建筑钢结构课程设计---轻型门式钢架单层工业厂房

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┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊《建筑钢结构课程设计》课程设计课题名称轻型门式钢架单层工业厂房院(系)土木工程学院建筑工程系专业土木工程姓名学号指导教师日期26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录:第一章基本设计资料……………………………………………………3第二章主钢架设计与计算………………………………………………4第三章节点设计…………………………………………………………7第四章屋面檩条的计算与布置…………………………………………13第五章屋面水平支撑及柱间支撑的设计………………………………2426 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章基本设计资料1.1设计题目门式刚架设计1.2设计资料1．车间柱网布置要求车间长度63m，跨度21m，柱距9m，檐高9m。2．屋面坡度：1:103．屋面材料：夹芯板4.墙面材料：单层彩板或夹芯板5.天沟：彩板天沟或钢板天沟6.基础混凝土标号为C301.3荷载资料恒载0.25kN/m2活载0.5kN/m2基本雪压0.2kN/m2基本风压0.6kN/m23．材料选用主刚架：Q345B抗风柱、屋面支撑，柱间支撑等：Q235B檩条、墙梁：Q235B26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第二章主刚架设计与计算单元编号图截面信息：荷载组合：(1)1.20恒载+1.40活载工况1(2)1.20恒载+1.40风载工况2(3)1.20恒载+1.40风载工况3(4)1.20恒载+1.40活载工况1+1.40x0.60风载工况2(5)1.20恒载+1.40活载工况1+1.40x0.60风载工况3(6)1.20恒载+1.40x0.70活载工况1+1.40风载工况2(7)1.20恒载+1.40x0.70活载工况1+1.40风载工况3(8)1.00恒载+1.40风载工况2(9)1.00恒载+1.40风载工况3最不利内力：26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊设计验算结果：结构最大水平相对位移:1/112结构最大水平相对位移节点号:2结构最大竖向相对位移:1/185结构最大竖向相对位移节点号:3本工程有1种材料：Q345弹性模量:2.06*105N/mm2;泊松比:0.30;线膨胀系数:1.20*10-5;质量密度:7850kg/m3.26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第三章节点设计3.1梁梁节点设计（I）斜梁间节点a、节点形式：梁端与端板焊接，端板通过螺栓连接b、材料特性：选用Q345B钢材（抗拉、抗压和抗弯强度，抗剪强度），弹性模量。c、连接节点处，梁端尺寸为，如图3-1。（图3-1）d、节点内力根据3D3S计算所得的连接处内力，最不利组合为1.2恒+1.4活相应内力为：轴力；剪力；弯矩e、节点螺栓设计：采用8个10.9级M20高强螺栓，通过端板连接。螺栓布置如图3-2所示。接触面采用喷砂方式处理，查相关规范可得，；每个高强螺栓预拉力。螺栓中心至腹板表面的距离；螺栓中心至翼缘板表面距离。f、螺栓群验算①螺栓受拉承载力验算每个螺栓受拉承载力为位于受拉翼缘最外侧螺栓受到的拉力为；满足要求。②螺栓抗剪验算（只需验算受拉翼缘一侧）26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊受拉翼缘侧最外层每个螺栓所受拉力：受拉翼缘侧第二层每个螺栓所受拉力：故螺栓群抗剪承载力：；满足要求。g、端板厚度设计根据图3-2中螺栓的分布情况及加劲肋的设置情况，端板有两类板：两边支承类端板、三边支承类端板。对两边支承类端板（端板外伸）：端板厚度对三边支承类端板：端板厚度故取端板厚度（图3-2）h、腹板强度验算由于腹板范围内仅设置了一排螺栓，故可不验算腹板强度。（II）屋脊处梁梁节点屋脊处两边梁做成一个整体，此处无节点。3.2梁柱节点设计a、节点形式采用端板竖放的形式。b、材料特性：选用Q345B钢材（抗拉、抗压和抗弯强度，抗剪强度），弹性模量。c、连接节点处，梁端尺寸为，考虑到坡度的影响，梁端尺寸实际为如图3-5；柱端尺寸为，如图3-6。26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊（图3-5）（图3-6）d、节点内力根据3D3S计算所得的连接处内力，最不利组合为1.2恒+1.4活相应内力为：轴力；剪力；弯矩e、节点螺栓设计：采用12个10.9级M24高强螺栓，通过端板连接。螺栓布置如图3-7所示。接触面采用喷砂方式处理，查相关规范可得，；每个高强螺栓预拉力。螺栓中心至腹板表面的距离；螺栓中心至翼缘板表面距离。f、螺栓群验算①螺栓受拉承载力验算每个螺栓受拉承载力为位于受拉翼缘最外侧螺栓受到的拉力为；满足要求。②螺栓抗剪验算（只需验算受拉翼缘一侧）受拉翼缘侧最外层每个螺栓所受拉力：受拉翼缘侧第二层每个螺栓所受拉力：受拉翼缘侧第三层每个螺栓所受拉力：26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊故螺栓群抗剪承载力：；满足要求。g、端板厚度设计根据图3-7中螺栓的分布情况及加劲肋的设置情况，端板有两边支承类端板和三边支承类端板，取约束较弱的两边支承类端板计算。对两边支承类端板（端板外伸）：端板厚度故取端板厚度（图3-7）h、腹板强度验算翼缘内第二排一个螺栓的轴向拉力设计值故：；满足要求。i、节点域剪应力验算节点域宽度节点域厚度节点域高度节点域剪应力因此，满足节点域抗剪要求。3.3柱脚设计a、节点形式柱脚与底板焊接，通过锚栓与基础相连。b、材料特性：Q235B钢材：屈服强度fy：235.0MPa；抗拉强度设计值f：215.0MPa；抗剪强度设计值fv：120/125MPa(视直径而定)；弹性模量E：.0MPa。基础混凝土：强度等级：C30；抗压强度设计值fc：14.3MPa；抗拉强度设计值ft：1.43MPa26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊弹性模量E：c、连接节点处，柱脚尺寸为，如图3-8。（图3-8）d、节点内力根据3D3S计算所得的连接处内力，最大压力对应的最不利组合为1.2恒+1.4活相应内力为：轴力；剪力；弯矩最大拔力对应的最不利组合为1.0恒+1.4风，并考虑柱间支撑的影响相应的内力为：轴力剪力弯矩e、柱脚设计①锚栓选择由于柱脚为铰接柱脚，故选用4M24的双螺母普通锚栓，锚栓布置如图3-9；底板锚栓孔直径26mm，锚栓孔面积（图3-9）②底板宽度确定26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊底板伸出部分宽度取；故底板宽度③底板长度确定由于，实际取；满足要求。⑤底板厚度确定锚栓布置如图3-9所示，则底板有两类板：悬臂板及三边支承板。对悬臂板：对三边支承板：；；故；查表得：故板厚板厚取16mm。⑥锚栓抗拔验算锚栓直径有效面积锚栓满足抗拔力要求⑦抗剪键在抗拔最不利情况下，由于柱脚受拉力作用，没有摩擦力参与抗剪，故应设置抗剪键。26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第四章屋面檩条的计算与布置4.1基本资料①截面选择檩条截面选用内卷边C型槽钢；截面信息：截面高度；截面宽度；卷边宽度；檩条厚度。②结构尺寸檩条跨度：9m；檩条间距：1.5m；屋面坡度：1:10。③材料特性材料选用Q235B钢材；屈服强度；抗拉强度设计值；抗剪强度设计值；弹性模量。④荷载信息恒载标准值：；活载标准值：；基本风压：；地面粗糙度类别：；屋脊标高：；⑤其他计算条件檩条为简支檩条；拉条数量为2根；檩条端部连接孔数量为2个，连接孔直径为13.5mm；屋面板能阻止受压上翼缘侧向失稳，但不能阻止受压下翼缘侧向失稳。4.2毛截面特性计算①壁中线尺寸计算截面高度；截面宽度；卷边宽度；檩条厚度；截面角点倒角半径；壁中线周长②毛截面特性（查教材附表D-12-3）截面面积；绕强轴的截面惯性矩；形心到腹板外边线的距离；绕弱轴的截面惯性矩；绕强轴回转半径；绕弱轴回转半径；绕强轴的截面抗弯模量；26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊绕弱轴的截面抗弯模量（腹板侧）；绕弱轴的截面抗弯模量（卷边侧）；截面扭转惯性矩；截面翘曲惯性矩；剪心到形心的距离。4.3“1.2恒+1.4活”组合下强度验算①内力计算恒载标准值：；活载标准值：；线荷载设计值：；屋面倾角：；沿强轴线荷载：；沿弱轴线荷载：；跨中截面：绕强轴弯矩（下翼缘受拉为正）：绕弱轴弯矩（腹板侧受拉为正）：支座截面：沿强轴剪力：；②跨中截面按毛截面正应力（拉为正，压为负）计算角点1的应力；角点2的应力；角点3的应力；角点4的应力③受压板件的有效宽度计算26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊a）计算板件的受压稳定系数k（压为正）对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：受压板件边缘的最大应力；受压板件另一边缘；压力分布不均匀系数；最大压应力作用位置为卷边一侧。根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-4式：受压板件的稳定系数；对腹板（板件类型属于加劲板件）：同理可得：；；；根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-2式：受压板件的稳定系数；b）计算板组约束系数k1对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：计算板件的宽度；相邻板件的宽度；计算板件的受压稳定系数；相邻板件的受压稳定系数；根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-3式：参数；根据GB50018-2002中5.6.3-1式：；对腹板（板件类型属于加劲板件）：同理可得：；；；；；根据GB50018-2002中5.6.3-2式：；c）计算有效宽厚比be/t对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：受压板件最大压应力；根据GB50018-2002中5.6.1可得：系数；26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊；板件宽厚比，故根据GB50018-2002中5.6.1-2式：有效宽度系数；对腹板（板件类型属于加劲板件）：同理可得：；；；；故：；d）计算板件的有效宽度对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：板件受压区宽度；板件受拉区宽度；受压板件的有效宽度；根据GB50018-2002中5.6.5-3：；；对腹板（板件类型属于加劲板件）：根据GB50018-2002中5.6.1可得：；；受压板件的有效宽度；根据GB50018-2002中5.6.5-2：；；④有效截面特性受压翼缘失效宽度；失效面积腹板失效宽度；失效面积；毛截面面积；有效截面面积；有效截面面积比率；26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊失效腹板到毛截面形心轴x-x轴的距离；失效翼缘到毛截面形心轴y-y轴的距离；近似认为移动后主轴与原主轴平行。主轴x-x轴移动的距离（下移为正）；主轴y-y轴移动的距离（右移为正）；故：有效截面对xe-xe轴的截面惯性矩；有效截面对ye-ye轴的截面惯性矩；有效截面模量（上翼缘边缘）；有效截面模量（下翼缘边缘）；有效截面模量（腹板一侧）；有效截面模量（卷边一侧）；⑤抗弯强度验算角点1的应力；角点2的应力；角点3的应力；角点4的应力；26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊截面最大正应力：满足要求。⑥抗剪强度验算檩条端部腹板净截面；剪应力满足要求。⑦构造要求由于选用的是型钢，故不需要检验。4.4“1.0恒+1.4风”组合作用下整体稳定验算①风荷载计算基本风压；根据门式钢架规程附录A，风压放大1.05倍。地面粗糙度为B类，又屋脊标高10.05m，故风压高度变化系数；根据《门钢规程》附表A.0.2-2：风压体型系数；故风压标准值为。②内力计算恒载标准值；风载标准值；屋面倾角：；沿强轴线荷载：；沿弱轴线荷载：；跨中截面：绕强轴弯矩（下翼缘受拉为正）：绕弱轴弯矩（腹板侧受拉为正）：支座截面：沿强轴剪力：；③跨中截面按毛截面正应力（拉为正，压为负）计算26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊角点1的应力；角点2的应力；角点3的应力；角点4的应力；④受压板件的有效宽度计算a）计算板件的受压稳定系数k（压为正）对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：受压板件边缘的最大应力；受压板件另一边缘；压力分布不均匀系数；最大压应力作用位置为卷边一侧。根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-4式：受压板件的稳定系数；对腹板（板件类型属于加劲板件）：同理可得：；；；根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-2式：受压板件的稳定系数；b）计算板组约束系数k1对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：计算板件的宽度；相邻板件的宽度；计算板件的受压稳定系数；相邻板件的受压稳定系数；根据冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）5.6.2-3式：参数；根据GB50018-2002中5.6.3-1式：；对腹板（板件类型属于加劲板件）：26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊同理可得：；；；；；根据GB50018-2002中5.6.3-2式：；c）计算有效宽厚比be/t对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：受压板件最大压应力；根据GB50018-2002中5.6.1可得：系数；；板件宽厚比，故根据GB50018-2002中5.6.1-2式：有效宽度系数；对腹板（板件类型属于加劲板件）：同理可得：；；；；故：；d）计算板件的有效宽度对受压翼缘（板件类型属于部分加劲板）：板件受压区宽度；板件受拉区宽度；受压板件的有效宽度；根据GB50018-2002中5.6.5-3：；；对腹板（板件类型属于加劲板件）：根据GB50018-2002中5.6.1可得：；；26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊受压板件的有效宽度；根据GB50018-2002中5.6.5-2：；；⑤有效截面特性受压翼缘失效宽度；失效面积腹板失效宽度；失效面积；毛截面面积；有效截面面积；有效截面面积比率；失效腹板到毛截面形心轴x-x轴的距离；失效翼缘到毛截面形心轴y-y轴的距离；近似认为移动后主轴与原主轴平行。主轴x-x轴移动的距离（上移为正）；主轴y-y轴移动的距离（右移为正）；故：有效截面对xe-xe轴的截面惯性矩；有效截面对ye-ye轴的截面惯性矩；有效截面模量（上翼缘边缘）；有效截面模量（下翼缘边缘）；有效截面模量（腹板一侧）；有效截面模量（卷边一侧）；26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊⑥整体稳定系数计算（按毛截面特性）根据GB50018-2002中附表A.2.1：由于有两根拉条，故；；梁的侧向计算长度系数。横向荷载作用点到剪心的距离；根据GB50018-2002中式A.2.1-2：系数；檩条计算长度；檩条的平面外长细比；根据GB50018-2002中式A.2.1-3：系数；根据GB50018-2002中式A.2.1-1：整体稳定系数；根据GB50018-2002中式A.2.1-4：整体稳定系数；⑦檩条的整体稳定计算角点1的整体稳定验算应力；角点2的整体稳定验算应力；角点3的整体稳定验算应力；角点4的整体稳定验算应力；故截面最大正应力满足要求。4.5挠度验算（仅验算“1.0恒+1.0活”作用下沿强轴的挠度）恒载标准值：；活载标准值：；26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊线荷载设计值：；屋面倾角：；沿弱轴线荷载：；跨中挠度：满足要求。第五章屋面水平支撑及柱间支撑的设计5.1风荷载计算基本风压；根据门式钢架规程附录A，风压放大1.05倍。地面粗糙度为B类，设置三根抗风柱如图5-1，各柱顶标高如图所示，则查表可得，风压高度变化系数。根据《门钢规程》附表A.0.2-4：风压体型系数取较危险的风吸情况设计，则中间区26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊，端区。根据《门钢规程》相关规定：端区宽度；考虑每根柱的受风面积为相邻两跨的半跨范围，同时考虑风荷载组合系数1.4，则每根柱的线荷载设计值为：；；；（图5-1）5.2设计计算屋面水平支撑简化为平面桁架计算，且忽略压杆的影响，如图5-2。每根柱受风面积范围内的荷载一半传到基础，一半传到屋面水平支撑。故作用于桁架的集中力为：；；；解如图桁架得：26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊（图5-2）；；；；①屋面水平交叉撑支撑为拉杆，采用张紧的圆钢，钢材选用Q235B（）选用A16热轧圆钢（）a、强度验算（取拉杆受力最大的38.99kN验算）：满足要求。b、长细比限值：由于采用张紧的圆钢，可不受限制。②刚性系杆刚性系杆为受压杆件，最大压力为44.98kN。钢材选用Q235B钢材（）；选用A133×6热轧无缝钢管（；）a、强度验算满足要求；b、长细比限值满足要求；c、稳定验算按a类曲线查表，得稳定系数；26 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊故：满足要求。③柱间支撑柱间支撑计算简图如图5-3，忽略压杆的影响。易解得；柱间支撑为拉杆，采用张紧的圆钢。钢材选用Q235B钢材（）。柱间支撑截面选用A21热轧圆钢。a、强度验算满足要求。b、长细比限值由于采用张紧的圆钢，可不受限制。26