门式钢结构计算书.docx

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门式钢结构计算书

门架计算书

编制：

复核：

审核：

二〇一八年六月

门架车计算书

1.编制依据

1）《门架结构示意图》

2）《钢结构设计规范》

3）《2012版本midas有限元分析软件》

4）《路桥施工计算手册》

2.门架车结构简述

门架车由走形系统、门架总成组成，各部自成体系，相互独立又相互联系。

门架内轮廓尺寸为

，总长23m；门架立柱φ630×14；门架上横梁由钢板δ10mm组焊的箱型截面□900×770×10；门架下纵梁由钢板δ20mm组焊的箱型截面□680×770×10；门架车的上部采用热轧H型钢HN400×200×8×13作为上纵梁传递上部浇筑混凝土时的施工荷载；门架车立柱之间横向连接采用热轧H型钢HN300×150×6.5×9，斜向连接采用角钢L100×100，如下图所示：

图1门架车侧面图

图2门架车正视图

门架主构件之间采用高强螺栓连接，立柱之间连接体系可采用普通螺栓连接

3.计算参数

3.1.钢材物理性能指标

弹性模量

；质量密度

。

3.2.钢材强度设计值

参考《钢结构设计规范》强度设计值，结构设计强度参考下表所示：

表1结构设计强度参考值

材料名称

板厚（mm）

设计强度（MPa）

容许挠度值

抗拉、抗弯、抗拉

抗剪

Q235

≤16

215

125

L/400

16—40

205

115

表中：

L表示梁自由长度，本文选用中心距离长度；

4.荷载分析

4.1.载荷分析

根据设计要求，门架车主要功能为上部混凝土施工提供支撑作用，混凝土浇筑如下图所示：

图3门架车施工时的示意图

根据上图所示，结构施工过程中受到载荷主要为结构自重、混凝土自重、模板重量、机具及施工人员重量、调整模板支架重量、混凝土倾倒及振捣荷载等

1、结构自重G结：

考虑建模过程未考虑结构连接节点重量及箱型劲板，因此自重采用1.2自重系数计算；

2、混凝土自重G混：

G混=γh=25KN/m3×1m=25KN/m2

式中γ—混凝土容重，取25KN/m3（参考路桥施工计算手册表8-1含筋率<2%KN/m3选择）；h—混凝土厚度，参考图纸取1m；

3、施工人员及其机具载荷G人：

结合公司施工经验取G人=3KN/m2;

4、混凝土倾倒及振捣荷载G倒：

参考路桥施工计算手册及施工经验，混凝土倾倒及振捣荷载取G倒=2.5KN/m2;

5、木模及其模板支撑重量G模：

木模板厚度15mm，木模及其支撑的自重并参考经验值选取G模=4.69KN/m2（该值可根据施工单位具体方案更改）

考虑浇筑混凝土有一定冲击，因此混凝土浇筑时混凝土选用1.2的冲击载荷

因此，门架车在施工过程中受到的施工载荷G：

G=1.2G混+G人+G倒+G模=25×1.2+3+2.5+4.69=40.19KN/m2

由于根据要求不考虑侧向混凝土浇筑及结构立柱为原型，而且门架车四周有侧向混凝土，风载影响可以忽略不计，因此结构验算时不考虑侧向压力对结构的影响。

4.2.施工工况

工况1：

结构不施工，结构自重；

工况2：

人机在门架车上搭设模板；

工况3：

浇筑混凝土

结构按照最不利计算，因此结构验算时采用工况3，其中工况3的载荷结构自重加施工载荷G。

5.计算分析

模型根据上述分析建立模型，结构在有支撑千斤顶位置及其轮系位置采用约束X，Z方向（X方向位移限制靠摩擦力和在施工过程中加斜撑共同提供）；部分采用高强螺栓连接位置采用刚性连接；上纵梁和上横梁采用弹性支承连接方式；立柱与立柱之间连接支撑只受拉压。

5.1.建模

根据上述分析，建立如下图所示实体模型，纵梁和横梁的横向劲板主要起到局部稳定性作用，因此建模过程中为考虑纵梁和横梁的劲板，具体模型如下图所示：

图4门架车的实体模型

5.2.载荷分析

载荷主要为施工荷载G，以线荷载F形式加载在上纵梁上：

F=GL=40.19KN/m2×0.791m=37.8KN/m

式中L表示上纵梁的间距

重力由软件自动计算，选1.2的重力系数，载荷如下所示

图5模型载荷情况

5.3.门架受力检算

结构分析按照整体建模整体计算方式检算，然后在整体模型中筛选单个构件分析：

1、下纵梁（箱型截面□680×770×10）

图6下纵梁Z方向变形

图7下纵梁X方向变形

图8下纵梁Y方向变形

图9下纵梁组合变形

根据上图可知下纵梁最大变形量为0.52mm<1588÷400=3.97mm（其中1588mm为撑地千斤顶最小距离即最小自由长度），因此下纵梁的刚度满足钢结构设计规范要求；

图10下纵梁的组合应力

图11下纵梁的弯曲应力

图12下纵梁的剪切应力

如上图所示，下纵梁的最大组合应力为32.4MPa，最大弯曲应力为28.3MPa，都小于设计值标准值205MPa（壁厚20mm>16mm），最大剪切应力17.6MPa<115MPa（壁厚20mm>16mm）

因此下纵梁的强度和刚度都满足规范要求，而且还具备较大的安全储备。

2、立柱（φ630×14）

图13立柱组合变形量

图14立柱Z方向变形

图15立柱Y方向变形

图16立柱X方向变形

如图所示：

立柱X方向最大变形量3.15mm，最大Y方向变形量0.13mm，最大Z方向变形量1.13mm，最大组合变形量3.18mm，立柱最大变形量都小于5320mm÷400=13.3mm；

因此，立柱刚度满足规范要求

图17立柱的组合应力

图18立柱弯曲应力

图19立柱剪切应力

如图所示：

立柱的最大组合应力115.9MPa；立柱的最大弯曲应力87.7MPa；组合应力和弯曲应力都小于设计标准值215MPa（壁厚14mm<16mm）,最大剪切应力4.9MPa<125MPa。

因此，立柱的刚度和强度都满足规范要求，而且具备一定安全储备；

3、横梁（箱型截面□900×770×10）

图20横梁组合变形量

图21横梁Z方向变形量

图22横梁X方向变形量

图23横梁Y方向变形量

如图所示：

横梁最大组合变形量8.64mm，最大Z方向变形量8.64mm，最大Y方向变形为0.11mm，最大X方向变形0.04，立柱最大变形量8.64mm<8130mm÷400=20.325mm；立柱刚度满足规范要求。

图24横梁的组合应力

图25横梁弯曲应力

图26横梁剪切应力

如图所示：

横梁最大的组合应力105.3MPa，最大弯曲应力103.2MPa，均小于设计标准值215MPa，剪切应力42.4MPa<125MPa；

因此，横梁结构刚度和强度都满足设计要求，而且具备一定安全储备。

4、上纵梁（HN400×200）

图27上纵梁的组合变形量

图28上纵梁Z方向变形量

图29上纵梁的Y方向变形量

图30上纵梁的X方向变形量

图31上纵梁和横梁的Z方向变形量

由图可知：

上纵梁最大组合变形量8.64mm，上纵梁Z方向最大变形量8.64mm，X方向的最大变形量0.04mm，Y方向最大变形量0.11mm。

上纵梁最大变形量8.64>3176mm÷400=7.94mm。

由上图中（上纵梁和横梁Z方向变形量）可知，上纵梁的最大变形是由Z方向变形引起的，而Z方向变形主要是随着横梁变形（Z方向最大变形为8.64mm）引起，因此实际因为外载荷引起上纵梁变形非常小，由上纵梁Z方向变形数值可知，每个只有长度最大变形量由-4mm变形到-8.64mm，即上纵梁最大变形为竖向4.64mm<3176mm÷400=7.94mm;因此上纵梁的刚度满足规范要求。

图32上纵梁的组合应力

图33上纵梁的弯曲应力

图34上纵梁的组合应力

由图可知：

上纵梁的最大组合应力37.9MPa，最大弯曲应力37.9MPa，都小于设计标准值215MPa；最大剪切应力25.1MPa<125MPa。

因此，上纵梁的刚度和强度都满足规范要求。

5、柱间支撑（角钢L100×10和热轧H型钢HN300×150）

图35柱间支撑的组合变形量

图36柱间支撑Z方向变形量

图37柱间支撑Y方向变形量

图38柱间支撑X方向最大变形量

由图可知：

柱间支撑最大变形量3.17mm，X方向最大变形量3.15mm，Z方向最大变形量1.13mm；Y方向最大变形量为0.14mm。

最大变形量3.17mm<3176÷400=7.94mm，满足要求。

图39柱间支撑组合应力

图40柱间支撑弯曲应力

图41柱间支撑剪切应力

由图可知：

柱间支撑最大组合应力35.6MPa<215MPa，最大弯曲应力10.9MPa<215MPa;最大剪切应力1.8MPa<125MPa。

因此，柱间支撑强度和刚度都满足设计要求。

6、门架整体刚度和强度

图42门架整体变形量

图43门架整体组合应力

图44门架整体剪切应力

图45门架整体弯曲应力

由图可知：

门架的最大变形量为8.64mm<8130mm÷400=20.325mm（最大变形发生在上横梁上）,最大组合应力115.9MPa<215MPa（最大组合应力发生钢管立柱上），最大弯曲应力103.2MPa<215MPa（最大弯曲应力发生在上横梁上），最大剪切应力42.4MPa<125MPa（发生在上横梁上）

从门架整体应力组合和变形可知，门架的刚度和强度都满足设计要求。

6.门架结构计算汇总

根据上述数据汇总门架的强度和刚度分析如下表所示：

表2门架分析汇总

构件

设计标准值

组合应力

弯曲应力

剪切应力

位移

变形

结论

屈服强度（MPa）

剪切强度（MPa）

挠度值（mm）

立柱

215

125

13.3

115.9

87.7

4.9

3.18

3.18

合格

下纵梁

205

115

3.97

32.4

28.3

17.6

0.52

0.52

合格

上横梁

215

125

20.33

105.3

103.3

42.4

8.64

8.64

合格

上纵梁

215

125

7.94

37.9

37.9

25.1

8.64

<4.64

合格

支撑

215

125

7.94

35.6

10.9

1.8

3.17

≈0

合格

表中应力单位为MPa，位移和变形单位为mm；变形表示实际因为外载荷引起变形，位移是通过软件读出来的数据

表中外载荷引起变形≈0的主要原因是与该构件连接的变形引起构件的位移。

从上表及其上述分析可知，构件刚度和强度都满足要求，而且安全系数都大于1.3。

7.整体稳定性分析

门架整体稳定性分析主要采用midas软件的屈曲分析功能：

门架的模态下图所示：

图46模态1

图47模态2

图48模态3

根据上述可得如下表所示：

表3门架屈曲分析特征值

模态

1阶

2阶

3阶

结论

特征值

1.955

4.776

6.95

整体稳定

由表中可知，在外载荷1.955倍时，门架结构发生一阶屈服。

8.小结

1、由于结构在竖向载荷时，立柱一定横向位移，考虑采用支撑千斤顶横向约束较小，因此在混凝土浇筑时采用斜撑支撑立柱，降低立柱底端横向位移（向外）

2、上纵梁的位移主要是因为上横梁变形引起的，上纵梁和上横梁连接时尽量降低对上纵梁的转动约束。