轻型门式刚架结构设计 2.docx
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轻型门式刚架结构设计 2.docx
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轻型门式刚架结构设计2
轻型门式刚架结构设计
姓名******
学号200900202***
专业土木工程
学院土建与水利学院
指导教师*****
2012.06
目录
设计任务书······························································3
设计说明·································································5
计算过程································································6
一、设计资料及刚架设计···················································6
二、檩条设计····························································7
三、内力计算及内力组合··················································8
(1)钢架内力计算························································8
(2)钢架内力组合························································14
四、钢架设计
(1)截面设计····························································14
(2)构件验算····························································15
(3)节点验算····························································17
五、参考文献·····························································22
轻型门式刚架结构设计任务书
1、设计目的
1、复习钢结构课程内容,综合运用所学知识,学习钢结构设计过程
2、学习钢结构方案设计、详细设计和施工图设计
3、学习编制结构计算书
4、为毕业设计做必要的准备
2、基本要求
1、掌握门式刚架结构设计的内容、方法和步骤,认真考虑影响设计的各项因素。
2、了解和掌握与设计有关的设计规范和规定,并能在设计中正确应用。
3、根据建筑设计要求,正确选择结构形式,合理布置结构。
4、掌握门式刚架结构的计算方法和构造要求。
5、认真绘制施工图和编写说明书、计算书。
3、设计资料
1、结构形式:
门式刚架,见附件1,具体尺寸见分配表格。
2、屋面板和墙面板:
彩色压型钢板
3、构件形式:
梁柱为等截面实腹式焊接H型截面,檩条为冷弯薄壁C型截面
4、节点形式:
梁柱刚接节点;梁梁连接(端板刚接);柱脚
5、基础:
柱下独立基础;混凝土:
C30;钢筋二级筋;基础埋深1.5m,地基:
6、荷载种类:
恒载,活载和风荷载(见分组单),不考虑其它荷载
4、设计内容
1、刚架设计:
结构立面图、结构平面布置图;
2、檩条设计:
檩条详图,檩条、支撑布置图
3、节点及构造详图:
梁柱连接、梁梁连接及柱脚详图;
4、设计说明书及计算书1份;
5、参考文献
1、《钢结构设计规范》GB50017-2003.北京:
中国计划出版社.2003
2、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:
2002,北京:
中国计划出版社.2002
3、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002.北京:
中国计划出版社.2002
4、轻型钢结构设计计算与实例,本书编委会编人民交通出版社2008
5、李星荣.钢结构连接节点设计手册.北京:
中国建筑工业出版社.2005
6、陈绍蕃.钢结构房屋设计.北京:
中国建筑工业出版社.2003
7、轻型钢结构设计数据资料一本全,本书编委会编中国建材工业出版社2007
8、舒赣平,王恒华,范圣刚编著.轻型钢结构民用与工业建筑设计,中国电力出版社2006,
9、周绪红.钢结构设计指导与实例精选.北京:
中国建筑工业出版社.2008
10.朱海宁,王东,赵瑜编著.轻型钢结构建筑构造设计.东南大学出版社2003.11
钢结构设计说明
1.本工程结构体系为单层轻型刚架结构
2.设计依据:
《钢结构设计规范》(GB50017-2003);
《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001);
《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:
2002);
《冷弯薄壁型钢钢结构技术规范》(GB50018-2002);
《轻型钢结构设计规程》(DBJ08-68-97)
3.设计荷载标准值:
恒载:
屋面自重,标准值,沿坡向0.25KN/m2;檩条重量7.05kg/m;钢架柱重量94.57.05kg/m;钢架梁重量667.05kg/m;
活载0.40KN/m2
风荷载0.35KN/m2
4.焊条材料:
Q235钢,用E43焊条自动或半自动焊;
5.钢结构刚架采用Q235B钢,檩条采用冷弯薄壁C型钢,材料为Q235B钢,其机械性能即抗拉强度、伸长率、屈服强度、冷弯性能和化学成分均符合规范规定,且具备钢材出厂证明和合格保证。
6.本设计中的焊缝均为满焊,且符合规范要求,焊缝等级不低于2级,未注明的焊角尺寸均为6mm,未注明的螺栓均为C级,且为M16。
7.加劲肋在翼缘两侧均为对称布置
8.本工程具体选用材料如下:
檩条:
冷弯薄壁型钢Q235b,C200x70x20x2.5
刚架梁:
H型钢Q235b,HN400x200x8x13
刚架柱:
H型钢Q235b,HW300×300×10×15
螺栓:
10.9级
9.本工程的柱脚为:
外露式柱脚,所用锚栓为M24
10.本工程的梁柱连接采用斜接的方式,梁梁采用顶端对接方式,具体见图纸。
轻型门式刚架结构计算书
一、设计资料及刚架设计。
结构形式为门式刚架,刚架跨度24m,柱高7.2m,柱距6m,屋面坡度0.10,地震设防列度为6度,不考虑地震作用。
刚架平面布置见图1(a),刚架形式及几何尺寸见图1(b)。
屋面及墙面板均为彩色压型钢板,考虑经济、制造和安装方便,檩条采用冷弯薄壁卷边C型钢,间钢材采用Q235钢,焊条采用E43型。
图1(a)钢架平面布置图
图1(b)刚架的形式及坡度
二、檩条设计。
1.
(1)荷载统计。
1)屋面自重(标准值,沿坡向)0.25KN/m2
2)屋面活荷载标准值0.40KN/m2
3)屋面基本风压0.35KN/m2
地面粗糙度为B类,按封闭建筑选取中间单元,钢架风荷载体型系数如下:
2、根据恒载+活载组合初估檩条截面。
设计值:
q=1.05(1.2×0.25+1.4×0.4)×1.5=1.3545(KN/m)
qx=qsinα=1.3545x0.0995=0.13477(KN/m)
qy=qcosα=1.3545x0.995=1.3477(KN/m)
最大Mx和最大My都发生在檩条跨度中点截面处
则受力图如下所示:
初选C200x70x20x2.5
Ix=538.21cm4ix=7.74cmWx=53.82cm3ρ=7.05kg/m=0.06909kn/m
Iy=56.27cm4iy=2.50cmwymax=28.18cm3wymin=11.25cm3
则考虑重力因素则:
Mx=0.83x62x0.995/8+6.065=6.437KN·m
My=0.83x32x0.0995/8+0.1526=0.161KN·m
截面验算:
(1)
满足要求。
(2)可知只验算垂直于屋面的扰度就可以
qyk=[(0.25+0.4)x1.5+1.2x0.06909]x0.995=1.058KN·m
(3)长细比检验:
λx=6000/77.4=77.5<[λ]=200
λy=3000/25=120<[λ]=200,满足要求、
三、内力计算及内力组合
(1)钢架内力计算
1.恒载荷载情况:
(1)加载情况
(2)轴力图
(3)剪力图
(4)弯矩图
2、活载情况:
加载情况
(1)轴力图
(2)剪力图
(4)弯矩图
3、风载情况:
(1)加载情况
(1)轴力图
(3)剪力图
\
(4)弯矩图
进行内力统计的下表:
控制截面
M(Kn.m)
V(KN)
N(KN)
恒荷载和活荷载组合
恒荷载风和荷载和组合
恒荷载、风荷载和活荷载组合
A
N
-65.26357002
-4.38467908
-44.08170526
V
-44.0174105
11.31561886
-15.59200132
M
109.16738126
-29.19764274
37.53800456
B
N
-65.26357002
-4.38467908
-44.08170526
V
-44.0174105
-5.618781042
-32.526401222
M
-207.75797584
-8.68902702
-135.68824594
C
N
-50.29292846
-6.027187976
-36.751272556
V
60.55978338
3.80382916
40.62643834
M
-207.75797584
-8.68902702
-135.68824594
D
N
-43.8563474
-3.504380696
-30.314691496
V
-4.302227512
-0.331599508
-2.961995864
M
136.06104046
12.78438262
96.0156842
E
N
-43.83983114
-3.500650286
-30.300934426
V
4.467390368
0.368903612
3.099566764
M
136.06104046
12.78438262
96.0156842
F
N
-49.5208865
-5.726154806
-35.981989786
V
-60.4673693
-7.3407482
-44.10721234
M
-206.06306246
-29.7343163
-155.70576736
G
N
-65.09479364
-7.87409122
-47.46865854
V
43.25839566
4.967305242
31.414586382
M
-206.06306246
-29.7343163
-155.70576736
H
N
-65.09479364
-7.87409122
-47.46865854
V
43.25839566
15.047305242
41.494586382
M
105.39738692
42.318281614
106.76725529
四、刚架设计
(一)、刚架柱和刚架梁的截面初选。
根据构造要求及经验可以初选柱的为
HW300×300×10×15
截面特性为:
Ix=20500cm4Iy=6760cm4ix=13.1cmiy=7.49cmWx=1370cm3Wy=450cm3
A=120.4cm2理论重量:
94.5kg/m
初选刚梁柱为:
HN400x200x8x13
截面特性:
Ix=23700cm4Iy=1740cm4ix=16.8cmiy=4.54cmWx=1190cm3Wy=174cm3
A=84.12cm2理论重量:
66kg/m
由上述统计内力得到两组不利组合。
(2)、截面验算。
一)刚架柱截面验算。
根据内力组合可得一组最不利内力:
Mmax=207.7KN/mN=65.3KN
1、正截面强度验算。
满足要求。
2、整体稳定性验算:
(1)、钢架柱平面内的稳定性验算。
计算长度lx=3.6m
λx=lx/ix=360/13.1=27.5<[λ]=150,属于b类截面,查表得φx=0.968
(2)钢架柱平面外的整体稳定性验算:
计算长度ly=3.6m
λy=ly/iy=3600/45.4=48.06<[λ]=150,属于b类截面,查表得:
φx=0.864
(3)长细比检验:
λy=48.06<[λ]=150,满足要求
λx=27.5<[λ]=150,满足要求。
(4)抗剪检验:
Vmax=44.02KN
满足要求。
二)、钢架梁的检验
根据内力计算可知最不利界面内力为:
Mmax=207.7KN/mN=50.3KN
1、正截面强度验算:
2、钢架梁截面内的整体稳定性计算:
计算长度lx=12m
λx=lx/ix=12000/168=71.4<[λ]=150,属于a类截面,
查表得φx=0.836
3钢架平面外的稳定验算:
计算长度ly=3m
λy=ly/iy=3000/45.4=66<[λ]=150,属于b类截面,查表得:
φx=0.774
长细比验算:
λx=71.4<[λ]=150,满足要求
λy=66<[λ]=150,满足要求。
4、揉度验算:
有结构力知识结合力学求解机器可得跨中最大揉度为:
满足要求。
5、抗剪检验:
Vmax=43.9KN
满足要求。
(三)节点设计。
1.梁柱节点
(1)螺栓强度验算
梁柱节点采用10.9级M24高强度摩擦型螺栓连接,构件接触面采用喷砂,摩擦面抗滑移系数μ=0.45,每个高强度螺栓的预拉力为P=225kN。
荷载组合和自重产生的合内力为:
M=232.4N·mV=67.7kNN=56.2kN
螺栓承载力设计值
单个螺栓承载力:
每个螺栓的拉力:
满足要求。
螺栓群的抗剪力:
Nv=V/n=56.2/12=4.7kN<101.5kN,满足要求。
位于最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力:
满足要求。
(2)端板厚度验算
取端板厚度为26mm
(3)螺栓处腹板强度验算
满足要求,不需设置腹板加劲肋。
2.横梁跨中节点
横梁跨中节点采用10.9级M22高强度摩擦型螺栓连接,构件接触面采用喷砂,摩擦面抗滑移系数μ=0.45,每个高强度螺栓的预拉力为P=190KN,连接处传递内力设计值:
N=-49.4KN,V=-5.02KN,M=152.1KN·m。
每个螺栓的剪力和拉力设计值:
螺栓的强度检验
(2)板端厚度验算:
板端厚度取22mm
按二边支撑类端计算
满足要求。
3.柱脚节点
考虑柱自重,三种荷载组合作用下,两个柱脚的最不利内力为
M=121.2kN·m,V=-73.1kN,N=-49.2kN
选择C30混凝土基础,fc=14.3N/mm2设局部承压的提高系数为β=1.1,
则f=βfc=1.1×14.3=15.73N/mm2,取底板上锚栓孔径为d=40mm
(1)、确定底板平面尺寸
取底板宽度取为B=400mm,
根据基础的最大受压应力确定底板长度L:
求得L=308.8mm可知大于柱截面长度,根据构造要求可取L=600mm
估算底板下应力
σmin
为负值,说明柱脚需要用锚栓来承担拉力
(2)确定锚栓直径
锚栓设置在柱腹板中线和中性轴处,如图所示:
取锚栓中心至底板边缘的距离为50mm
则对底板合力C取矩∑M=0
Nt(L-50-e/3)=M-N(L/2-e/3)
试选Q345锚栓fft=180N/mm2
选用4个的锚栓,则每个螺栓的最小有效面积为Ae=A/4=338.8mm2
查表得用d=24mm其有效截面积为Ae=352.5mm2,螺栓孔d0=25.5mm
R=N+Nt=73.1+243.94=317.04kN
受压区最大压应力:
3.84N/mm2<1.1fc15.73N/mm2,满足要求。
(3)确定底板厚度
在底板的三边支撑区,因为基础所受压应力较大,边界条件较不利。
因此这部分板所承受的弯矩最大。
取q=3.84N/mm2由b=150mm,
a=300mm,查表得弯矩系数
β=0.0508
单位板宽的最大弯矩:
M=βq
a2=0.058×3.84×3002=20045N·mm
设取底板厚度t在16~40mm之间,强度设计值为f=205N/mm2
底板厚度为:
按照构造要求取t=26mm
(4)靴梁设计计算
1)靴梁强度验算
靴梁惯性矩:
靴梁板承受的最大弯矩:
靴梁最大力:
靴梁承担剪力:
,满足要求。
2)靴梁与柱身间连接焊缝计算
靴梁与柱身用4条竖直焊缝连接,靴梁板厚15mm,
根据构造要求取焊缝宽度
取hf=8mm
满足要求。
2)靴梁与底板间水平焊缝计算
水平底板厚25mm,靴梁厚15mm
根据构造要求,
取hf=8mm
满足要求。
设计完毕。
相关详细布置图及节点详图详见图纸。
五、参考文献
1、《钢结构设计规范》GB50017-2003.北京:
中国计划出版社.2003
2、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:
2002,北京:
中国计划出版社.2002
3、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002.北京:
中国计划出版社.2002
4、轻型钢结构设计计算与实例,本书编委会编人民交通出版社2008
5、李星荣.钢结构连接节点设计手册.北京:
中国建筑工业出版社.2005
6、陈绍蕃.钢结构房屋设计.北京:
中国建筑工业出版社.2003
7、轻型钢结构设计数据资料一本全,本书编委会编中国建材工业出版社2007
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