30门式钢架房屋钢结构课程设计计算书

'目录一、设计资料-3-二、结构平面柱网及支撑布置-4-三、荷载的计算-6-（1）、计算模型选取-6-（2）、荷载计算-8-（3）、内力计算-9-四、主钢架设计-15-（1）、刚架梁验算-19-（2）、刚架柱验算-20-（3）、位移验算-21-五、次结构结构-22-（1）梁柱节点设计-22-（2）梁梁节点设计-23-（3）柱间支撑的设计-26-（4）、檩条设计-27-（5）墙梁的构造与计算..............................................................-34-六、施工图设计-37-七、参考文献-37--36- 钢结构课程设计计算书一、基本设计资料某地欲建一轻钢厂房，拟采用单跨双坡门式刚架结构，共10榀。其设计资料如下（1）车间柱网布置柱距：6m跨度：30m（2）钢柱高度7m（3）屋面坡度：1/10（4）屋面、墙面材料：夹芯板；檩条及墙梁均采用冷弯薄壁卷边C型钢，间距1.5m。（5）荷载：1）屋盖永久荷载标准值：彩色压型钢板：50mm厚保温玻璃棉板:0.05kN/m2PVC铝箔及不锈钢丝网:0.02kN/m2檩条及支撑：0.10kN/m2刚架斜梁自重：0.15kN/m2悬挂设备：0.20kN/m22）屋面活载标准值：【b】计算刚架时为0.78kN/m2，计算檩条时为0.98kN/m23）风载：基本风压04kN/m2，地面粗糙度为B类。4）轻质墙面及柱自重：0.50kN/m2荷载计算：按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006年版）及《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002取值变形控制：按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002取值（6）材料：钢材：Q235B焊材：自动焊或E43型焊条的手工焊(7)设计依据：《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）《门式刚架轻型房屋钢构件》（JG144-2002）《钢结构高强度螺栓连接的设计施工及验收规程》（JGJ82-1991）《建筑钢结构焊接规程》（JGJ181-2002）-36- 高强度螺栓10.9级摩擦型高强度螺栓，摩擦面采用喷砂后涂无机富锌漆处理二、结构平面柱网及支撑布置该厂房长度6×10=60m，跨度30m，柱距6m，共有10榀刚架，由于纵向温度区段不大于300m、横向温度区段不大于150m，因此不用设置伸缩缝。檩条间距为1.5m。厂房长度60m，在厂房第二开间和中部设置屋盖横向水平支撑；并在屋盖相应部位设置檩条、斜拉条、拉条和撑杆；同时应该在与屋盖横向水平支撑相对应的柱间设置柱间支撑，柱间支撑不用分层布置。结构柱网布置图纵向框架立面布置图-36- 檩条平面布置图横向钢架立面-36- 柱间支撑三、荷载的计算1、计算模型选取取一榀刚架进行分析，柱脚采用铰接，刚架梁和柱采用变截面设计。厂房檐高6m,屋面坡度为1：10。因此得到刚架计算模型：钢架简图-36- 初选的梁、柱截面及其截面特性：部位截面简图截面特性刚架斜梁1-1剖面2-2剖面3-3剖面钢架柱4-4剖面-36- 5-5剖面-36- 2、荷载计算（一）荷载取值计算1．屋盖永久荷载标准值（对水平投影面）YX51-380-760型彩色压型钢板0.1550mm厚保温玻璃棉板0.05PVC铝箔及不锈钢丝网0.02檩条及支撑0.10刚架斜梁自重0.15悬挂设备0.20合计0.672．屋面可变荷载标准值屋面活荷载：计算刚架时为0.3，计算檩条时为0.5。对于单跨双坡屋面，屋面坡角α=5°42′38″。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）0.504．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，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，。风荷载体型系数：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《建筑抗震设计规范》GB50011的规定：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8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。（二）各部分作用的荷载标准值计算屋面：恒荷载标准值：；柱身恒荷载标准值：-36- 活荷载标准值：（屋面雪荷载小于屋面活载，故计算时去活荷载）风荷载标准值：（以风左吹为例，风右吹同理计算：根据公式计算：且，根据表查取1.0，根据门钢设计规范取下表。地面粗糙度取B类）计算模型及风载体型系数迎风面：侧面=1.0×0.25×0.42×7.2=0.76屋顶=－1.0×1.0×0.42×7.2=－3.02背风面：侧面=-1.0×0.55×0.42×7.2=-1.66横梁上=－1.0×0.65×0.42×7.2=－1.97（三）内力分析：采用结构矩阵分析方法计算钢架内力所得到的钢架在各种荷载作用下的弯矩（M）、剪力（V）、轴力（N）图以及钢架内力组合如下：（1）钢架恒载作用图（单位：kN/m)-36- -36- （1）活载内力包络图-36- （1）左风及右风荷载作用下的内力图：-36- （1）内力组合：(由于恒和活载关于结构竖向对称，因而风荷载只要考虑一个方向作用风荷载只引起剪力不同，而剪力不起控制作用)按承载力极限状态进行内力分析，需要进行以下内力组合1）1.2恒载效应+1.4活载效应2）1.2恒载效应+1.4风载效应3）1.2恒载效应+1.4活载效应+1.4风载效应4）1.2恒载效应+1.40.7活载效应+1.4风载效应各情况下的截面内力截面内力恒载活载左风1-1M-196.8-241.6315.8N-33.0-40.449.37V-35.3-41.456.972-2M35.335.3-10N-30.9-33.349.37V-14.3-22.224.183-3M33.450.3-48.7N-29.2-35.949.37V2.99.5-8.60-36- 6-6M-196.8-241.6315.8N-38.45-45.261.6V29.436.1-43.465-5M000N-45-45.261.6V29.436.1-50.83内力组合值截面内力组合1组合组合3组合41-1M-574.4205.96-309.128-30.81N-96.1629.518-54.69-10.074V-100.3237.398-52.47-3.1742-2M91.7828.3683.3862.954N-83.732.038-42.23-0.596V-48.2416.692-27.93-5.0643-3M110.5-28.169.5921.194N-85.334.08-43.83-1.104V16.78-8.569.560.754-4M-574.4205.96-309.128-30.808N-109.4240.1-57.68-4.196V85.82-25.56449.319.8145-5M0000N-117.2832.24-65.54-12.06V85.82-35.8843.12-0.504控制内力组合的项目有1）与相应的N,V（意最大正弯矩控制）2）3）4）-36- 所以以上内力组合值，各截面的控制内力为：1-1：M=0KN.mN=-117.28KNV=85.82KN2-2:M=-574.4KN.mN=-109.42KNV=85.82KN3-3：M=-574.4KN.mN=-96.16KNV=-100.32KN4-4：M=91.78KN.mN=-83.7KNV=-48.24KN5-5：M=110.5KN.mN=-85.3KNV=16.78KN四、钢架梁、柱的截面验算1、构件宽厚比验算：（1）梁翼缘（2）柱翼缘（3）梁腹板1-1截面2-2截面3-3截面（4）柱腹板柱顶4-4截面柱底5-5截面2、有效截面特性梁、柱的翼缘板件均满足宽厚比的要求，故构件的翼缘板全部有效。仅需计算构件腹板的有效截面。（1）柱腹板的有效截面柱顶4-4截面腹板为非均匀受压板件，其最大与最小应了为：-36- 腹板受压区高度：截面边缘正应力比值：得参数：因为，故取，则由，取。腹板有效截面分布如图则腹板截面有效截面为：截面有效宽度为：，其有效宽度的分布为：，柱的有效截面特性计算如下：，，-36- 柱底5-5截面的腹板为均匀受压板件，故截面边缘正应力比值：参数，因为故取，即参数<0.8,取。故柱底腹板全截面有效。（1）梁腹板的有效截面梁1-1截面腹板为非均匀受压构件，其最大与最小应力为：腹板受压区高度：截面边缘正应力比值：得参数：因为故取，则参数：，。腹板有效截面分布如下图：-36- 则腹板截面有效截面为：截面有效宽度为：，其有效宽度的分布为：，梁的有效截面特性计算如下：，，梁2-2截面的腹板为非均匀受压板件，其最大与最小应力为：腹板受压区高度：截面边缘正应力比值：得参数：因为故取，则参数：-36- ,故取，梁3-3截面腹板为非均匀受压板件，其最大与最小应力为：腹板受压区高度：截面边缘正应力比值：得参数因为故取，则参数：,故取，即3-3截面梁腹板全截面有效。（3）、钢架梁的验算：1、抗剪承载力的验算梁仅设有支座加劲肋，没有设置中间横向加劲肋，故取，计算高度取锲形腹板的平均高度参数，得腹板屈曲后抗剪强度设计值为，梁的抗剪承载力设计值为：，梁的截面最大剪力，满足要求。2、在剪力V、弯矩M和轴压力N共同作用下的强度验算1-1截面验算。，由于，满足要求。2-2截面验算：。-36- ，由于，满足要求。3-3截面验算：，由于，满足要求。（4）、钢架柱的验算：1、抗剪承载力的验算柱仅设有支座加劲肋，没有设置中间横向加劲肋，故取，计算高度取楔形腹板的平均高度参数得腹板屈曲后抗剪强度设计值为，柱的抗剪承载力设计值为：，柱的截面最大剪力，满足要求。2、在剪力V、弯矩M和轴压力N共同作用下的强度验算，，满足要求。3、平面内整体稳定验算：由式和计算变截面柱在钢架平面内的稳定性，计算时除弯矩值及相应的截面模量按大头计算外，公式中其余各项包括轴力值均按小计算。查得计算长度为1352mm；，按小头计算的长细比为：，查《钢结构设计规范》稳定系数表得，有侧移钢架取。，-36- 满足要求2、平面外整体稳定验算：计算变截面柱在钢架平面外的稳定性，计算时除弯矩值及相应的截面模量按大头计算外，公式中其余各项包括轴力值均按小计算。锲率，受压翼缘面积受压翼缘与受压腹板1/3高度组成的截面绕y轴的回转半径为：，平面外计算长度L取支撑点间距1500mm,则参数为:进入塑性阶段，要对取修正如下：，，满足要求.五、位移验算1、柱顶侧移的验算计算钢架柱顶的侧移，柱顶侧移限值为。风载作用下柱顶最大水平位移:H/940<柱顶位移容许值:H/60,满足要求-36- 2、梁跨中最大挠度验算梁的(恒+活)最大挠跨比:1/945<梁的容许挠跨比:1/180，满足要求六、次结构设计1、梁柱节点设计：梁柱拼接节点（1）连接螺栓计算：采用10.9级，M27高强度螺栓摩擦型连接，构件摩擦面采用喷砂后涂无机富锌漆处理。预拉力，得抗滑移系数。已知：假定翼缘内螺栓中心线为计算中和轴，分别计算各排受拉螺栓的内力如下：沿受力方向的连接长度-36- 对整个连接的螺栓抗剪承载力进行验算：（2）端板计算第一排螺栓位置端板厚度：第二排螺栓位置端板厚度：第三排螺栓位置端板厚度：取端板厚度为：(3)节点域剪应力验算：，为了防止节点域在剪力作用下局部失稳在节点域设置斜加劲肋（4）端板螺栓处腹板强度验算满足2、梁梁节点设计-36- （1）2-2剖面梁梁节点形式采用10.9级，M16高强度螺栓摩擦型连接，构件接触面采用喷砂后涂无机富锌漆处理。预拉力，得抗滑移系数。已知：顶排螺栓的拉力为：第二排螺栓的拉力为：沿受力方向的连接长度对整个连接的螺栓抗剪承载力进行验算：满足要求.端板设计：第一排螺栓位置端板厚度：-36- 第二排螺栓位置端板厚度：取端板厚度为：（2）铰接柱脚节点设计柱脚节点如图：柱底板，地脚锚栓采用，地脚锚栓选用M24，基础材料采用C20混泥土，柱底轴力柱脚底板面积：柱脚底板应力验算：-36- ，按一边支承板（悬臂板）计算弯矩：柱脚底板厚度：柱脚抗剪承载力验算：，抗剪承载力不满足要求，故应设置抗剪键。3、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：作用于两侧山墙顶部节点的风荷载为（山墙高度取7.9m）：取=0.8+0.5=1.3，=1.3×1.0×0.79×18×7.9/2=73.02kN按一半山墙面作用风载的1/3考虑节点荷载标准值为：=1/3×1/2×73.02=12.17kN节点荷载设计值Fw=1.4×12.17=17.04kN斜杆拉力设计值N=17.04/cos33.69°=20.48kN斜杆截面设计及强度验算斜杆选用φ20圆钢，强度验算：刚度验算：张紧的圆钢不需要考虑长细比的要求。但从构造上考虑采用φ16。-36- 2、屋面檩条设计（檩条尺寸如下）已知荷载：屋面板及其檩条自重,活荷载，基本风压，风荷载体形系数-1.4（吸力），建筑位置地面粗糙度为B类。已知结构条件：檩条跨度檩条间距为1.5m,两端简支，中间设两道拉条，屋面坡度1:10，檐口高度7m.选用的截面和钢材：钢，冷弯薄壁型钢卷槽形截面，钢材强度设计值。-36- 设计规范:门式刚架规程CECS102:2002风吸力下翼缘受压稳定验算：按式(6.3.7-2)验算檩条形式:卷边槽形冷弯型钢C180X70X20X2.5钢材钢号：Q235钢拉条设置:设置两道拉条拉条作用:约束檩条上翼缘净截面系数:0.9檩条仅支承压型钢板屋面(承受活荷载或雪荷载),挠度限值为1/150屋面板能阻止檩条侧向失稳构造不能保证风吸力作用下翼缘受压的稳定性建筑类型:封闭式建筑分区:中间区基本风压:0.400风荷载高度变化系数:1.000风荷载体型系数:-1.160风荷载标准值(kN/m2):-0.464屋面自重标准值(kN/m2):0.220活荷载标准值(kN/m2):0.500雪荷载标准值(kN/m2):0.250积灰荷载标准值(kN/m2):0.000检修荷载标准值(kN):1.000=====截面及材料特性======檩条形式:卷边槽形冷弯型钢C180X70X20X2.5-36- b=70.000h=180.000c=20.000t=2.500A=0.8480E-03Ix=0.4202E-05Iy=0.5442E-06It=0.1767E-08Iw=0.3492E-08Wx1=0.4669E-04Wx2=0.4669E-04Wy1=0.2582E-04Wy2=0.1112E-04钢材钢号：Q235钢屈服强度fy=235.000强度设计值f=205.000考虑冷弯效应强度f"=218.538-----------------------------------------------------------------------------=====截面验算======-----------------------------------------------|1.2恒载+1.4(活载+0.9积灰)组合|-----------------------------------------------弯矩设计值(kN.m):Mx=6.832弯矩设计值(kN.m):My=0.015有效截面计算结果:Ae=0.8360E-03Iex=0.4106E-05Iey=0.5435E-06Wex1=0.4498E-04Wex2=0.4498E-04Wex3=0.4628E-04Wex4=0.4628E-04Wey1=0.2589E-04Wey2=0.1109E-04Wey3=0.2589E-04Wey4=0.1109E-04截面强度(N/mm2):σmax=152.483<=205.000-----------------------------|1.0恒载+1.4风载(吸力)组合|-----------------------------弯矩设计值(kN.m):Mxw=-2.609弯矩设计值(kN.m):Myw=0.004-36- 有效截面计算结果:全截面有效。截面强度(N/mm2):σmaxw=56.236<=218.538按门式刚架规程CECS102:2002(6.3.7-2)式验算:整体稳定系数:φb=0.487檩条的稳定性(N/mm2):fstabw=115.113<=205.000------------------------------|荷载标准值作用下，挠度计算|------------------------------垂直于屋面的挠度(mm):v=22.241<=40.000-----------------------------------------------------------------------------=====计算满足======5、墙梁的构造与计算1)设计资料柱距6m，纵墙高7m，基本风压，地面粗糙度类别B，采用自承重墙，强梁间距1.5m，跨中设两根拉条，刚才为Q235。-36- 1)荷载计算1.强梁采用C型钢C180X70X20X2.0墙重设计规范:门式刚架规程CECS102:2002风吸力下翼缘受压稳定验算：按式(6.3.7-2)验算墙梁形式:卷边槽形冷弯型钢C180X70X20X2.0墙梁布置方式:口朝下-36- 钢材钢号：Q235钢拉条设置:设置两道拉条拉条作用:约束墙梁外翼缘净截面系数:0.900墙梁支承压型钢板墙,水平挠度限值为1/100墙板能阻止墙梁侧向失稳构造能保证风吸力作用墙梁内翼缘受压的稳定性墙梁支撑墙板重量单侧挂墙板墙梁上方一侧板重(kN/m):0.300建筑类型:封闭式建筑分区:中间区基本风压:0.400风荷载高度变化系数:1.000迎风风荷载体型系数:1.000背风风荷载体型系数:-1.100迎风风荷载标准值(kN/m2):0.400背风风荷载标准值(kN/m2):-0.440=====截面及材料特性======墙梁形式:卷边槽形冷弯型钢C180X70X20X2.0-36- b=70.000h=180.000c=20.000t=2.000A=0.6870E-03Ix=0.3439E-05Iy=0.4518E-06It=0.9160E-09Iw=0.2934E-08Wx1=0.3821E-04Wx2=0.3821E-04Wy1=0.2137E-04Wy2=0.9250E-05钢材钢号：Q235钢屈服强度fy=235.000强度设计值f=205.000考虑冷弯效应强度f"=215.695=====设计内力======-------------------------|1.2恒载+1.4风压力组合|-------------------------绕主惯性轴强轴弯矩设计值(kN.m):Mx=3.276绕主惯性轴弱轴弯矩设计值(kN.m):My=0.170水平剪力设计值(kN):Vx=2.184竖向剪力设计值(kN):Vy=0.510-------------------------|1.35恒载|-------------------------绕主惯性轴强轴弯矩设计值(kN.m):Mx1=0.000绕主惯性轴弱轴弯矩设计值(kN.m):My1=0.191水平剪力设计值(kN):Vx1=0.000-36- 竖向剪力设计值(kN):Vy1=0.573-------------------------|1.2恒载+1.4风吸力组合|-------------------------绕主惯性轴强轴弯矩设计值(kN.m):Mx2=-3.604绕主惯性轴弱轴弯矩设计值(kN.m):My2=0.170水平剪力设计值(kN):Vxw=2.402竖向剪力设计值(kN):Vyw=0.510-----------------------------------------------------------------------------=====风压力作用验算======抗弯控制组合：1.2恒载+1.4风压力组合有效截面特性计算结果:Ae=0.6802E-03θe=0.0000E+00Iex=0.3385E-05Iey=0.4514E-06Wex1=0.3798E-04Wex2=0.3798E-04Wex3=0.3724E-04Wex4=0.3724E-04Wey1=0.2147E-04Wey2=0.9218E-05Wey3=0.2147E-04Wey4=0.9218E-05截面强度(N/mm2):σmax=116.306<=205.000抗剪控制组合：1.2恒载+1.4风压力组合截面最大剪应力(N/mm2):τ=9.307<=120.000=====风吸力作用验算======-36- 组合:1.2恒载+1.4风吸力有效截面特性计算结果:Ae=0.6703E-03θe=0.0000E+00Iex=0.3334E-05Iey=0.4490E-06Wex1=0.3627E-04Wex2=0.3627E-04Wex3=0.3784E-04Wex4=0.3784E-04Wey1=0.2124E-04Wey2=0.9188E-05Wey3=0.2124E-04Wey4=0.9188E-05截面强度(N/mm2):σmaxw=126.354<=205.000截面最大剪应力(N/mm2):τw=10.237<=120.000=====荷载标准值作用下，挠度验算======竖向挠度(mm):fy=0.412水平挠度(mm):fx=12.385<=60.000-----------------------------------------------------------------------------=====计算满足======六、施工图设计（详见图纸）七、参考资料八、《钢结构》戴国欣武汉理工大学出版社2012九、《钢结构设计》王燕中国建筑工业出版社2009十、《房屋建筑钢结构设计》陈绍藩中国建筑工业出版社2007《钢结构》曹平周等主编中国电力出版社2008《钢结构设计原理》沈祖炎等主编同济大学出版社2005十一、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中国计划出版社十二、《钢结构设计手册》中国建筑工业出版社-36- -36-'