变截面钢架厂房计算书

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设计条件1、本设计为一新管桁架的加工车间，为单层单跨钢结构厂房，位于厦门市集美区，厂房为24m，柱距为6.5m，檐口高9米。3）根据工程经验，其他有关荷载取值如下：屋面活荷载：0.30kN/m2风荷载（基本风压）：0.80kN/m2屋盖自重（标准值，坡向）0.5mm厚压型钢板+75mm厚玻璃棉+钢丝网0.15kN/m2檩条及支撑0.10kN/m2刚架斜梁自重0.15kN/m24）工程地质及水文地质资料地基容许承载力180kPa最高地下水位：自然地坪下3.00m地下水性质：有弱硫酸盐侵蚀；地面土质：盐碱土；自然地面绝对标高：18.00m，相对标高:－0.30m5）地震烈度本工程建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防基本烈度为7度，设计基本加速度为0.15g，所在场地设计地震分组为第一组，II类场地，地面粗糙度为B类。四、建筑设计要求和内容1、建筑设计的要求平面设计要求：根据工艺要求确定车间平面及柱网尺寸；选择柱形式，初步确定柱截面；确定横向、纵向定位轴线的位置；门、窗位置，尺寸及选用；围护结构的设计；标注剖面图的剖切位置，必要的详图，索引标注三道尺寸（外部）及必要的标高尺寸等；剖面设计要求：厂房的高度的确定：门架檐口标高；侧窗窗台标高；立面设计要求：门窗条及内外墙面的设计；屋顶平面设计要求；屋面排水方案的确定。2、建筑设计的内容28 平面图：比例1：200立面图：比例1：200（正立面，背立面，侧立面）剖面图：比例1：200屋顶平面图：比例1：200建筑设计说明书1份五、结构设计的要求和内容1、结构设计的要求结构方案的确定：平面柱网；承重结构，门式刚架，檩条，支撑系统：柱间支撑；屋盖横向及纵向支撑；结构计算。2、结构设计的内容门架计算前的准备工作；门式刚架计算单元的选择；门架的受力计算简图；荷载计算：门架恒载、风荷载及屋面均布活荷载；内力计算及内力组合；计算最不利荷载组合的内力值；门架计算；屋脊节点计算；柱梁接点计算；基础设计；抗风柱；柱间支撑；完成完整结构施工图一套。3、设计的深度要求3.1图纸内容：结构设计说明书；柱、梁、柱间支撑等布置图；比例：1：200屋面檩条布置图、墙面檩条布置图；比例：1：200节点图（柱脚、檩托、柱和梁交接处）；刚架详图；比例：1：30结构计算书1份第一章工程概况厦工公司欲建一座轻型门式刚架厂房。该厂房位于福建省厦门市内郊区，场地类别为B类，主要用于工业生产的需要，从经济上带动郊区的发展。该厂房共一层，建筑面积为1900m228 。厂房无吊车梁，屋面按上人屋面设计，屋面采用YX56-180-720压型钢板加75mm厚玻璃丝棉保温层，刚架梁柱均采用变截面，柱与基础为铰接，结构采用主要的材料为Q345钢材，考虑积灰荷载0.3KN/m2。1）当地的气候条件：平均月气温：21℃，最高气温38℃，最低气温2℃。基本风压：0.8KN/m2。降雨量：年均降雨量1200mm；主导风向：冬季为东北风，夏季为西南风。2）活荷载：屋面：按上人屋面采用；其他活荷载按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001取值。3）建筑材料：材料供应：型钢Q235、Q345钢，焊条E43、E50；钢筋（HPB235，HRB335，HRB400）I～III级；水泥400#～600#；其他材料市场供应。第一章结构选型与结构布置2.1结构选型该轻型门式刚架厂房的结构形式采取的是双坡单跨门式刚架。2.2结构布置该厂房共一层，建筑面积为1900m2。厂房无吊车梁，屋面按上人屋面设计，屋面采用0.5mm厚压型钢板+75mm厚玻璃丝棉保温层+钢丝网。该厂房总共12跨，跨度选用24m，柱距为6.5m，厂房的高度选用9m；屋面坡度为1/10；柱脚与基础采用铰接；刚架梁、柱均采用变截面。（以上均是根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS.102-20024.1.5门式刚架轻型房屋的屋面坡度宜取1/8~1/20,在雨水较多的地区宜取其中的较大值。4.2.2门式刚架宜采用9~36m。当边柱宽度不等时，其外侧应对齐。4.2.2门式刚架的平均高度宜采用4.5~9.0m28 。当有桥式吊车时，不宜大于12m。4.2.2门式刚架的柱距，即柱网轴线间的纵向距离宜采用6~9m。4.3.1门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度（伸缩缝间距），应符合下列规定：纵向温度区段不大于300m；横向温度区段不大于150m。)结构网格草图如下：第一章荷载取值及荷载组合3.1荷载取值（1）永久荷载：0.5mm厚压型钢板+75mm厚玻璃丝绵+钢丝网0.15KN/m2钢梁斜梁自重0.15KN/m2檩条及支撑0.10KN/m2总计0.40KN/m2（以上材料查《建筑结构荷载规范》GB50009—2001附录A）28 （2）可变荷载：屋面均布活荷载（上人屋面）：2.0KN/m2积灰荷载：0.30KN/m2风荷载：基本风压0.80KN/m2（以上分别根据《建筑结构荷载规范》GB50009--20014.2.2工业建筑楼面(包括工作平台)上无设备区域的操作荷载，包括操作人员、一般工具、零星原料和成品的自重，可按均布活荷载考虑，采用2.0KN/m2。生产车间的楼梯活荷载，可按实际情况采用，但不宜小于3.5KN/m2。)3.2荷载组合3.2.1荷载计算计算简图如下图：根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS.102-2002附录A风荷载计算，，式中：风荷载标准值（）；：基本风压，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB5009的规定采用；：风荷载高度变化系数，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB5009的规定采用,当高度小于10m时,应按10m的高度处的数值采用；28 ：风荷载体型系数，考虑内、外风压最大值的组合，且含阵风系数，按A.0.2的规定采用。以柱顶为准，h=9m，风压高度变化系数=1.00；以屋顶为准，h=10.2m，风压高度变化系数=1.014。取该轻型门式钢架中间区的中间榀计算风荷载：风荷载体型系数（1）恒荷载标准值（沿水平投影面）：，(其中：tan=0.1)（2）活荷载标准值：屋面活荷载：积灰荷载：风荷载：左柱：（压力）左屋面：（吸力）右柱：（吸力）右屋面：（吸力）3.2.2荷载组合（设计值）根据建筑结构荷载规范GB50009--2001的要求，永久荷载的分项系数取1.2，可变荷载的分项系数取1.4。（1）恒载+屋面活载（全跨）+积灰荷载28 S1=1.2恒载+1.4（屋面活载+积灰），如图1（2）恒载+屋面活载（半跨）+积灰荷载S1=1.2恒载+1.4（屋面活载+积灰），如图228 （3）恒载+风荷载S2=1.0恒载+1.4风载（风载对结构有利时），S3=1.2恒载+1.4风载（风载对结构不利时），如图3（4）恒载+风荷载+积灰荷载+屋面活载（全跨）S4=1.2恒载+0.9*1.4（屋面活载+积灰+风载），如图428 （5）恒载+风荷载+积灰荷载+屋面活载（半跨）S4=1.2恒载+0.9*1.4（屋面活载+积灰+风载），如图5根据以上荷载组合的计算结果，取较不利组合（恒+活+风）。28 第一章内力计算通过结构常用设计软件PKPM电算：4.3刚架内力组合表计算简图如下：通过PKPM电算结果输出并进行数据整理，详见下表：构件弯矩（KN·m）轴力（KN）剪力（KN）梁上端、柱外侧梁下端、柱内侧梁上端、柱左侧梁下端、柱右侧梁上端、柱外侧梁下端、柱内侧柱1A00351012.3-141.7B-1275.633.0-321220141.7梁1B1275.6-33.01730305.8-C-192.5233.9-94083.9-梁2C192.5-233.994083.9-D-44.3454.9-1413--14.1梁4D44.3-454.9141-521.1-E-147.6255.3-943--83.9梁3E147.6-255.394-3--83.9F-1275.6155.0-1730--305.8柱2F1275.6-155.0-321160-141.7G003510-36.1141.7（数据来源详见附件。）28 第一章截面计算6.1截面选择根据弯矩包络图，剪力包络图，轴力包络图可初步选定截面。H（mm）B(mm)Tw(mm)T(mm)柱子大头7504001216小头5504001216梁1大头7503501014小头5503501014梁2大头7503501014小头5503501014选用H型钢，截面参数如右图标注。柱子和梁都采用变截面构造，以下是截面信息。6.2截面信息下面计算截面的有关信息。柱子大头的有关截面信息为：=.84，=，=5585.16，=853.85，=31.27，=8.92，A=214.16。柱子小头的有关截面信息为：=.4，=17074.12，=3824.59，=85.37，=23.51，=9.47，A=190.16。梁1大头的有关截面信息为：=.44，=10010.18，=4375.87，=572.01，=31.05，=7.66，A=170.2。梁1小头的有关截面信息为：=82256.58，=10008.51，=2991.14，=571.9128 ，=23.4，=8.16，A=150.19。梁2大头的有关截面信息为：=.44，=10010.18，=4375.87，=572.01，=31.05，=7.66，A=170.2。梁2小头的有关截面信息为：=82256.58，=10008.51，=2991.14，=571.91，=23.4，=8.16，A=150.19。则整个结构的计算简图如下图：28 6.3.1梁、柱构件的宽厚比柱的宽厚比限值：（根据《钢结构-第二版》中的1.3.3.1梁、柱板件的宽厚比限值工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比限值：；工字形截面梁、柱构件腹板的宽厚比限值：。）翼缘：，（满足要求）腹板：，（满足要求）梁1的宽厚比限值：翼缘：，（满足要求）腹板：，（满足要求）梁2的宽厚比限值验算同梁1故，截面的宽厚比都满足要求的。6.3.2梁、柱构件的腹板屈曲后的强度利用（根据《钢结构-第二版》中的1.3.3.1）（1）柱：腹板的高度变化=，因此可按以下计算：柱的腹板平均高度：，按不设横向加劲肋来计算：则，0.7<0.8,故此时28 ==180，而，>117.4（内力图得出的剪力设计值），（满足要求）（2）梁1：腹板的高度变化=，因此可按以下计算：柱的腹板平均高度：，按不设横向加劲肋来计算：则，,,且小于1.4，故此时=[1-0.64（-0.8）]=166.2，而>298.8（内力图得出的剪力设计值），（满足要求）（3）梁2：梁2的腹板平均高度：，按不设横向加劲肋来计算：则，,且小于1.4，故此时=[1-0.64（-0.8）]=166.2，而>85.5（内力图得出的剪力设计值），（满足要求）故，腹板屈曲后的强度利用时满足要求的。6.3.3强度验算（根据《钢结构-第二版》中的1.3.3.2）28 （1）柱：，故按公式计算，其中抗弯强度设计值，2）梁1：取大头截面计算：，（满足要求）取小头截面计算：，（满足要求）（3）梁2：取大头截面计算：，（满足要求）取小头截面计算：，（满足要求）故，杆件的强度满足要求。6.3.4稳定验算柱：A．变截面柱的平面柱的平面内整体稳定计算：柱的平面内计算长度，首先要确定，而确定28 必须先确定柱顶水平荷载作用下的侧移刚度K，可采用一阶分析法计算程序得出。由，知，当左侧柱顶作用单位1KN的力的时候，利用右侧柱顶的位移可以轻松的算出侧移刚度K，计算方法比较复杂，这里利用PKPM建模计算，由于PKPM是自动计算刚架自重的，因此这里设置的单位力为活荷载。下图是PKPM的建模模型以及计算结果。则，由于柱脚为铰接，则：故，柱平面内的计算长度，柱平面外的计算长度，，按b类截面查《钢结构设计规范》附录C，表C-2，得，，因此，，（满足要求）（根据《钢结构-第二版》中的1.3.3.4）28 故，变截面柱平面内的整体稳定满足要求。B．变截面柱平面外的整体稳定计算：根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》6.1.4规定进行验算。，按c类截面查《钢结构设计规范》附录C，表C-3，得；因为柱一端铰接，故，。按下式进行验算：，（满足要求）（根据《钢结构-第二版》中的1.3.3.6）故，变截面柱平面外的整体稳定满足要求。注：当斜梁坡度不超过10°（1：5）时，因轴力很小可按压弯构件计算其强度和刚架平面外的稳定，不计算平面内的稳定。由于该厂房的屋面坡度为5.71°（1:10），则可不进行计算梁1的平面内的稳定。第一章连接节点计按照以下图端板的支承条件的连接方式计算。28 7.1梁柱节点设计采用以下图的连接方式计算。28 （1）节点连接方式：节点采用M30（10.9级）高强度摩擦型高强螺栓连接，构件接触采用喷砂，摩擦面抗滑移系数u=0.45，每个高强度螺栓的预拉力P=355KN（查《钢结构设计手册》，表4-12）。（2）节点内力：M=1056.8，N=312KN，Q=298.8KN。（3）螺栓杆轴方向受拉受剪验算：，取，，（满足抗剪要求）以下是一个高强度摩擦型螺栓连接的承载力验算：，（满足抗拉、抗剪要求）由于轴力、剪力引起的拉力可以忽略，故螺栓可承受的最大拉力为：28 则，。（满足抗拉要求）柱截面的平均高度为，，（满足要求）（按规范GBJ17-88规定，当时，对无局部压应力（）处可不配置加劲肋）故此节点不需要设加劲肋，由于中间螺栓属于无肋类，致使端板厚度过大，为了满足端板厚度的要求，同样为了减少力偶作用下的局部变形，故设三道加劲肋。（4）端板厚度计算：端板的厚度可根据不同的支撑条件进行计算，但不应小于16mm，和梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。a）伸臂类端板：；b）两边支承类端板：当端板外伸时，；当端板平齐时，；综上所算，取端板厚度。（5）梁柱相交的节点域剪力验算：，（满足要求）故不需要设置斜加劲肋，但是为了满足构造设计要求，在梁柱节点设置一道斜向加劲肋。28 7.2斜梁与斜梁的拼接节点设计采用以下图的连接方式计算。（1）节点连接方式：节点采用M24（10.9级）高强度摩擦型高强螺栓连接，构件接触采用喷砂，摩擦面抗滑移系数u=0.45，每个高强度螺栓的预拉力P=225KN（查《钢结构设计手册》，表4-12）。（2）节点内力：M=354.2，N=78KN，Q=85KN。28 （3）螺栓杆轴方向受拉受剪验算：（4）端板厚度计算：a）伸臂类端板：；b）两边支承类端板：当端板外伸时，；当端板平齐时，；故，取端板厚度。7.3屋脊梁梁拼接节点设计28 （1）节点连接方式：节点采用M24（10.9级）高强度摩擦型高强螺栓连接，构件接触采用喷砂，摩擦面抗滑移系数u=0.45，每个高强度螺栓的预拉力P=225KN（查《钢结构设计手册》，表4-12）。（2）节点内力：M=674.4，N=116KN，Q=35.3KN。（3）螺栓杆轴方向受拉受剪验算：（满足抗拉要求）（4）端板厚度计算：a）伸臂类端板：；b）两边支承类端板：当端板外伸时，；28 当端板平齐时，；故，取端板厚度。7.4钢柱柱脚设计28 （1）节点连接方式：钢柱柱脚采用铰接方式与基础连接，地角螺丝采用M24锚栓。（2）柱脚节点内力：M=0，N=332KN，Q=117.4KN。（3）柱脚地板的尺寸确定：，取截面，则，。a）悬臂板：b）三边支承板：，查表，得。，，由于柱脚底板的厚度不应小于钢柱中较厚板件的厚度，且不小于20mm，故取板厚为20mm。（4）柱脚水平抗剪计算：柱脚锚栓不宜用承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由底板与混凝土基础之间的摩擦力承受，摩擦系数取。，（满足要求）按规范,柱脚水平力V0.4N(N为柱脚垂直反力)可不设抗剪建，否则必须设置抗剪建，故不需要设置抗剪构件，但是为了满足构造要求，采用冷弯薄壁槽钢作为抗剪键，截面尺寸为，焊条E50。28 第一章隅撑设计与计算由于隅撑成对布置，角度，求出每根隅撑轴心压力为：，隅撑钢材材质一般为Q235B·F，截面尺寸选用L70X5，计算长度，截面特性为：，，则：，属于B类截面，查表可得，那么,。（满足要求）故隅撑满足稳定要求。28 第一章支撑设计与计算11.1水平支撑构件容许长细比：根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》3.5，中表3.5.2-1和表3.5.2-2详见下表：几何长度，容许长细比：，（1）支撑平面内：，需要最小回转半径：。（2）支撑平面外：，需要最小回转半径：。28 选用L125X12，，，。（满足要求）11.2柱间支撑几何长度，容许长度比：。（1）支撑平面内：，需要最小回转半径：。（2）支撑平面外：，需要最小回转半径：。选用2L125X12，连接板厚10mm，，（满足要求）下图：28