钢结构单层厂房结构计算书.doc
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钢结构单层厂房结构计算书
钢结构课程设计
---王子涵
一、设计资料
该设计为单层厂房设计,采用单跨双坡门式刚架,刚架跨度18m,柱高6m;共有12榀刚架,柱距6m,屋面坡度1:
10;地震设防列度为6度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度值0、05g。
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,内填充以保温玻璃棉板,详细做法见建筑专业设计文件;考虑经济、制造与安装方便,檩条与墙梁均采用冷弯薄壁卷边C型钢,间距为1、5m,钢材采用Q235钢,焊条采用E43型。
二、荷载计算
（一）荷载取值计算
1.屋盖永久荷载标准值（对水平投影面）
YX51-380-760型彩色压型钢板
0、15KN/m2
50mm厚保温玻璃棉板
0、05KN/m2
PVC铝箔及不锈钢丝网
0、02KN/m2
檩条及支撑
0、10KN/m2
刚架斜梁自重
0、15KN/m2
悬挂设备
0、20KN/m2
合计
0、67KN/m2
2.屋面可变荷载标准值
屋面活荷载:
按不上人屋面考虑,取为0、50KN/m2。
雪荷载:
基本雪压S0=0、45KN/m2。
对于单跨双坡屋面,屋面坡角
α=5°42′38″,μr=1、0,雪荷载标准值Sk=μrS0=0、45KN/m2。
取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0、50KN/m2,不考虑积灰荷载。
3.轻质墙面及柱自重标准值（包括柱、墙骨架等）0、50KN/m2
4.风荷载标准值
按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:
2002附录A的规定计算。
基本风压ω0=1、05×0、45KN/m2,地面粗糙度类别为B类;风荷载高度变化系数按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）的规定采用,当高度小于10m时,按10m高度处的数值采用,μz=1、0。
风荷载体型系数μs:
迎风面柱及屋面分别为＋0、25与－1、0,背风面柱及屋面分别为＋0、55与－0、65（CECS102:
2002中间区）。
5.地震作用
据《全国民用建筑工程设计技术措施—结构》中第18、8、1条建议:
单层门式刚架轻型房屋钢结构一般在抗震设防烈度小于等于7度的地区可不进行抗震计算。
故本工程结构设计不考虑地震作用。
（二）各部分作用的荷载标准值计算
屋面:
恒荷载标准值:
0、67×6=4、02KN/m
活荷载标准值:
0、50×6=3、00KN/m
柱荷载:
恒荷载标准值:
0、5×6×6+4、02×9=54、18KN
活荷载标准值:
3、00×9=27、00KN
风荷载标准值:
迎风面:
柱上qw1=0、47×6×0、25=0、71KN/m
横梁上qw2=－0、47×6×1、0=－2、82KN/m
背风面:
柱上qw3=－0、47×6×0、55=－1、55KN/m
横梁上qw4=－0、47×6×0、65=－1、83KN/m
三、内力分析
考虑本工程刚架跨度较小、厂房高度较低、荷载情况及刚架加工制造方便,刚架采用等截面,梁柱选用相同截面。
柱脚按铰接支承设计。
采用弹性分析方法确定刚架内力。
引用《钢结构设计与计算》（包头钢铁设计研究院编著,机械工业出版社）中表2－29（铰接柱脚门式刚架计算公式）计算刚架内力。
1.在恒荷载作用下
λ=l/h=18/6=3
ψ=f/h=0、9/6=0、15
k=h/s=6/9、0449=0、6634
μ=3+k+ψ（3+ψ）=3+0、6634+0、15×（3+0、15）=4、1359
HA=HE=qlλΦ/8=4、02×18×3×0、5289/8=14、35KN
MC=ql2[1－（1+ψ）Φ]/8=4、02x182[1－（1+0、15）×0、5289]=63、78KN·m
MB=MD=－ql2Φ/8=－4、02×182×0、5289/8=－86、11KN·m
刚架在恒荷载作用下的内力如图。
内力计算的“+、－”号规定:
弯矩图以刚架外侧受拉为正,在弯矩图中画在受拉侧;轴力以杆件受压为正,剪力以绕杆端顺时针方向旋转为正。
2.在活荷载作用下
VA=VE=27、00KN
HA=HE=3、00×18×3×0、5289/8=10、71KN
MC=3、00×182[1－（1+0、15）×0、5289]/8=47、60KN·m
MB=MD=－3、00×182×0、5289/8=－64、26KN·m
刚架在活荷载作用下的内力如图。
3.在风荷载作用下
对于作用于屋面的风荷载可分解为水平方向的分力qx与竖向的分力qy。
现分别计算,然后再叠加。
（1）在迎风面横梁上风荷载竖向分力qw2y作用下
VA=2、82×9－6、35=19、03KN
HA=HE=qlλΦ/4=2、82×18×3×0、1322/4=5、03KN
MB=MD=5、03×6=30、18KN·m
MC=ql2[α2－（1+ψ）Φ]/4=2、82×182×[0、52－1、15×0、1322]/4=22、38KN·m
刚架在qw2y作用下的内力如图
（2）在背风面横梁上风荷载竖向分力qw4y作用下
VA=1、83×9－4、12=12、35KN
HA=HE=qlλΦ/4=1、83×18×3×0、1322/4=3、27KN
MB=MD=3、27×6=19、62KN·m
MC=ql2[α2－（1+ψ）Φ]/4=1、83×182×[0、52－1、15×0、1322]/4=14、52KN·m
刚架在qw4y作用下的内力如图。
（3）在迎风面柱上风荷载qw1作用下
α=1,
VA=－VB=－qh12/2L=－0、71×62/（2×18）=－0、71KN
HE=0、71×6－3、22=1、04KN
MD=1、04×6=6、24KN·m
刚架在qw1作用下的内力如图。
（4）在背风面柱上风荷载qw3作用下
VA=－VB=－qh12/2L=－1、55×62/（2×18）=－1、55KN
HA=1、55×6－7、02=2、28KN
MD=7、02×6－1、55×62/2=14、22KN·m
MB=2、28×6=13、68KN·m
刚架在qw3作用下的内力如图。
（5）在迎风面横梁上风荷载水平分力qw2x作用下
α=1,β=0
HA=2、82×0、9（1+0、0202）/2=1、29KN
HE=2、82×0、9－1、29=1、25KN
MB=1、29×6=7、74KN·m
MD=1、25×6=7、50KN·m
刚架在qw2x作用下的内力如图。
（6）在背风面横梁上风荷载水平分力qw4x作用下
HA=1、83×0、9（1+0、0202）/2=0、84KN
HE=1、83×0、9－0、84=0、81KN
MB=0、81×6=4、86KN·m
MD=0、84×6=5、04KN·m
刚架在qw4x作用下的内力如图。
（7）用叠加绘制在风荷载作用下刚架的组合内力。
四、内力组合
刚架结构构件按承载能力极限状态设计,根据《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）的规定,采用荷载效应的基本组合:
γ0S≤R。
本工程结构构件安全等级为二级,γ0=1、0。
对于基本组合,荷载效应组合的设计值S从下列组合值中取最不利值确定:
A.1、2×恒荷载标准值计算的荷载效应+1、4×活荷载标准值计算的荷载效应
B.1、0×恒荷载标准值计算的荷载效应+1、4×风荷载标准值计算的荷载效应
C.1、2×恒荷载标准值计算的荷载效应+1、4×活荷载标准值计算的荷载效应+0、6×1、4×风荷载标准值计算的荷载效应
D.1、2×恒荷载标准值计算的荷载效应+1、4×风荷载标准值计算的荷载效应+0、7×1、4×活荷载标准值计算的荷载效应
E.1、35×恒荷载标准值计算的荷载效应+0、7×1、4×活荷载标准值计算的荷载效应
本工程不进行抗震验算。
最不利内力组合的计算控制截面取柱底、柱顶、梁端及梁跨中截面,对于刚架梁,截面可能的最不利内力组合有:
梁端截面:
（1）Mmax及相应的N、V;
（2）Mmin及相应的N、V
梁跨中截面:
（1）Mmax及相应的N、V;
（2）Mmin及相应的N、V
对于刚架柱,截面可能的最不利内力组合有:
（1）Mmax及相应的N、V;
（2）Mmin及相应的N、V
（3）Nmax及相应的±Mmax、V ; （4）Nmin及相应的±Mmax、V
内力组合见表1。
刚架内力组合表（以左半跨为例）
表1
截面
内力组组合项目
荷载组合方式
荷载组合项目
M
（KN·m）
N
（KN）
V
（KN）
刚
架
柱
柱顶（B点）
Mmax及相应的N、V
A
1、2×恒+1、4×活
193、30
81、22
－32、21（←）
Mmin及相应的N、V
B
1、0×恒+1、4×风
－7、89
1、05
－1、67（←）
Nmax及相应的±Mmax、V
A
1、2×恒+1、4×活
193、30
81、22
－32、21（←）
Nmin及相应的±Mmax、V
B
1、0×恒+1、4×风
－7、89
1、05
－1、67（←）
柱底（A点）
Mmax及相应的N、V
Mmin及相应的N、V
Nmax及相应的±Mmax、V
A
1、2×恒+1、4×活
0
102、82
－32、21（→）
Nmin及相应的±Mmax、V
B
1、0×恒+1、4×风
0
19、05
4、30（←）
刚
架
梁
支座（B点）
Mmax及相应的N、V
A
1、2×恒+1、4×活
193、30
39、89
77、60（↑）
Mmini及相应的N、V
B
1、0×恒+1、4×风
－7、89
1、57
0、89（↑）
跨中（C点）
Mmax及相应的N、V
B
1、0×恒+1、4×风
－9、40
－2、03
0、60（↓）
Mmin及相应的N、V
A
1、2×恒+1、4×活
－143、18
31、81
－3、21（↑）
注:
内力计算的“+、－”号规定:
弯矩图以刚架外侧受拉为正,轴力以杆件受压为正,剪力以绕杆端顺时针方向旋转为正。
五、刚架设计
（一）截面设计
参考类似工程及相关资料,梁柱截面均选用焊接工字钢450×200×8×12,截面特性:
B=200mm,H=450mm,tw=8、0mm,tf=12、0mm,A=82、1cm2
Ix=28181cm4,Wx=1252cm3,ix=18、53cm
Iy=1602cm4,Wx=160、2cm3,ix=4、42cm
（二）构件验算
1.构件宽厚比的验算
翼缘部分:
腹板部分:
2.刚架梁的验算
（1）抗剪验算
梁截面的最大剪力为Vmax=77、60KN
考虑仅有支座加劲肋,
fv=125N/mm2
Vu=hwtwfv=426×8×125=426000N=426、0KN
Vmax=77、60KN（2）弯、剪、压共同作用下的验算
取梁端截面进行验算
N=39、89KN,V=77、60KN,M=193、30KN·N
因V<0、5Vu,取V=0、5Vu,按规范GB70017式4、4、1-1验算,
=220、90KN·m>M=193、30KN·m,取M=Mf
故,满足要求。
（3）整体稳定验算
N=39、89KN,M=193、30KN·m
A.梁平面内的整体稳定性验算。
计算长度取横梁长度lx=18090mm,
λx=lx/ix=18090/185、3=97、63<[λ]=150,b类截面,查表得ψx=0、570
βmx=1、0
=165、15N/mm2B.横梁平面外的整体稳定验算
考虑屋面压型钢板与檩条紧密连接,有蒙皮作用,檩条可作为横梁平面外的支承点,但为安全起见,计算长度按两个檩距或隅撑间距考虑,即ly=3015mm。
对于等截面构件γ=0,μs=μw=1
λy=μsl/iy0=3015/44、2=68、2,b类截面,查表得ψy=0、762
取ψb’=1、07－0、282/ψby=0、821
故,满足要求。
梁跨中截面:
故,满足要求。
（5）验算檩条集中荷载下的局部受压承载力
檩条传给横梁上翼缘的集中荷载:
F=（1、2×0、27×6+1、4×3、00）×3=18、43KN
Lz=a+5hy+2hR=70+5×12+0=130mm
验算腹板上边缘处的折算应力:
取梁端截面处的内力:
M=193、30KN·m,N=39、89KN,V=77、60KN
σc=17、72N/mm2
=130、65N/mm2<1、2f=258N/mm2,满足要求。
3.刚架柱的验算
（1）抗剪验算
柱截面的最大剪力为Vmax=32、21KN
考虑仅有支座加劲肋,
fv=125N/mm2
Vu=hwtwfv=426×8×125=426000N=426、0KN
Vmax=32、21KN（2）弯、剪、压共同作用下的验算
取梁端截面进行验算
N=81、22KN,V=32、21KN,M=193、30KN·N
因V<0、5Vu,取V=0、5Vu,按规范GB70017式4、4、1-1验算,
=215、61KN·m>M=193、30KN·m,取M=Mf
故,满足要求。
（3）整体稳定验算
构件的最大内力:
N=102、82KN,M=193、30KN·m
A.刚架柱平面内的整体稳定性验算。
刚架柱高H=6000mm,梁长L=18090mm、
柱的线刚度K1=Ic1/h=28181×104/6000=46968、3mm3
梁线刚度K2=Ib0/（2ψS）=28181×104/（2×9045）=15578、2mm3
K2/K1=0、332,查表得柱的计算长度系数μ=2、934。
刚架柱的计算长度lx=μh=17604mm。
λx=lx/ix=17604/185、3=95。
0<[λ]=150,b类截面,查表得ψx=0、588
βmx=1、0
=181、45N/mm2B.刚架柱平面外的整体稳定验算
考虑屋面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,但为安全起见,计算长度按两个墙梁距离或隅撑间距考虑,即ly=3000mm。
对于等截面构件γ=0,μs=μw=1
λy=μsl/iy0=3000/44、2=67、9,b类截面,查表得ψy=0、764
取ψb’=1、07－0、282/ψby=0、822
（4）按《钢结构设计规范》（GB50017－2003）校核刚架柱腹板容许高厚比
柱顶截面:
故,满足要求。
柱底截面:
故,满足要求。
4.验算刚架在风荷载作用下的侧移μ
Ic=Ib=28181cm4,ζt=Icl/hIb=18000/6000=3、0
刚架柱顶等效水平力按下式计算:
H=0、67W=0、67×13、56=9、09KN
其中W=（ω1+ω4）·h=（0、71+1、55）×6、0=13、56KN
（三）节点验算
1.梁柱连接节点
（1）螺栓强度验算
梁柱节点采用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190KN,连接处传递内力设计值:
N=39、89KN,V=77、60KN,M=193、30KN·m。
每个螺栓的拉力:
螺栓群的抗剪力:
满足要求。
最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力:
满足要求。
（2）端板厚度验算
端板厚度取为t=21mm。
按二边支承类端板计算:
（3）梁柱节点域的剪应力验算
满足要求。
（4）螺栓处腹板强度验算
Nt2=75、70KN<0、4P=0、4×190=76、0KN
满足要求。
2.横梁跨中节点
横梁跨中节点采用10、9级M20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155KN,连接处传递内力设计值:
N=31、81KN,V=3、21KN,M=143、18KN·m。
每个螺栓的拉力:
螺栓群的抗剪力:
满足要求。
最外排一个螺栓的抗剪、抗拉力:
满足要求。
（2）端板厚度验算
端板厚度取为t=18mm。
按二边支承类端板计算:
（3）螺栓处腹板强度验算
Nt2=55、79KN<0、4P=0、4×155=62、0KN
满足要求。
柱脚设计
刚架柱与基础铰接,采用平板式铰接柱脚。
（1）柱脚内力设计值
Nmax=102、82KN,相应的V=32、21KN;
Nmin=19、05KN,相应的V=4、30KN。
（2）由于柱底剪力较小,
Ｖmax=32、21KN<0、4Nmax=41、13KN,故一般跨间不需剪力键;但经计算在设置柱间支撑的开间必须设置剪力键。
另Nmin>0,考虑柱间支撑竖向上拔力后,锚栓仍不承受拉力,故仅考虑柱在安装过程中的稳定,按构造要求设置锚栓即可,采用4M24。
（3）柱脚底板面积与厚度的计算
A.柱脚底板面积的确定
b=b0+2t+2c=200+2×12+2×（20~50）=264~324mm,取b=300mm;
h=h0+2t+2c=450+2×12+2×（20~50）=514~574mm,取h=550mm;
底板布置如图。
验算底板下混凝土的轴心抗压强度设计值:
基础采用C20混凝土,fc=9、6N/mm2
满足要求。
B.底板厚度的确定
根据柱底板被柱腹板与翼缘所分割的区段分别计算底板所承受的最大弯距:
对于三边支承板部分:
b2/b1=96/426=0、225<0、3,按悬伸长度为b2的悬壁板计算:
对于悬壁板部分:
底板厚度,取t=20mm。
六、其它构件设计
（一）隅撑的设计
隅撑按轴心受压构件设计。
轴心力N按下式计算:
连接螺栓采用普通C级螺栓M12。
隅撑的计算长度取两端连接螺栓中心的距离:
l0=633mm。
选用L50×4,截面特性:
A=3、90cm2,Iu=14、69cm4,Wu=4、16cm3,iu=1、94cm,iv=0、99cmλu=l0/iu=633/19、4=32、6<[λ]=200,
b类截面,查表得ψu=0、927
单面连接的角钢强度设计值乘以折减系数αy:
λ=633/9、9=63、94,
αy=0、6+0、0015λ=0、696
满足要求。
（二）檩条的设计
基本资料
檩条选用冷弯薄壁卷槽形钢,按单跨简支构件设计。
屋面坡度1/10,檩条跨度6m,于跨中设一道拉条,水平檩距1、5m。
材质为钢材Q235。
荷载及内力
考虑永久荷载与屋面活荷载的组合为控制效应。
檩条线荷载标准值:
Pk=（0、27+0、5）×1、5=1、155KN/m
檩条线荷载设计值:
Pk=（1、2×0、27+1、4×0、5）×1、5=1、536KN/m
Px=Psinα=0、153KN/m,Py=Pcosα=1、528KN/m;
弯距设计值:
Mx=Pyl2/8=1、528×62/8=6、88KN·m
My=Pxl2/8=0、153×62/32=0、17KN·m
截面选择及截面特性
选用C180×70×20×2、2
Ix=374、90cm4,Wx=41、66cm3,ix=7、06cm;
Iy=48、97cm4,Wymax=23、19cm3,Wymin=10、02cm3,iy=2、55cm,χ0=2、11cm;
先按毛截面计算的截面应力为:
（压）
（压）
（拉）
（2）受压板件的稳定系数
A.腹板
腹板为加劲板件,ψ=σmin/σmax=－157、82/172、48=－0、915>－1,
k=7、8－6、29ψ+9、78ψ2=21、743
B.上翼缘板
上翼缘板为最大压力作用于部分加劲板件的支承边,
ψ=σmin/σmax=148、18/172、48=0、859>－1,
kc=5、89－11、59ψ+6、68ψ2=0、863
（3）受压板件的有效宽度
A.腹板
k=21、743,kc=0、863,b=180mm,c=70mm,t=2、2mm,σ1=172、48N/mm2
板组约束系数k1=0、11+0、93/（ξ－0、05）2=0、367
由于ψ=σmin/σmax<0,取α=1、5,
bc=b/（1－ψ）=180/（1+0、915）=93、99mm
b/t=180/2、2=81、82
18αρ=18×1、15×3、080=63、76,38αρ=38×1、15×3、080=134、60
所以18αρ
则截面有效宽度
be1=0、4be=0、4×81、62=32、65mm,be2=0、6be=0、6×81、62=48、97mm
B.上翼缘板
k=0、863,kc=21、743,b=70mm,c=180mm,σ1=172、48N/mm2
板组约束系数
由于ψ=σmin/σmax>0,则α=1、15－0、15ψ=1、15－0、15×0、859=1、021,
bc=b=70mm,b/t=70/2、2=31、82
18αρ=18×1、021×1、197=22、00,38αρ=38×1、021×1、197=46、44
所以18αρ
则截面有效宽度
be1=0、4be=0、4×57、05=22、82mm,be2=0、6be=0、6×57、05=34、23mm
C.下翼缘板
下翼缘板全截面受拉,全部有效。
（4）有效净截面模量
上翼缘板的扣除面积宽度为:
70－57、05=12、95mm;腹板的扣除面积宽度为:
93、99－81、62=12、37mm,同时在腹板的计算截面有一φ13拉条连接孔（距上翼缘板边缘35mm）,孔位置与扣除面积位置基本相同。
所以腹板的扣除面积按φ13计算,见图。
有效净截面模量为:
Wenx/Wx=0、915,Wenymax/Wymax=0、973,Wenymin/Wymin=0、972
4.强度计算
按屋面能阻止檩条侧向失稳与扭转考虑:
5.挠度计算
满足要求。
6.构造要求
λx=600/7、06=85、0<[λ]=200,满足要求
λy=300/2、55=117、6<[λ]=200,满足要求
（三）墙梁设计
1.基本资料
本工程为单层厂房,刚架柱距为6m;外墙高7、35m,标高1、200m以上采用彩色压型钢板。
墙梁间距1、5m,跨中设一道拉条,钢材为Q235。
2.荷载计算
墙梁采用冷弯薄壁卷边C型钢160×60×20×2、5,自重g=7kg/m;
墙重0、22KN/m2;
风荷载
基本风压ω0=1、05×0、45=0、473KN/m2,风荷载标准值按CECS102:
2002中的围护结构计算:
ωk=μsμzω0,μs=－1、1（+1、0）
本工程外墙为落地墙,计算墙梁时不计墙重,另因墙梁先安装故不计拉条作用。
qx=1、2×0、07=0、084KN/m,qy=－1、1×0、473×1、5×1、4=－1、093KN/m
3.内力计算
Mx=0、084×62/8=0、37
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