，墻梁選用冷彎薄壁卷邊槽鋼C160×60×20×2

5、0，跨中設拉條一道。4、荷載計算 4.1 荷載取值計算（標準值）： （1）恒載：屋面板（JXB42-333-1000型巖棉夾芯彩色鋼制夾芯板）； 0.25 檁條及支撐： 0.15 鋼架橫梁： 0.15 靜載： 0.2 墻面及柱的自重 ： 0.5 （2）活載： 雪載： 0.2 屋面均布活載：由于剛架的受荷水平面積為13.1×565.560,所以屋面活荷載取為0.3 根據(jù)GB5009-2001兩種取最大值。取活載 0.3 （3）風荷載：圖5風荷載體形系數(shù)與風荷載作用 基本風壓 地面粗糙類別B類，按CECS102：2002的規(guī)定，基本風壓乘以1.05的系數(shù)。即 以柱頂為標準風壓高度變化系數(shù)

6、： 4.2 各部分作用荷載： （1）屋面恒載： 標準值： 設計值：柱身恒載：0.5×5=2.5 設計值：2.5×1.2=3 (2) 屋面活荷載： 標準值： 設計值： （3）風荷載： 僅以左風為例，右風相反。屋面風壓設計值； 柱頂集中風載設計值（對于鉸接變截面柱按簡化取上半段風載為集中風載作用于柱頂計算） 則風荷載作用如圖6：圖6.風荷載作用圖 5、 截面初擇截面初選按以下的方法進行，單跨雙坡對稱實腹式變截面剛架的幾何尺寸如圖7所示 ： 圖7.剛架截面初選，由于一般情況下取，故取選取截面的特性如表1所示：表1.截面特性截面柱梁大頭小頭大頭小頭60404840604044405

7、.13柱截面的平均慣性矩： 梁截面的平均慣性矩： 6、內力和側移計算 6.1 內力計算內力計算采用彈性分析法。用梁，柱平均剛度將梁，柱簡化為等截面剛梁，然后采用結構力學求解器進行求解。 屋面恒荷載作用1）輸入文件結點,1,0,0結點,2,0,4.6結點,3,4.37,5.33結點,4,6.55,5.69結點,5,8.73,5.33結點,6,13.1,4.6結點,7,13.1,0單元,1,2,1,1,0,1,1,1單元,2,3,1,1,1,1,1,1單元,3,4,1,1,1,1,1,1單元,4,5,1,1,1,1,1,1單元,5,6,1,1,1,1,1,1單元,6,7,1,1,1,1,1,0結點

8、支承,7,4,0,0,0結點支承,1,4,0,0,0單元荷載,2,3,4.56,0,1,90單元荷載,3,3,4.56,0,1,90單元荷載,4,3,4.56,0,1,90單元荷載,5,3,4.56,0,1,90單元荷載,6,3,0.5,0,1,180單元荷載,1,3,0.5,0,1,0單元材料性質,1,1,-1,10.1,1,-1,-1單元材料性質,2,5,-1,7.9,1,-1,-1單元材料性質,6,6,-1,10.1,1,-1,-12）輸出文件桿端內力值 ( 乘子 = 1)- 桿端 1 桿端 2 - - 單元碼 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩- 1 -32.1680567 -11.1

9、679836 0.00000000 -29.8680567 -11.1679836 -51.3727247 2 -15.9364929 27.6197595 -51.3727247 -15.9364929 7.41643782 26.2421401 3 -15.9226684 7.44605745 26.2421401 -15.9226684 -2.62937580 31.5634290 4 -15.9226684 2.62947240 31.5634290 -15.9226684 -7.44596085 26.2423535 5 -15.9363403 -7.41634107 26.2423

10、535 -15.9363403 -27.6196628 -51.3720827 6 -29.8679369 11.1678440 -51.3720827 -32.1679369 11.1678440 0.00000000-3）內力圖（設計值）a.M圖（kNm）b.V圖（kN）c.N圖（kN）圖8.剛架在恒荷載作用下的內力圖 屋面活荷載作用：1）輸入文件結點,1,0,0結點,2,0,4.6結點,3,4.37,5.33結點,4,6.55,5.69結點,5,8.73,5.33結點,6,13.1,4.6結點,7,13.1,0單元,1,2,1,1,0,1,1,1單元,2,3,1,1,1,1,1,1單元,

11、3,4,1,1,1,1,1,1單元,4,5,1,1,1,1,1,1單元,5,6,1,1,1,1,1,1單元,6,7,1,1,1,1,1,0結點支承,7,4,0,0,0結點支承,1,4,0,0,0單元荷載,2,3,2.13,0,1,90單元荷載,3,3,2.13,0,1,90單元荷載,4,3,2.13,0,1,90單元荷載,5,3,2.13,0,1,90單元材料性質,1,1,-1,10.1,1,-1,-1單元材料性質,2,5,-1,7.9,1,-1,-1單元材料性質,6,6,-1,10.1,1,-1,-12）輸出文件內力計算桿端內力值 ( 乘子 = 1)- 桿端 1 桿端 2 - - 單元碼 軸

12、力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩- 1 -13.9515265 -5.21662394 0.00000000 -13.9515265 -5.21662394 -23.9964701 2 -7.44404602 12.9013350 -23.9964701 -7.44404602 3.46425714 12.2578417 3 -7.43756104 3.47809262 12.2578417 -7.43756104 -1.22819528 14.7434438 4 -7.43753052 1.22824040 14.7434438 -7.43753052 -3.47804750 12.2579

13、414 5 -7.44393921 -3.46421195 12.2579414 -7.44393921 -12.9012898 -23.9961702 6 -13.9514705 5.21655874 -23.9961702 -13.9514705 5.21655874 0.00000000-3）內力圖a.M圖（kNm）b.V圖（kN）c.N圖（kN）圖9.剛架在活荷載作用下的內力圖 風荷載作用：1）輸入文件結點,1,0,0結點,2,0,4.6結點,3,4.37,5.33結點,4,6.55,5.69結點,5,8.73,5.33結點,6,13.1,4.6結點,7,13.1,0單元,1,2,1,

14、1,0,1,1,1單元,2,3,1,1,1,1,1,1單元,3,4,1,1,1,1,1,1單元,4,5,1,1,1,1,1,1單元,5,6,1,1,1,1,1,1單元,6,7,1,1,1,1,1,0結點支承,7,4,0,0,0結點支承,1,4,0,0,0結點荷載,2,1,7.43,0結點荷載,6,-1,4.65,180單元荷載,2,-3,2.43,0,1,90單元荷載,3,-3,2.43,0,1,90單元荷載,4,-3,2.02,0,1,90單元荷載,5,-3,2.02,0,1,90單元材料性質,1,1,-1,10.1,1,-1,-1單元材料性質,2,5,-1,7.9,1,-1,-1單元材料性

15、質,6,6,-1,10.1,1,-1,-12）輸出文件內力計算桿端內力值 ( 乘子 = 1)- 桿端 1 桿端 2 - - 單元碼 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩- 1 19.3114637 11.3988963 0.00000000 19.3114637 11.3988963 52.4349234 2 7.09643555 -18.3936411 52.4349234 7.09643555 -7.62739736 -5.20887197 3 7.08251953 -7.64048352 -5.20887197 7.08251953 -2.27133817 -16.1590800 4 5.

16、97656250 -4.42773271 -16.1590800 5.97656250 0.03550746 -21.0114454 5 5.97607422 0.02441674 -21.0114454 5.97607422 8.97413382 -1.07716780 6 9.83613824 0.23416691 -1.07716780 9.83613824 0.23416691 0.00000000-3）內力圖a.M圖（kNm）b.V圖（kN）c.N圖（kN）圖10.剛架在風荷載作用下的內力圖 6.2側移驗算（采用標準值計算）： 剛架梁坡度 1：6 1：5 ，故柱頂?shù)膫纫瓢聪掠嬎悖河捎?/p>

17、無吊車梁，處于6度地震區(qū)故水平力作用有風載引起.。柱頂?shù)牡刃搅Γ?剛度與梁的線剛度比值 則剛架柱頂?shù)乃絺纫啤?墻板為輕型鋼板墻得 滿足要求。7）內力組合 7.1選取控制截面。 由于剛架布置，恒載和活載作用下對稱。故選擇取控制截面為 a-a，b-b，c-c，d-d，e-e。如圖所示： 圖11.剛架控制截面 7.2內力組合：內力組合考慮以下三種 (1)永久荷載+活荷載 (2)永久荷載+風荷載 （3）永久荷載+0.85（活荷載+風荷載） 組合內力見表2：表2.剛架組合內力：截面內力恒荷載活荷載風荷載恒荷載+活荷載恒荷載+風荷載恒荷載+0.85（風荷載+活荷載）a-aN-32.17-13.951

18、9.31-46.12-12.86-27.61V-11.12-5.2211.4-16.340.28-5.87M000000.00b-bN-29.87-13.9519.31-43.82-10.56-25.31V-11.12-5.2211.4-16.340.28-5.87M-51.37-2452.43-75.371.06-27.20c-cN-15.94-7.447.1-23.38-8.84-16.23V27.6212.9-18.3940.529.2322.95M-51.37-2452.43-75.371.06-27.20d-dN-15.94-7.447.08-23.38-8.86-16.25V7.4

19、23.46-7.6410.88-0.223.87M26.2412.26-5.2138.521.0332.23e-eN-15.92-7.447.08-23.36-8.84-16.23V-2.63-1.23-2.27-3.86-4.9-5.61M31.5614.74-16.1646.315.430.35注：表中N、V的單位為kN，M的單位為kN·m。8、結構截面驗算 8.1 剛梁橫梁和柱的計算長度 （1）橫梁在剛梁平面內的計算長度 由于剛架坡度1：61：5，因此，剛架橫梁在平面內穩(wěn)定性能夠得到保證，不需要驗算平面內的穩(wěn)定性。（2）橫梁在剛梁平面內的計算長度考慮屋面壓型鋼板與檁條緊密的連接

20、，有一定的蒙皮效應，在出平面能起到支撐作用，但為了安全計算長度按兩個檁條之間考慮即 剛架柱的計算長度剛架柱在剛架平面內的計算長度采用一階分析法來計算;柱頂在水平位移作用下的側移剛度 當門式鉸接單跨對稱：柱在平面內計算長度：（2）柱在平面外的計算長度考慮屋面壓型鋼板與墻梁緊密的連接，有一定的蒙皮效應，在出平面能起到支撐作用，但為了安全計算長度按兩個墻梁之間考慮，即 8.2構件的局部穩(wěn)定性驗算由于梁柱的腹板厚度相同，翼緣寬度相同，因此僅驗算梁、柱大頭的局部穩(wěn)定： 柱大頭：翼緣部分：，滿足要求；腹板部分：滿足要求;梁大頭:翼緣部: 滿足要求;腹板部分：，滿足要求;梁柱局部穩(wěn)定性均滿足要求 8.3加勁

21、肋設置 （1）柱加勁肋：a-a其腹板均勻剪力 則柱腹板可不設加勁肋，僅在柱端設置加勁肋。 （2）梁加勁肋：C-C 截面： d-d 截面： 故，梁腹板可不設加勁肋，僅在梁端設置加勁肋8.4剛架梁的驗算 84.1 抗剪驗算剛梁截面的剪力最大處為c-c截面，但d-d截面較小且剪力比e-e截面大因而對c-c，d-d截面進行驗算：c-c截面：僅考慮支座加勁肋， ,滿足要求d-d截面：僅考慮支座加勁肋， 滿足要求 8.4. 2 彎，剪，壓共同作用下的強度驗算由于橫梁跨中可能出現(xiàn)較大彎矩，故除了驗算截面c-c，d-d，e-e處，尚應驗算該反彎點位置的強度。（1） 求反彎點位置：如圖12所示： 圖12.剛架梁

22、計算簡圖 令 相應的(2) c-c截面在彎，剪，壓共同作用下的強度驗算 c-c截面內力 ：梁翼緣承擔彎矩設計值=123.51kN>M，取M=Mf故，滿足要求。 （3）d-d截面：d-d截面內力 ：梁翼緣承擔彎矩設計值取故， ，滿足要求。（4） 對d-d截面和e-e截面均有，M<Mf，V<0.5Vu均取,， 均滿足要求。綜上，剛架橫梁在彎，剪，壓共同作用下強度滿足要求。 剛架梁穩(wěn)定性剛架橫梁的坡度1：6<1：5，故剛架橫梁不需要考慮其平面內的穩(wěn)定性問題，故僅驗算剛架橫梁在平面外穩(wěn)定性即可。 （1）變截面段 小頭截面：B類截面，查得：楔形受彎構件的整體穩(wěn)定性系數(shù)的計算：受壓

23、翼緣與受壓腹板1/3高度組成的截面繞y軸的回轉半徑，按小頭全截面受壓計算：則 則剛架梁變截面段的平面外穩(wěn)定性： 滿足要求等截面段 則： ,滿足要求。8.5剛架柱的驗算 8.51 剛架柱的抗剪驗算 由于柱頂和柱腳剪力相等 V= 16.34KN，但柱腳截面較小，故僅對柱腳截面進行抗剪驗算：按僅有支座加勁肋考慮 ，滿足要求。8.52 剛架柱在彎，剪，壓共同作用下的強度驗算對于柱腳a-a截面和柱頂 b-b截面，分別驗算其承受的內力分別為：a-a 截面 M=0 ，V = 16.34kN ， N= 46.12kN；b-b截面 M = 75.37kN， V= 16.34kN，N= 43.82kN （1）a-

24、a截面在彎、剪、壓共同作用下的強度驗算 故： 滿足要求 （2）b-b截面： 故： ，滿足要求。剛架柱的穩(wěn)定性驗算 （1）剛架柱平面內的穩(wěn)定性由于小頭截面彎矩作用為零，按全截面受壓故安全截面有效考慮。 按截面小頭計算長細比：B類截面查得剛架平面內的歐拉臨界力： 等彎系數(shù)則： 滿足要求 (2) 柱平面外的整體穩(wěn)定性B類截面查得等效彎矩系數(shù)：由于一端彎矩為零故：均勻彎曲楔形受彎雙軸對稱I字形截面桿件的 整體 穩(wěn)定性系數(shù)按下面方法求。 構件的楔率 受壓翼緣與腹板1/3高度組成截面繞y軸的回轉半徑，按小頭計算，全截面受壓： 則 故則，剛架柱在平面外的穩(wěn)定性：，滿足要求剛架整體穩(wěn)定性滿足要求9節(jié)點設計9.

25、1 梁柱的節(jié)點：剛架橫梁與剛架柱連接采用端板豎放的連接方式。螺栓采用10.9級M16高強度摩擦型螺栓進行連接 節(jié)點構造及螺栓布置 （1）節(jié)點的構造見圖13圖13.梁柱節(jié)點構造和端板（2） 螺栓的布置 端板螺栓應成對對稱布置， 在受拉和受壓翼緣都應布置 。并且宜使用螺栓群中心與翼緣中心重合或接近，因此采用將端板伸出截面高度如圖13所示： 螺栓強度驗算 螺栓采用10.9級M16 高強度摩擦型，查得每個螺栓預應力P=100KN，構件接觸面采用噴砂處理，摩擦面抗滑采用連接處傳遞內力直接用c-c截面內力即：M =75.37kN·m N = 23.38 kN， V = 40.52 kN （1）螺

26、栓抗剪驗算： 每個螺栓抗滑承載力設計值為： 螺栓群的抗剪承載力設計值： ，滿足要求。 （2）每個 螺栓承受的拉力 ，滿足要求。（3） 最外排螺栓在拉、剪共同作用下的驗算： ，滿足要求。9.1.3 端板設計; 端板的平面180×580（1） 端板的厚度：按兩邊支撐類端板計算 選取端板厚度20mm，滿足要求。（2） 端板設螺處腹板的強度： ，滿足要求。9.1.4 梁柱節(jié)點域驗算 ，滿足要求。 綜上，梁柱節(jié)點采用端板豎放的方式連接，端板為，螺栓選用10顆10.9級M16摩擦型高強螺栓。9.2 剛架橫梁屋脊處節(jié)點連接 同梁柱連接一樣采用端板豎放，螺栓連接的方式，螺栓仍選用10.9級M16摩擦型高強螺栓，節(jié)點的構造、端板及螺栓的布置見圖15所示。（1） 螺栓群的抗剪承載力 ，滿足要求（2） 各螺栓承受的拉力 （3） 最外排螺栓在拉、剪共同作用下的驗算： ，滿足要求（4） 端板的厚度：按三邊支撐類考慮 選取端板厚度20mm，滿足要求。（5） 端板設螺處腹板的