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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、制造和安装方便，檩条和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0.15 KN/m250mm厚保温玻璃棉板0.05 KN/m2PVC铝箔及不锈钢丝网0.02 KN/m2檩条及支撑0.10 KN/m2刚架斜梁自重0.15 KN/m2悬挂设备0.20 KN/m2合计0.67 KN/m22．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）0.50 KN/m24．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=1.05×0.45 KN/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和－1.0，背风面柱及屋面分别为＋0.55和－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=3ψ=f/h=0.9/6=0.15k=h/s=6/9.0449=0.6634μ=3+k+ψ(3+ψ)=3+0.6634+0.15×(3+0.15)=4.1359HA=HE=qlλΦ/8=4.02×18×3×0.5289/8=14.35KNMC=ql2[1－(1+ψ) Φ]/8=4.02x182[1－(1+0.15)×0.5289]=63.78KN·mMB=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=27.00KNHA=HE=3.00×18×3×0.5289/8=10.71KNMC=3.00×182[1－(1+0.15)×0.5289]/8=47.60KN·mMB=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和竖向的分力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=19.03KNHA=HE=qlλΦ/4=2.82×18×3×0.1322/4=5.03KNMB=MD=5.03×6=30.18KN·mMC= 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=12.35KNHA=HE=qlλΦ/4=1.83×18×3×0.1322/4=3.27KNMB=MD=3.27×6=19.62KN·mMC= 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)=－0.71KNHE=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)=－1.55KNHA=1.55×6－7.02=2.28KNMD=7.02×6－1.55×62/2=14.22KN·mMB=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=0HA=2.82×0.9(1+0.0202)/2=1.29KNHE=2.82×0.9－1.29=1.25KNMB=1.29×6=7.74KN·mMD=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=0.84KNHE=1.83×0.9－0.84=0.81KNMB=0.81×6=4.86KN·mMD=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 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、VA1.2×恒+1.4×活193.3081.22－32.21（←）Mmin及相应的N、VB1.0×恒+1.4×风－7.891.05－1.67（←）Nmax及相应的±Mmax、VA1.2×恒+1.4×活193.3081.22－32.21（←）Nmin及相应的±Mmax、VB1.0×恒+1.4×风－7.891.05－1.67（←）柱底（A点）Mmax及相应的N、VMmin及相应的N、VNmax及相应的±Mmax、VA1.2×恒+1.4×活0102.82－32.21（→）Nmin及相应的±Mmax、VB1.0×恒+1.4×风019.054.30（←）刚架梁支座（B点）Mmax及相应的N、VA1.2×恒+1.4×活193.3039.8977.60（↑）Mmini及相应的N、VB1.0×恒+1.4×风－7.891.570.89（↑）跨中（C点）Mmax及相应的N、VB1.0×恒+1.4×风－9.40－2.030.60（↓）Mmin及相应的N、VA1.2×恒+1.4×活－143.1831.81－3.21（↑）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=82.1cm2Ix=28181cm4，Wx=1252cm3，ix=18.53cmIy=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/mm2Vu=hwtwfv=426×8×125=N=426.0KNVmax=77.60KNM=193.30KN·m，取M=Mf故，满足要求3)整体稳定验算N=39.89KN，M=193.30KN·mA．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。