1、 门式刚架轻型钢结构设计计算书门式刚架轻型钢结构设计计算书 1、工程情况：无吊车门式刚架跨度 13.1m，刚架间距 5m，共 10 榀。钢架柱高 4.6 m，屋面坡度1/6，屋面及墙板采用加 JXB42-333-1000 型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板，芯板面板厚为0.50mm，板厚为 80mm，自重 0.25 kN/m2，檩条为薄壁卷边 C 型钢，间距为 1.5m，自重 0.05kN/m2。钢材采用 Q235 钢，焊条为 E43 型。抗震设防烈度为 6度。刚架梁在1/3 处变截面。静载：为 0.2 kN/m2；活载：0.5 kN/m2；雪载：0.2 kN/m2；风载：基本风压 W0=0.55 kN
2、/m2，地面粗糙度 B 类 i=1;61/3处拼接图图 1.刚架简图刚架简图 2、钢架的布置及类型 2.1 钢架的布置 按 CECS102:2002 规范,门式钢架轻型钢结构广房的纵向温度区(伸缩缝间距)应不达于 300m,横向温度区段应不大于 150m.该工程可不设伸缩缝.柱网及平面布置如图 2:AB1238910 图图 2.刚架平面布置图刚架平面布置图 1 2.2 钢架的类型 根据门式钢架类型钢结构特点,为了充分利用材料的作用达到节省材料的目的,截面应选用变截面实腹式门式钢架轻型钢架结构。由于厂房内无吊车采用铰接柱脚刚架。3、屋面构件与支撑设置 3.1 屋面板 根据保温隔热的要求及建筑外形
3、设计要求,考虑施工方便选用JXB42-333-1000型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板,芯板面板厚为 0.50mm，板厚为 80mm.。3.2 檩条 根据屋面板对檩条的要求,檩条间距采用 1.5m.按荷载采用冷弯薄壁 C 型钢 C180 x70 x20 x3,跨中设拉条一道.3.3 屋面支撑与柱间支撑 为了保证厂房的强度，空间结构的稳定性，门式钢架结构左右跨横梁顶面设置横向水平支撑，在柱间设置柱间支撑。3.3.1 屋面横向支撑 根据 CECS102:2002 的要求：屋盖的横向支撑和柱间的支撑一般设置在温度区段端部或第一或第二开间区。柱间支撑布置如图 3：1238910图 3.刚架柱间支撑布置图 （1
4、）柱间支撑设计：柱间支撑计算简图见图 4.按 CECS102：2002 附录 A：0.650.150.8s=+=z按 GB50009-2001 低于 10m 取0.1s=20.8 1.0 1.05 0.550.462kszokNwwm=110.462 13.1 515.12wk=N 按一半山墙荷载的12考虑节点活荷载标准值：,1113.77522w kFW=kNN 即节点荷载设计值：1.4 37755.29wFk=2 Fw=5.29 图图 4.柱间支撑计算图柱间支撑计算图 柱间支撑构件为柔性构件只能承受拉力。则：直杆的反力设计值：15.29NkN=斜杆的反力设计值：25.29/cos7.23N
5、kN=（2）杆件验算 直杆承受压力采用 C18070203.0 按轴心压杆进行验算，斜杆受拉采用圆钢就按轴心拉杆验算。16 1）直杆：截面性质 244A=9.92,473.09,6.9160.92,2.65xxyycmIcm icmIcm icm=强度验算：22252905.33/215/9.92 10NN mmfN mmA=满足要求 刚度：500072.320069.15000188.720026.5xxyylili=满足要求 稳定性：只需要验算平面外的稳定性：B 类截面查表得0.206y=222529025.9/215/0.206 9.92 10yNN mmfN mmA=，满足要求。b）斜
6、杆：截面性质 2A=201.1mm强度验算：2723035.95/215/201.1NN mmfN mmA=2 ，满足要求。3 刚度验算：张紧的圆钢不需要考虑长细比。34 墙梁设计 墙板采用加 JXB42-333-1000 型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板。按文献（4）中墙梁截面选用表 11-1，墙梁选用冷弯薄壁卷边槽钢 C160602020，跨中设拉条一道。4、荷载计算 4.1 荷载取值计算（标准值）：（1）恒载：屋面板（JXB42-333-1000 型岩棉夹芯彩色钢制夹芯板）；0.25 2/kN m 檩条及支撑：0.15 2/kN m 钢架横梁：0.15 静载：0.2 20.75/kN m=墙面及
7、柱的自重：0.5 2/kN m （2）活载：雪载：0.2 2/kN m 屋面均布活载：由于刚架的受荷水平面积为 13.1565.560,所以屋面活荷载取为 0.3 2m2m2/kN m 根据 GB5009-2001 两种取最大值。取活载 0.3 2/kN m （3）风荷载：0.8-0.5-0.5-0.67.43-2.02-2.43-4.65ABCDE 图图 5 风荷载体形系数与风荷载作用风荷载体形系数与风荷载作用 基本风压 地面粗糙类别 B 类，按 CECS102：2002 的规定，基本风压乘以 1.05 的系数。即 20.55/owkN=1.05o=mN m20.550.5775/wk=4
8、以柱顶为标准风压高度变化系数：1.0,1.0zz=4.2 各部分作用荷载：（1）屋面恒载：标准值：0.75 5/cos3.80/kN m=设计值：1.2 3.84.56/kN m=柱身恒载：0.55=2.5 kN 设计值：2.51.2=3 kN (2)屋面活荷载：标准值：0.3 5/cos1.52/kN m=设计值：1.4 1.522.13/kN m=（3）风荷载：仅以左风为例，右风相反。屋面风压设计值；()1.4 1.0 1.00.60.55 1.05 52.43/wbcqk=N m ()1.4 1.0 1.00.50.55 1.05 52.02/wcdqk=N m 柱顶集中风载设计值（对于
9、铰接变截面柱按简化取上半段风载为集中风载作用于柱顶计算）1.4 1.0 1.0 0.8 0.55 1.05 5 2.37.43bwpkN=()1.4 1.0 1.00.50.55 1.05 5 2.34.65Dwpk=N 则风荷载作用如图 6：7.084-4.43ABCDEq1q2q3q4 图图 6.风荷载作用图风荷载作用图 122.43/qqkN m=342.02/qqkN m=5 5、截面初择 截面初选按以下的方法进行，单跨双坡对称实腹式变截面刚架的几何尺寸如图 7 所示：1113100437327.530403040=400mm4600460306.710151015ccLmmhhHmm
10、=:取 11807215025chbmmb=取:mm 100200133200mm=250mm23ccchhmmmmhh=且取:0c ABhc1hc0hb1hb0H(2 5 0 4 0 0)x 1 5 0 x 8 x 1 0H(4 0 0 2 0 0)x 1 5 0 x 8 x 1 0H2 0 0 x 1 5 0 x 8 x 1 0 图图 7.刚架截面初选刚架截面初选 11310043737430353035bLh=:mm1，由于一般情况下取1cbhh=，故取 1400bh=115060b=15025bhbmm=，取:0013100238200=200mm55655565bbLhmm=，取:h
11、 选取截面的特性如表 1 所示：表表 1.截面特性截面特性 截面 2Amm x4Imm y4Imm x3mmW y3mmW xmmi ymmi 6 柱 梁 大头 小头 大头 小头 6040 4840 6040 4440 81.51 107105.13 81.51 10 73.10 10 5.64 6105.63 6105.64 6105.63 610 4.11510 7.53510 7.53510 3.10510 75216 75130 75216 75102 157.9 103.0 157.9 83.5 30.6 34.1 30.6 35.6 柱截面的平均惯性矩：()()88401101.5
12、10.5131.01 102cccIIImm=+=+=梁截面的平均惯性矩：()()0127741222103.1015.113.102337.09 10bbbbIIIImm+=+=6、内力和侧移计算 6.1 内力计算 内力计算采用弹性分析法。用梁，柱平均刚度将梁，柱简化为等截面刚梁，然后采用结构力学求解器进行求解。6.1.1 屋面恒荷载作用 1）输入文件 结点,1,0,0 结点,2,0,4.6 结点,3,4.37,5.33 结点,4,6.55,5.69 结点,5,8.73,5.33 结点,6,13.1,4.6 结点,7,13.1,0 单元,1,2,1,1,0,1,1,1 单元,2,3,1,1,
13、1,1,1,1 单元,3,4,1,1,1,1,1,1 单元,4,5,1,1,1,1,1,1 单元,5,6,1,1,1,1,1,1 单元,6,7,1,1,1,1,1,0 结点支承,7,4,0,0,0 结点支承,1,4,0,0,0 单元荷载,2,3,4.56,0,1,90 单元荷载,3,3,4.56,0,1,90 单元荷载,4,3,4.56,0,1,90 单元荷载,5,3,4.56,0,1,90 7 单元荷载,6,3,0.5,0,1,180 单元荷载,1,3,0.5,0,1,0 单元材料性质,1,1,-1,10.1,1,-1,-1 单元材料性质,2,5,-1,7.9,1,-1,-1 单元材料性质,
14、6,6,-1,10.1,1,-1,-1 2）输出文件 杆端内力值 (乘子=1)-杆端 1 杆端 2 -单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩-1 -32.1680567 -11.1679836 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 -15.922668
15、4 2.62947240 31.5634290 -15.9226684 -7.44596085 26.2423535 5 -15.9363403 -7.41634107 26.2423535 -15.9363403 -27.6196628 -51.3720827 6 -29.8679369 11.1678440 -51.3720827 -32.1679369 11.1678440 0.00000000-3）内力图（设计值）1234567(1)(2)(3)(4)(5)(6)-51.37-51.3726.2426.2431.5632.3031.5626.2432.3026.24-51.37-51.
16、37 a.M 图（kNm）1234567(1)(2)(3)(4)(5)(6)-11.1727.627.427.45-2.632.63-7.45-7.42-27.6211.1711.17 b.V 图（kN）8 1234567(1)(2)(3)(4)(5)(6)-32.17-29.87-15.94-15.92-15.92-15.94-29.87-32.17 c.N 图（kN）图图 8.刚架在恒荷载作用下的内力图刚架在恒荷载作用下的内力图 6.1.2 屋面活荷载作用：1）输入文件 结点,1,0,0 结点,2,0,4.6 结点,3,4.37,5.33 结点,4,6.55,5.69 结点,5,8.73,
17、5.33 结点,6,13.1,4.6 结点,7,13.1,0 单元,1,2,1,1,0,1,1,1 单元,2,3,1,1,1,1,1,1 单元,3,4,1,1,1,1,1,1 单元,4,5,1,1,1,1,1,1 单元,5,6,1,1,1,1,1,1 单元,6,7,1,1,1,1,1,0 结点支承,7,4,0,0,0 结点支承,1,4,0,0,0 单元荷载,2,3,2.13,0,1,90 单元荷载,3,3,2.13,0,1,90 单元荷载,4,3,2.13,0,1,90 单元荷载,5,3,2.13,0,1,90 单元材料性质,1,1,-1,10.1,1,-1,-1 单元材料性质,2,5,-1,
18、7.9,1,-1,-1 单元材料性质,6,6,-1,10.1,1,-1,-1 2）输出文件 内力计算 杆端内力值 (乘子=1)-杆端 1 杆端 2 -单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩-9 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 -1.228195
19、28 14.7434438 4 -7.43753052 1.22824040 14.7434438 -7.43753052 -3.47804750 12.2579414 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）内力图 1234567(1)(2)(3)(4)(5)(6)-24.00-24.0012.2612.2614.7415.0914.7412.
20、2615.0912.26-24.00-24.00 a.M 图（kNm）1234567(1)(2)(3)(4)(5)(6)-5.2212.903.463.48-1.231.23-3.48-3.46-12.905.22 b.V 图（kN）1234567(1)(2)(3)(4)(5)(6)-13.95-7.44-7.44-7.44-7.44-13.95 c.N 图（kN）图图 9.刚架在活荷载作用下的内力图刚架在活荷载作用下的内力图 10 6.1.3 风荷载作用：1）输入文件 结点,1,0,0 结点,2,0,4.6 结点,3,4.37,5.33 结点,4,6.55,5.69 结点,5,8.73,5.
21、33 结点,6,13.1,4.6 结点,7,13.1,0 单元,1,2,1,1,0,1,1,1 单元,2,3,1,1,1,1,1,1 单元,3,4,1,1,1,1,1,1 单元,4,5,1,1,1,1,1,1 单元,5,6,1,1,1,1,1,1 单元,6,7,1,1,1,1,1,0 结点支承,7,4,0,0,0 结点支承,1,4,0,0,0 结点荷载,2,1,7.43,0 结点荷载,6,-1,4.65,180 单元荷载,2,-3,2.43,0,1,90 单元荷载,3,-3,2.43,0,1,90 单元荷载,4,-3,2.02,0,1,90 单元荷载,5,-3,2.02,0,1,90 单元材料
22、性质,1,1,-1,10.1,1,-1,-1 单元材料性质,2,5,-1,7.9,1,-1,-1 单元材料性质,6,6,-1,10.1,1,-1,-1 2）输出文件 内力计算 杆端内力值 (乘子=1)-杆端 1 杆端 2 -单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩-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
23、.20887197 7.08251953 -2.27133817 -16.1590800 4 5.97656250 -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）内力图 11 1234567(1)(2)(3)(4)(5)(6)52.4352.43-
24、5.21-5.21-16.16-16.16-21.01-21.01-1.08-1.08 a.M 图（kNm）1234567(1)(2)(3)(4)(5)(6)11.40-18.39-7.63-7.64-2.27-4.430.040.028.970.23 b.V 图（kN）1234567(1)(2)(3)(4)(5)(6)19.317.107.085.985.989.84 c.N 图（kN）图图 10.刚架在风荷载作用下的内力图刚架在风荷载作用下的内力图 6.2 侧移验算（采用标准值计算）：刚架梁坡度 1：6 1：5，故柱顶的侧移按下计算：由于无吊车梁，处于 6 度地震区故水平力作用有风载引起.
25、。柱顶的等效水平力：()()140.670.671.012.224.69.95HqqhkN=+=+=刚度与梁的线刚度比值 12 871.01 1013.14.067.09 104.6ctbILI h=则刚架柱顶的水平侧移。()()333589.95 104600224.061212 2.06 101.01 1023.5tcHhuEImm=+=+=墙板为轻型钢板墙得 lim460076.676060hum=m limuu满足要求。7）内力组合 7.1 选取控制截面。由于刚架布置，恒载和活载作用下对称。故选择取控制截面为 a-a，b-b，c-c，d-d，e-e。如图所示：bbccddeeaa 图图
26、 11.刚架控制截面刚架控制截面 7.2 内力组合：内力组合考虑以下三种 (1)永久荷载+活荷载 (2)永久荷载+风荷载 （3）永久荷载+0.85（活荷载+风荷载）组合内力见表 2：表表 2.刚架组合内力：刚架组合内力：截面 内力 恒荷载 活荷载 风荷载 恒荷载+活荷载 恒荷载+风荷载 恒荷载+0.85（风荷载+活荷载）a-a N-32.17-13.95 19.31-46.12-12.86-27.61 V-11.12-5.22 11.4-16.34 0.28-5.87 13 M 0 0 0 0 0 0.00 b-b N-29.87-13.95 19.31-43.82-10.56-25.31 V
27、-11.12-5.22 11.4-16.34 0.28-5.87 M-51.37-24 52.43-75.37 1.06-27.20 c-c N-15.94-7.44 7.1-23.38-8.84-16.23 V 27.62 12.9-18.39 40.52 9.23 22.95 M-51.37-24 52.43-75.37 1.06-27.20 d-d N-15.94-7.44 7.08-23.38-8.86-16.25 V 7.42 3.46-7.64 10.88-0.22 3.87 M 26.24 12.26-5.21 38.5 21.03 32.23 e-e N-15.92-7.44
28、7.08-23.36-8.84-16.23 V-2.63-1.23-2.27-3.86-4.9-5.61 M 31.56 14.74-16.16 46.3 15.4 30.35 注：表中注：表中 N、V 的单位为的单位为 kN，M 的单位为的单位为 kNm。8、结构截面验算 8.1 刚梁横梁和柱的计算长度 （1）横梁在刚梁平面内的计算长度 由于刚架坡度 1：61：5，因此，刚架横梁在平面内稳定性能够得到保证，不需要验算平面内的稳定性。（2）横梁在刚梁平面内的计算长度 考虑屋面压型钢板与檩条紧密的连接，有一定的蒙皮效应，在出平面能起到支撑作用，但为了安全计算长度按两个檩条之间考虑即 02 150
29、03000ylmm=8.1.2 刚架柱的计算长度 刚架柱在刚架平面内的计算长度采用一阶分析法来计算;柱顶在水平位移作用下的侧移刚度 39.95 10423.323.5HKNu=mm 当门式铰接单跨对称：034.142.09crEIkh=柱在平面内计算长度：02.09 46009614xrhhmm=（2）柱在平面外的计算长度 考虑屋面压型钢板与墙梁紧密的连接，有一定的蒙皮效应，在出平面能起到支撑作用，但为了安全计算长度按两个墙梁之间考虑，即 02 15003000ylmm=8.2 构件的局部稳定性验算 由于梁柱的腹板厚度相同，翼缘宽度相同，因此仅验算梁、柱大头的局部稳定：14 柱大头：翼缘部分：
30、()150823527.1151510ybcf=，满足要求；4002 1023547.52502508wwyhtf=腹板部分：=满足要求;梁大头:翼缘部:(1508)/22357.1 151510ybtf=满足要求;腹板部分：4002 1023547.52502508wwyhtf=，满足要求;满足要求 （1）柱加劲肋：a-a 其腹板均匀剪力 梁柱局部稳定性均 8.3 加劲肋设置 32max016.34 105.38/0.025380 8yw wvtN mh t=mf38047.58wwht=，仅在柱端设置加劲肋。（2）梁加劲肋：C-C 截面：则柱腹板可不设加劲肋32max040.52 1013
31、.32/0.062380 8yw wvtN mh t=mf 38047.58wwht=d-d 截面：32010.88 107.56/0.035180 8yw wvtN mh t=mf184464wwht=加劲肋，仅在梁端设置加劲肋 力最大处为 c-c 截面，但 d-d 截面较小且剪力比 e-e 截面大因而对 c-c，d-d截面 c-c 截面：故，梁腹板可不设8.4 刚架梁的验算 84.1 抗剪验算 刚梁截面的剪进行验算：15 0wha=仅考虑支座加劲肋，380235810.5010.8415.34415.34wwsyhtf=,满足要求 仅考虑支座加劲肋，d-d 截面：0wha=18023581
32、0.2370.8415.34415.34wwsyhtf=uw wv满足要求 8.4.2 弯，Vh t f=由于横梁跨中可能出现较大弯矩，故6.69KN/mN=23.38kNV=40.52kNM=75.37kNmV=3.86N=23.36kNM=46.3kNmC-Ce-ex图图 12.刚架梁计算简图刚架梁计算简图 16 26.6940.5275.37 cos2xxxM=令0 xxdMd=xx=50.75.MKN m=06.696.140sin23.3816.63VNK=相应的N(2)c-c 截面在弯，剪，压共同作用下的强度验算 c-c 截面内力：75.37.,23.38,40.5240.520.
33、50.5 3801900.5uuMkN m NkN VkNVVkNVV=M，取 M=Mf 故，2100.5fue ufMM1VMM+=，满足要求。（3）d-d 截面：d-d 截面内力：V38.5.,23.38,10.88MkN m NkN VkN=0.880.50.5 180900.5uuVVVVkN=取fMM=210故，1ffVMM+=，满足要求。（4）对 d-d 截面和 e-e 截面均有，MMf，V0.5Vu 均取，MM0.5ueuV,0.5uVV=fMM=17 2MMV101f+=均满足要求。共同作用下强度满足要求。性 刚架横梁的坡度 1：6 0.280.281.071.070.9843.26bbr=则刚架梁变截面段的平面外稳定性：3623.38 101.0 75.37 10NM221501101.7/215/0.659 44400.984 7.53 10tybyeN mmfN mm
