钢结构课程设计计算书(例子).docx

门式刚架厂房设计计算书一、设计资料该厂房采用单跨双坡门式刚架，厂房跨度 21m，长度 90m，柱距 9m，檐高7.5m，屋面坡度 1/10。刚架为等截面的梁、柱，柱脚为铰接。材料采用 Q235 钢材，焊条采用 E43 型。屋面和墙面采用75mm厚EPS夹芯板，底面和外面二层采用0.6mm厚镀锌彩板， 锌板厚度为275/gm2；檩条采用高强镀锌冷弯薄壁卷边Z形钢檩条，屈服强度f ³ 450N / mm2，镀锌厚度为160g / mm2。(不考虑墙面自重)y自然条件：基本风压：WO= 0.5KN / m2 ，基本雪压0.3KN / m2地面粗糙度 B 类二、结构平面柱网及支撑布置该厂房长度 90m，跨度 21m，柱距 9m，共有 11 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，因此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，由于柱高<柱距，因此柱间支撑不用分层布置。（布置图详见施工图） 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，刚架梁和柱采用等截面设计。厂房檐高 7.5m，考虑到檩条和梁截面自身高度，近似取柱高为 7.2m；屋面坡度为 1： 10。因此得到刚架计算模型：2. 荷载取值屋面自重：屋面板：0.18 KN / m2 檩条支撑：0.15 KN / m2 横梁自重：0.15 KN / m2总计：0.48 KN / m2屋面雪荷载：0.3 KN / m2屋面活荷载：0.5 KN / m2 （与雪荷载不同时考虑） 柱自重：0.35 KN / m2风载：基本风压W0= 0.5kN / m23. 各部分作用荷载：（1） 屋面荷载：标准值： 0.48 ´1cosq ´ 9 = 4.30KN / M柱身恒载： 0.35 ´ 9 = 3.15 KN / Mkn/mkn/mkn/m（2） 屋面活载屋面雪荷载小于屋面活荷载，取活荷载0.50 ´1´ 9 = 4.50KN / Mcosqkn/m（3） 风荷载以风左吹为例计算，风右吹同理计算：根据公式w = m m w 计算:kz s 0（地面粗糙度 B 类）m 根据查表h £ 10m，取1.0，m 根据门式刚架的设计规范，zs取下图：迎风面侧面wk屋顶wk风载体形系数示意图= 1.0´ 0.25´ 0.5 = 0.125kN / m2，q1= -1.0 ´1.0 ´ 0.5 = -0.50kN / m2，q2= 0.125´ 9 = 1.125kN / m= -0.50 ´ 9 = -4.5kN / m背风面侧面wk屋顶wk= -1.0 ´ 0.55´ 0.5 = -0.275kN / m2，q3= -1.0 ´ 0.65´ 0.5 = -0.325kN / m2，q4= -0.275´ 9 = -2.475kN / m= -0.325´ 9 = -2.925kN / m荷载如下图：kn/mkn/mkn/mkn/m4. 内力计算：（1） 截面形式及尺寸初选： 梁柱都采用焊接的 H 型钢梁的截面高度h一般取(1/30 1/45)L,故取梁截面高度为600mm； 暂取H600´300´ 6 ´8，截面尺寸见图所示y30086x485柱的截面采用与梁相同柱H 600 ´ 300 ´ 6 ´ 8 72009472520173362423423461.661.6梁H 600 ´ 300 ´ 6 ´ 8 1055294725201733624长度面积IxWxIyWyiixy截面截面名称(mm)(mm )2(´10 mm )(mm64´10 mm )(43´10 mm )(64´10 mm )Mm43EA = 2.06´108 ´ 9472´10-6 = 1.95´106 kn, EIx（2） 截面内力：= 2.06´108 ´ 520´106 ´10-12 = 1.07´105 kn · m2根据各个计算简图，用结构力学求解器计算，得结构在各种荷载作用下的内力图如下：计算计算简图及内力值(M、N、Q)备注项目弯矩图恒载下弯矩恒剪 力 图载“+”作用恒载下剪力轴 力 图( 拉 为正，压为负)恒载下轴力（忽略柱自重）活荷载作用活荷载(标准值) 弯矩图弯矩图活荷活荷载(标准值)剪力图载作用活荷载(标准值)轴力图剪 力 图“+”轴力图 (拉为 正，压为负)弯矩图风荷载(标准值)弯矩图风荷载作用.风荷载(标准值)剪力图剪 力 图“+”轴 力 图( 拉 为正，压为负)风荷载(标准值)轴力图（3） 内力组合(由于恒载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)按承载能力极限状态进行内力分析，需要进行以下可能的组合： 1.2×恒载效应+1.4×活载效应 1.2×恒载效应+1.4×风载效应 1.2×恒载效应+1.4×0.85×活载效应+风载效应取四个控制截面：如下图：截面内力恒载活载左风M000各情况作用下的截面内力N-45.36-47.2546.95Q-19.32-18.0524.55M-127.84-129.94147.59N-45.36-47.2546.95Q-19.32-18.0516.45M-127.84-129.94147.59N-21.75-22.6621.04Q43.4145.22-45.08M92.8396.70-77.574N-21.75-22.6621.04Q2.182.27-1.81内力组合值截面内力1.2恒1.4活1.2恒+1.4风1.2恒+1.4 ´ 0.85 ´(风+活）M000N-120.5811.30-54.85Q-48.4511.19-15.45M-335.3353.22-132.40N-120.5811.3054.79Q-48.4511.19-25.09M-335.3353.22-132.40N-64.303.36-28.03Q115.40-11.0251.93M246.782.79134.16N-57.82-3.36-28.03Q5.790.083.164. 截面验算控制内力组合项目有： Mmax 与相应的 N，V(以最大正弯矩控制) Mmax 与相应的 N，V(以最大负弯矩控制) Nmax 与相应的 M，V(以最大轴力控制) Nmin 与相应的 M，V(以最小轴力控制)所以以上内力组合值，各截面的控制内力为：1-1 截面的控制内力为M = 0，N = -120.58KN，Q = -48.45KN2-2 截面的控制内力为M = -335.33kN × m，N = -120.58kN，Q = -48.45KN3-3 截面的控制内力为M = -335.33kN × m，N = -64.30kN，Q = 115.40kN4-4 截面的控制内力为M = 246.78kN × m，N = -57.82kN，Q = 5.79kNA：刚架柱验算：取 2-2 截面内力平面内长度计算系数： c R m = 2 + 0.45K，其中K= I l= 10.5 = 1.46， m= 2 + 0.45´1.46 = 2.66，0H= 7.2´ 2.66 = 19.1M0 xI H7.20，R平面外计算长度：考虑压型钢板墙面与墙梁紧密连接，起到应力蒙皮作用，与柱连接的墙梁可作为柱平面外的支承点，但为了安全起见计算长度按两个墙梁间距考虑，即H= 7200 / 2 = 3600mm0Yl = 19100 = 81.6，lx234y3600= 61.6 = 58.4 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。(150 - 4) 2 柱翼缘235fy235235b = 12.17 < 15= 15= 15 （满足要求）t6 柱腹板235fy235235h600 -16 w = = 146 < 250= 250= 250 （满足要求）t4w（2）柱有效截面特征M = -335.33kN× m，N = -120.58kN，Q = -48.45kN × msmax ü = N ± M= 120.58 ´103 ± 335.33´106ý sminþAWX9472173´104ì 206.56î= 12.73 ±193.83 = í-181.10 N/mm2ao-ss=max0maxmin= 206.56 +181.10 = 1.88 206.56 0 h = 584 = 97 < 48a + 0.5l t 60x w- 26.2 = 105.28因97>70，故可以考虑屈曲后强度。由于考虑屈曲后强度：b= s2 = -181.1 = -0.88 o206.561584h = 206.56 ´ = 311.2mmc206.56 + 181.1k =1628.1´ 21.28o(1+ b)2 + 0.112(1- b)2 0.5 +1+ b= 21.28ww28.1 k235 / fsyl =h / t=584 / 8£ 0.8,p则r = 1，截面全部有效。（3） 抗剪强度验算：柱截面的最大剪力为Vmax= 48.45kN37 ´ 5.34 ´1ww37 k235 / ftyl =h / t=584 / 8= 0.85w0.8 < l< 1.4,则f ' = 1- 0.64(l- 0.8) f= 0.973´125 = 121.63N / mm2wvwvV = h t f ' = 584 ´ 8´121.63´10-3 > V,满足要求。dw w vmax弯剪压共同作用下的验算:因为V < 0.5V ，按公式M £ M N = M- NW/ A 进行验算，deeee其中M = W f = 173´104 ´ 215´10-6 = 371.95kN × meeM N = M - NW / A = 371.95 -120.58´ 371.95/ 9472eeee= 371.95 - 22.59 = 367.2kN × m > 335.33kN × m，满足要求。（4） 稳定性验算刚架柱平面内稳定性验算f / 235yl = 81.6 < l= 180, l = lxx= 81.6b类截面，由钢结构设计规范附表C-2查得，jx= 0.681 'N= p 2 EA = 3.142 ´ 2.06 ´105 ´ 9472 = 2388kN , bEx(1.1l2 )(1.1´ 81.62 )mxx= 1.0,则Nb M120.58 ´1031.0 ´ 335.33´106j A + gx1-xmx0.8(Nx/ N 'Ex)Wx=+0.681´ 94721.05´173´104 ´ (1- 0.8´120.58) 2388= 18.69 +192.39 = 211.08N / mm2 < f满足要求。刚架柱平面外稳定性验算：l = lf / 235y= 58.4b类截面，由钢结构设计规范查得，jy= 0.818bM1= 0.65 + 0.35 2 = 0.65 + 0.35´ = 0.825txM21j = 1.07 - l258.42= 1.07 -= 0.99b440044000Nh b M120.58´1030.825´ 335.33´106则 + txx = +1.0 j Aj Wyb px0.818´ 94720.99´173´104= 15.56 +161.52 = 177N / mm2 < f 满足要求。B：刚架梁验算：取 3-3 截面内力M = -335.33KN · M，N = -64.30KN，Q = 115.40KN 局部稳定验算(150 - 4) 2 梁翼缘b =t6= 12.17 < 15= 15= 15 （满足要求）235fy235235 梁腹板235fy235235h600 -16 w = = 146 < 250= 250= 250 （满足要求）t4w（2）梁有效截面特征门式刚架坡度为1/10<1/5，可以不考虑横梁轴梁的影响，按受弯构件验算。o üM335.33´1061 ý = ± = ± = ±193.83N / mm2þoW173´1042Xb= s2 = -1s11h = 584 ´ = 292mm160.112 ´ 4c2k =16o(1+ b)2 + 0.112(1- b)2 0.5 +1+ b= 23.91lh / t584 / 8ww28.1 k235 / fsy28.1´ 23.91= 0.53 £ 0.8,p则r = 1，截面全部有效。（3）强度验算 抗剪强度验算：柱截面的最大剪力为Vmax= 115.4kNk = 5.34tww37 k235 / ftyl =h / tw=584 / 8= 0.8537 ´ 5.34 ´10.8 < l< 1.4,则f ' = 1- 0.64(l- 0.8) f= 0.973´125 = 121.63N / mm2wvwvV = h t f ' = 584 ´ 8´121.63´10-3 = 568.25kN > V,满足要求。dw w vmax弯矩作用下的验算:M = M = 173´104 ´ 215´10-6d= 371.95kN × m > 335.33kN× m，满足要求。（4)稳定性验算刚架梁平面内稳定验算验算方法与柱平面内的稳定验算相同，由于N梁刚架梁平面外稳定验算一般刚架平面外稳定靠支撑来保证，< N ，M柱梁=M ，因而可以满足要求。柱考虑檩条处设置隅撑以保证屋脊负弯矩使下翼缘受压时有支撑， 在支撑点处设置隅撑以保证横梁全截面受支承，则横梁成为平面外3m支撑的压弯构件，取其中一段计算。由l = 3000 = 48.7及b类截面查钢结构设计规范得，j= 0.865y 61.6yl2由于有端弯矩与横梁荷载，取b = 1.0，则j = 1.07 - y= 1.02txb44000由于内力沿杆件线性变化，取较大值64.3kN从而 N +b M 64.3´1031.0 ´ 335.33 ´106htxx =+1.0 ´j Aj Wyb px0.865 ´ 94721.03´173´104= 7.85 +188.19 = 196.04 N / mm2 < f 满足要求。5. 位移验算：（1） 柱顶水平位移验算：由矩阵位移法结构力学计算程序计算位移，位移验算为正常使用极限状态下的承载力验算，荷载应选用标准值。构件截面参数：EA = 2.06 ´108 ´ 9472 ´10-6 = 1.95´106 kn,EI = 2.06´108 ´ 520 ´106 ´10-12 = 1.07 ´105 kn · m2x荷载标准值即风载，位移图如下：d = 18.1 = 1 <1 满足要求H7200397200（2） 横梁扰度验算：荷载标准值=1.0 ´ 恒载+1.0 ´活载=4.3+4.5=8.8kN/m ，位移图如下：d = 63.6 = 1 <1 满足要求L21000330250四、节点设计：（1） 梁柱节点设计：梁柱节点形式见下图：连接处选用如下组合内力值：M = -335.33KN · M，N = -64.30KN（使螺栓受压），Q = 115.40KN采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN, 摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数m=0.45，螺栓承受拉力为：MyN335.33´ 0.37264.30第一排：N = 1 - = - = 155.37 - 6.43 = 148.94kN1第二排：N2第三排：N3åy2iMy= 2åy2iMy= 3åy2in4 ´(0.1322 +0.2122 + 0.3722）10- N335.33 0.21264.30´ = - = 88.54 - 6.43 = 82.11kNn4 ´(0.1322 +0.2122 + 0.3722）10- N335.33 0.13264.30´ = - = 55.13 - 6.43 = 48.70kNn4 ´(0.1322 +0.2122 + 0.3722）10，其抗拉承载力为：ìNb =0.8P=0.8´ 225=180kNít>148.94kN，满足要求。îNb = p d 2 ´ f b / 4 = p ´ 21.182 ´ 500 / 4 = 176.2kNtet螺栓群的抗剪力(M24螺栓)（下面三排不计外加压力，只考虑预压力）Vb = å 0.9mm (P -1.25N ) = 20.9´ 0.45´(225 -1.25´148.94) + 0.9´ 0.45´ft(225 -1.25´ 82.11)+ 0.9 ´ 0.45´(225 -1.25´ 48.70) + 0.9´ 0.45´ 225´ 6= 810.26kN > 115.40kN端板厚确定：6e Nf tbf6 ´ 68 ´148.94 ´103400 ´ 205第一排螺栓端板厚 ：t ³= 27.2 mm，6e e Ne b + 2e (e + e ) ff w twffw6 ´ 68 ´ 97 ´ 82.11 ´10397 ´ 400 + 2 ´ 68 ´ (68 + 97) ´ 2053 ´ 97 ´ 48.70 ´103(0.5 ´ 80 + 97) ´ 205第二排螺栓端板厚 ：t ³= 16.1mm，3e N(0.5a + e ) fww t第三排螺栓端板厚 ：t ³采用端板厚 t = 28mm。= 22.5mm，端部腹板设置加劲肋，加强腹板强度，详见施工图（2） 梁梁节点设计： 梁梁节点形式见下图：连接处选用如下组合内力值：M = 246.78kN × m，N = -57.82kN（使螺栓受压），Q = 5.79kN采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN, 摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数m=0.45，螺栓承受拉力为：第一排：N =1My1åy2iMy- N =246.78 ´ 0.372- 57.82 = 125.17 - 7.23 = 119.94kNn4 ´(0.2122 + 0.3722）8N246.78 ´ 0.21257.82第二排：N = 2- = - = 71.34 - 7.23 = 64.11kN2 åy2 in4 ´(0.2122 + 0.3722）8其抗拉承载力为：ìNb=0.8P=0.8´ 225=180kNít>119.94kN，满足要求。îNb = p d 2 ´ f b / 4 = p ´ 21.182 ´ 500 / 4 = 176.2kNtet螺栓群的抗剪力(M24螺栓)（下面二排不计外加压力，只考虑预压力）Vb = å 0.9mm (P -1.25N ) = 20.9´ 0.45´ (225 -1.25´119.94) + 0.9 ´ 0.45´ft(225 -1.25´ 64.11)+ 0.9´ 0.45´ 225´ 4= 542.65kN > 5.79kN端板厚确定：6e Nf tbf6 ´ 68 ´119.94 ´103400 ´ 205第一排螺栓端板厚 ：t ³= 24.4 mm，6e e Ne b + 2e (e + e ) ff w twffw6 ´ 68 ´ 97 ´ 64.11 ´10397 ´ 400 + 2 ´ 68 ´ (68 + 97) ´ 205第二排螺栓端板厚 ：t ³= 14.2 mm，采用端板厚 t = 26mm。端部腹板设置加劲肋，加强腹板强度，详见施工图（3） 柱脚设计：柱脚节点见下图：设计内力采用： N = -120.78KN（使螺栓受压），Q = -48.45KN基础混凝土抗压承载力fc柱脚内力计算：= 12N / mm2，锚栓采用4 ´ M20120.78´103(1) 底板反力f= 0.77N / mm2 650 ´ 3501底板厚度计算：按一边支承计算，M =fc2 = 0.5´ 0.77 ´1752 = 11790.6N × mm6Mf6 ´11790.62052t = 18.6mm,因此采用t = 20mm。(2) 抗剪连接件计算V = 0.4N = 0.4 ´120.78 = 48.50kn > 48.45knfb抗剪承载力满足要求，不需要设置抗剪连接件五、施工图设计（详见图纸）