《钢结构设计》(门式刚架)课程设计指导书

《钢结构设计》课程设计指导书（门式刚架）土木工程与建筑学院1《钢结构设计》课程设计指导书绪言课程设计目的要求课程设计是一个重要的教学过程，是对学生知识和能力的总结。要求学生通过《钢结构设计》课程设计，进一步了解钢结构的结构型式、结构布置和受力特点，掌握钢结构的计算简图、荷载组合和内力分析，掌握钢结构的构造要求等。要求在老师的指导下，参考已学过的课本及有关资料，综合应用钢结构的材料、连接和基本构件的基本理论、基本知识，进行整体钢结构设计计算，并绘制钢结构施工图。第一节《钢结构设计》课程设计题目一、设计题目某24m跨度厂房的门式刚架设计，刚架柱、梁均采用等截面（或变截面）。二、设计任务1、选择钢屋架的材料；2、柱网及屋面结构布置（包括支撑体系布置）；3、门式刚架选型；4、确定门式刚架梁、柱截面形式，并初估截面尺寸；5、钢屋盖及支撑的布置；6、钢屋架的结构设计；7、绘制门式刚架施工图及材料表。三、设计资料建造于某市的轻工厂房，建筑面积1500m2厂房平面及剖面如图所示，据生产要求无吊车，屋面采用0.6mm厚镀锌压型彩涂板，刚架柱、梁均采用等截面（或变截面），柱梁节点处为构造加腋（视为刚接，计算时可不考虑加腋之影响），柱与基础为铰接，拟在刚架平面外设柱间支撑及檩条端部隅撑，在a,b点分别提供柱梁的侧向支撑点，设计时考虑积灰荷载0.4kN/m2，该地区的基本雪压为0.5kN/m2,基本风压为0.5kN/m2，轻质屋面，屋面活荷载取0.4kN/m2。檩条及支撑重0.2kN/m2，刚架斜梁自重0.2kN/m2；轻质墙面及柱自重（包括柱、墙骨架）0.7kN/m2。2刚架简图及其风荷载体型系数（a）平面图（b）刚架简图（c）刚架风荷载体型系数第二节门式刚架设计计算一、材料选择刚架结构中所采用的钢材应符合国标要求，一般采用Q235钢或Q345钢，Q345钢多用于刚架斜梁与柱，但当构件是以变形控制时应慎用。焊条可选用E43型，手工焊。二、结构平面布置结构平面布置主要是确定刚架的柱网布置。柱网布置首先应满足工艺要求，面积大的厂房考虑温度区段的控制，依据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定：“纵向温度区段不大于300m；横向温度区段不大于150m；当有计算依据时温度区段可适当加大”。门式刚架的柱距的选择应依据屋面的受载情况与功能要求综合确定，并应满足工艺要求，一般宜采用6-9m的柱距。柱距的选择合理与否直接影响结构单位面积的耗钢量，经济柱距的选择不应仅从刚架的用钢量进行评价，而应计及檩条与墙梁的用钢指标进行综合评估。在多跨刚架中，当由于工艺要求或建筑功能需要局部抽掉边柱或中柱时，可在相邻柱间设置托梁或托架支承。三、门式刚架选型刚架的选型应同时满足建筑和结构上的要求，对工业建筑如厂房、仓库等应遵循“形式服从功能”的基本原则，而对于一些民用建筑和公共建筑，刚架的选型则应服从建筑设计要3求。刚架选型的内容包括跨度大小和数量的确定及刚架截面形状的选择。刚架选型考虑的主要因素包括：房屋尺寸（长、宽、高）、屋面坡度、所需柱网的柱间净距、跨度、房屋的功能要求及拟采用的屋面与墙面材料等。单跨刚架多用于横向空间要求不太大的建筑，适用于要求无障碍工作情况下的建筑，如影剧院、体操房、机房等，一般来说，其跨度在18-36m。单跨刚架多采用焊接“工”字型截面或轧制H型截面。合理截面是依据其弯矩图确定变截面梁柱高度，此类截面用钢量较小，具有良好的经济性，但制造过程相对复杂。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。多跨刚架，亦称为连续柱刚架或多元刚架。多跨刚架从理论上讲对房屋的宽度尺寸没有限制，但当宽度超过一定限度时应设置伸缩缝。多跨刚架通常是大型建筑物的备选方案之一，多跨刚架由于使用连续刚架，因此较为经济。多跨刚架不利之处是对不均匀沉降敏感，在沉降较大的软土场上使用时应详细考察基础的沉降情况。同时，多跨刚架内柱的位置在建成后不易改变，故还应考虑未来设备布置改变的情况。多跨刚架截面选择类似于单跨刚架，但中柱一般采用等截面。四、支撑系统门式刚架钢结构中，支撑系统可分为屋盖水平支撑、柱间支撑及其隅撑。支撑系统应能明确、合理简捷地传递纵向水平荷载，尽量缩短传力途径；并保证结构体系的整体稳定性，为结构和构件提供侧向支撑点；方便结构的安装；满足必要的强度、刚度要求，须具有可靠的连接。一般情况下，门式刚架房屋均需设置屋盖横向水平支撑，以传递山墙水平风荷载，对于此类支撑的设置《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》给出了具体的规定。对于一些结构形式复杂的建筑，如存在局部抽柱、局部突出及平面布置不规则的结构，除设置屋盖横向水平支撑外，还需设置纵向支撑，以提高结构的整体性，同时调整刚架的内力分布。纵向支撑的设置应具有连续性，同时必须保证具有明确的传力路径。柱间支撑一般应设置在柱列的中部。柱顶水平系杆需设计成刚性系杆，以便将屋盖水平支撑所承受的荷载传递到柱间支撑上。如建筑物较长，可增设柱间支撑。当有两道柱间支撑时，宜分别放在纵向1/3处。隅撑是实腹式门式刚架轻型号钢结构房屋中特有的构件。隅撑设置在刚架斜梁下翼缘与檩条之间或刚架边柱内翼缘与墙梁之间。对刚架斜梁和刚架边柱的稳定性起支撑作用。五、檩条与墙梁檩条的布置较为简单，当跨度不超过9.0m时，通常檩条直接搁置在刚架斜梁上，并通过檩托与斜梁连接。当刚架间距即檩条跨度较大时（如超过12.0m），若两端仍采用斜梁支承，则可能导致设计不经济，此时可考虑增设托梁、斜梁或增设檩条梁、次梁以减小檩条跨度。檩条的间距依屋面板材料的力学性能和屋面荷载的大小而定，一般在1.0-1.5m范围内。在檩条间应根据檩条跨度设置拉条和撑杆等构件。墙梁的布置原则与檩条类似，此不赘述。4六、分析模型的建立刚架的内力分析与设计是基于初步设计确定的结构体系建立力学模型，计算结构构件的内力与变形，根据内力分析结果校核构件的承载力，并对刚架的节点进行设计和验算。力学计算模型涉及的内容包括构件单元类别的确定、节点定义、几何模型的建立、荷载的取值与导算、荷载组合、分析方法的选择等；构件和节点设计主要内容为构件的承载力、变形及稳定性验算，并依据选择的构件截面设计节点，校核节点承载力。门式刚架系超静定结构，内力计算一般采用弹性分析方法。门式刚架结构的内力分析依据结构布置情况的规则性与复杂程度的不同，可采用简化的平面结构或考虑空间整体作用建立计算模型。一般情况下，结构平面布置较规则、构件分布对称，刚架无局部不规则的夹层与凸起，所受外部荷载较为均匀，则可简化为平面结构计算刚架的内力。当结构平面布置或竖向布置呈不规则时，或受载情况复杂等条件下，如按传统的平面门式刚架简单分析，其结构走出工程设计允许误差范围，且情况复杂时简化工作更是困难，尤其是对于纵向水平支撑与屋面系统的简化，此时应采用空间结构进行计算。（1）几何尺寸的确定建立几何模型涉及的主要尺寸有：刚架的跨度、柱距、刚架高度、屋面坡度。刚架的跨度可定义为横向刚架柱轴线间的距离，对变截面柱其轴线可取通过柱下端（较小端）中心的竖向轴线。刚架柱距取相邻刚架横向轴线间的距离。刚架的计算高度为自柱底至刚架斜梁轴线与柱轴线交点处的长度。对变截面刚架斜梁，其轴线可取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平等的轴线。门式刚架的脊顶高度可依据檐口处的高度与屋面坡度在建模型时自动推算出。（2）构件单元类别与节点类型的定义当采用平面刚架建模时，涉及的主要构件为刚架斜梁与柱，而采用空间计算模型时，除上述单元外还包括屋盖支撑系统、柱间支撑、刚性系杆等。有些较为复杂的结构可能还包括平台、雨篷及托架或托梁等。下表列出了门式刚架结构常用单元与节点类型的定义。构件名称单元类别连接节点类别主刚架梁梁单元两端均为刚接柱与基础连接端铰接、与梁连接端刚接墙架柱梁单元两端均为铰接，且与刚架斜梁连接端释放竖向约束水平支撑压杆拉压二力杆两端铰接交叉杆拉杆单元柱间支撑压杆拉压二力杆两端铰接交叉杆5刚性系杆拉压二力杆两端铰接托架弦杆梁单元两端铰接腹杆拉压二力杆雨篷梁梁单元一端刚接、一端悬臂（3）截面的初步选择主刚架构件可采用轧制或焊接形成的H型钢、工字钢、槽钢等。建立计算模型时必须初步确定构件的截面尺寸，选择截面时必须保证构件各板件的尺寸能满足基本构造要求，以保证构件整体稳定与局部稳定的前提，主要由构件的长细比与宽厚比（或高厚比）确定。下表给出了受压与受拉构件的长细比限值。主刚架构件截面一般由稳定控制，其长细比取值不宜太高。受压构件长细比限值构件类别长细比限值备注主要构件180在永久荷载与风荷载组合作用下受压构件，其长细比不宜大于250其他构件、支撑与隅撑220受拉构件长细比限值构件类别受静态荷载或间接承受动态荷载的结构直接承受动态荷载的结构桁架构件350250吊车梁与吊车桁架以下的柱间支撑300--其他支撑（张紧的圆钢或钢铰线支撑除外）400--初选刚架斜梁、柱截面的高度和宽度时，可参考相关资料或已建成的类似结构，结合拟分析结构的跨度、高度及荷载情况估算。一般斜梁截面的高度可取跨度的1/20-1/55，柱截面高度取柱高的1/10-1/20，上述取值区间较大，当跨度或荷载较大时可取较大值。截面高度与宽度之比h/b可取2-5，刚架柱为压弯构件，其h/b可取较小值，但有的梁端为了与柱连接（竖板连接）梁端可取h/b≤6.5。（4）建立分析模型建立分析模型的主要工作是依据初选的构件断面及构件的受力特点，利用有限元软件分析模型中之几何模型，并定义结构的材料属性。6建立分析模型要解决的关键问题是确定拟分析结构所需建立模型的类别，即是建立简化的平面结构模型还是空间整体模型。采用平面模型分析时一般应将整体结构简化为横向平面刚架体系和柱间支撑体系。横向水平刚架承受跨间的全部竖向荷载和横向水平荷载，柱间支撑体系承担纵向水平荷载，包括屋盖支撑和柱间支撑两部分。对于可简化为平面模型分析的门式刚架结构，应根据各刚架的受载情况和截面特征选择典型刚架进行内力分析，由于横向风荷载在纵墙中部和靠近山墙端分布存在差异，因此在各开间尺寸相等且竖向荷载等值均匀的结构中，至少应分析三榀刚架的内力。采用空间模型时，通常是根据结构布置图，选择其中的主要受力构件建立有限元分析模型。空间模型中应包括的主要构件有刚架斜梁、刚架柱、屋盖支撑、柱间支撑、刚性系杆及山墙墙架柱或山墙构架系统，对于存在平台或吊车的结构，平台与吊车梁是否应在模型中反映或简化为相应的荷载则需视具体情况确定。空间模型中一般不建入檩条与墙梁单元，而是将屋面荷载和墙面荷载等价作用在刚架系统中。七、荷载和内力计算（一）荷载计算设计门式刚架结构所涉及的荷载，包括永久荷载和可变荷载。（1）永久荷载永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、场面构件和刚架自身等。（2）可变荷载○1屋面活荷载当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布括荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取0.5kN/m2；对受荷水平投影面积超过60m2的刚架结构，计算时采用的竖向均布活荷载标准值可取0.3kN/m2。设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载（人和小工具的重力），其标准值为1kN。○2.屋面雪荷载和积灰荷载屋面雪荷载和积灰荷载的标准值应按《荷载规范》的规定采用，设计屋面板、檩条时并应考虑在屋面天沟、阴角、天窗挡风板内和高低跨连接处等的荷载增大系数或不均匀分布系数。○3吊车荷载包括竖向荷载和纵向及横向水平荷载，按照《荷载规范》的规定采用。○4地震作用按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2001的规定计算。○5风荷载按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》附录A的规定，垂直于建筑物表面的风荷载可7按下列公式计算：01.05kzsww（二）荷载效应组合荷载效应的组合一般应顺从《荷载规范》的规定。针对门式刚架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》给出下列组合原则：（1）屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；（2）积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；（3）施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑：（4