门式钢架设计实例(带计算书)
门式刚架厂房设计计
算书
门式刚架厂房设计计算书
一、设计资料
该厂房采用单跨双坡门式刚架，厂房跨度21m ，长度90m ，柱距9m ，檐高7.5m ，屋面坡度1/10。刚架为等截面的梁、柱，柱脚为铰接。
材料采用Q235钢材，焊条采用E43型。
22750.6450/160/mm EPS mm N mm g mm ≥2y 屋面和墙面采用厚夹芯板，底面和外面二层采用厚镀锌彩板，锌板厚度为275/gm ；檩条采用高强镀锌冷弯薄壁卷边Z 形钢檩条，屈服强度f ，镀锌厚度为。(不考虑墙面自重)
自然条件：基本风压：20.5/O W KN m =，基本雪压20.3/KN m 地面粗糙度B 类
二、结构平面柱网及支撑布置
该厂房长度90m ，跨度21m ，柱距9m ，共有11榀刚架，由于纵向温度区段不大于300m 、横向温度区段不大于150m ，因此不用设置伸缩缝。
檩条间距为1.5m 。 厂房长度>60m ，因此在厂房第二开间和中部设置屋盖横向水平支撑；并在屋盖相应部位设置檩条、斜拉条、拉条和撑杆；同时应该在与屋盖横向水平支撑相对应的柱间设置柱间支撑，由于柱高<柱距，因此柱间支撑不用分层布置。
（布置图详见施工图） 三、荷载的计算
1、计算模型选取
取一榀刚架进行分析，柱脚采用铰接，刚架梁和柱采用等截面设计。厂房檐高7.5m ，考虑到檩条和梁截面自身高度，近似取柱高为7.2m ；屋面坡度为1：10。
因此得到刚架计算模型：
2.荷载取值 屋面自重：
屋面板：0.182/KN m 檩条支撑：0.152/KN m 横梁自重：0.152/KN m 总计：0.482/KN m 屋面雪荷载：0.32/KN m
屋面活荷载：0.52/KN m （与雪荷载不同时考虑） 柱自重：0.352/KN m
风载：基本风压200.5/W kN m = 3.各部分作用荷载： （1）屋面荷载：
标准值： 1
0.489 4.30/cos KN M θ
??=
柱身恒载：0.359 3.15/KN M ?=
kn/m
（2）屋面活载
屋面雪荷载小于屋面活荷载，取活荷载1
0.509 4.50/cos KN M θ
?
?=
（3）风荷载
010 1.0k z s z s h m ωμμωμμ=≤ 以风左吹为例计算，风右吹同理计算：根据公式计算:根据查表，取，根据门式刚架的设计规范，
取下图：
（地面粗糙度B 类）
风载体形系数示意图
2122231.00.250.50.125/0.1259 1.125/1.0 1.00.50.50/0.509 4.5/1.00.550.50.275/0.2759 2.475/1.00.650kN m q kN m kN m q kN m kN m q kN m ωωωω∴=??==?==-??=-=-?=-=-??=-=-?=-=-??k k k k 迎风面 侧面， 屋顶， 背风面 侧面， 屋顶24.50.325/0.3259 2.925/kN m q kN m =-=-?=-，荷载如下图：
kn/m
4.内力计算：
（1）截面形式及尺寸初选：梁柱都采用焊接的H型钢
68???:
梁的截面高度h一般取(1/301/45)l,故取梁截面高度为600mm；暂取H600300，截面尺寸见图所示
柱的截面采用与梁相同
截面
截面名称
长度
()mm
面积
2()
mm
x I 64(10)mm ?
x W 43(10)mm ?
y I 64(10)mm ?
y W 43(10)
mm ?
x i
mm
y i
mm
柱 60030068H ???
7200 9472 520 173 36 24
234 61.6 梁
60030068H ???
10552 9472
520 173 36 24
234 61.6
866861252
2.0610947210 1.9510, 2.06105201010 1.0710x EA kn EI kn m --=???=?=????=??（2）截面内力：
根据各个计算简图，用结构力学求解器计算，得结构在各种荷载作用下的内计算项目
计算简图及内力值(M 、N 、Q) 备注 恒 载 作 用 恒载下弯矩 恒载下剪力
弯矩图
剪力图“+” →
轴力图(拉为正，压为负)
恒载下轴力（忽略柱自重）
活
荷
载
作
用
活荷载(标准值) 弯矩图
弯矩图
活
荷
载
作
用
活荷载(标准值)剪力图
活荷载(标准值)轴力图剪力图“+”
→
轴力图(拉为正，压为
负)
风
荷
载
作
用
风荷载(标准值)弯矩图.弯矩图
剪力图“+”
风荷载(标准值)剪力图风荷载(标准值)轴力图
→
轴力图(拉为正，压为负)
向作用，风荷载只引起剪力不同，而剪力不起控制作用)按承载能力极限状态进行内力分析，需要进行以下可能的组合：
① 1.2*恒载效应+1.4*活载效应
② 1.2*恒载效应+1.4*风载效应
③ 1.2*恒载效应+1.4*0.85*{活载效应+风载效应}
取四个控制截面：如下图：
各情况作用下的截面内力
截面内力恒载活载左风
Ⅰ－ⅠM000 N-45.36-47.2546.95 Q-19.32-18.0524.55
内力组合值
控制内力组合项目有：
与相应的N，V(以最大正弯矩控制)
①＋M
max
与相应的N，V(以最大负弯矩控制)
②－M
max
③ N
与相应的M，V(以最大轴力控制)
max
与相应的M，V(以最小轴力控制)
④ N
min
所以以上内力组合值，各截面的控制内力为：
1-1截面的控制内力为0120.5848.45M N KN Q KN ==-=-，，
2-2截面的控制内力为335.33120.5848.45M KN M N KN Q KN =-?=-=-，， 3-3截面的控制内力为335.3364.30115.40M KN M N KN Q KN =-?=-=，， 4-4截面的控制内力为246.7857.82 5.79M KN M N KN Q KN =?=-=，， A ：刚架柱验算：取2-2截面内力 平面内长度计算系数：
00010.5
20.45 1.4620.45 1.46 2.667.2
7.2 2.6619.1x R R l K I H H M
μμ=+==∴=+?==?=c I ，其中K=
，，，
7200/23600mm ==0Y 平面外计算长度：
考虑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，但为了安全起见计算长度按两个墙梁间距考虑，
即H
191003600
81.658.423461.6
x y λλ∴=
===， ⑴ 局部稳定验算
构件局部稳定验算是通过限制板件的宽厚比来实现的。 ① 柱翼缘
(
)1504212.17156b t -==<==（满足要求） ② 柱腹板
600161462504w w h t -==<==（满足要求） （2）柱有效截面特征
max 4
min 2
max min 0max 00335.33120.5848.45947217310206.5612.73193.83/181.10
206.56181.10 1.88
206.5658497480.526.21056X x w M KN M N KN Q KN
N M A W N mm h t σσσσασαλ=-?=-=-???=±
=±????=±=?-?-+=====<+-=36
，，120.5810335.3310 .28因97>70，故可以考虑屈曲后强度。
220.5181.1
0.88206.56
584
206.56311.2206.5616
21.28
[(1)0.112(1)]10.8,
148.45
c p
w h mm
kN
σσβσβββ
λρλ-∴==-=?
=+==++-++==≤===
21max 由于考虑屈曲后强度：=
181.1
k 则，截面全部有效。（3）抗剪强度验算：
柱截面的最大剪力为V '2'30.85
0.8 1.4,[10.64(0.8)]0.973125121.63/5848121.6310w v w v d w w v f f N mm V h t f λλ-==<<=--=?===???>max 则V ,满足要求。
460.5/1731021510371.95/371.95120.58371.95/9472
371.9522.59367.2N d e e e e e e N e e e e V V M M M NW A M W f kN m M M NW A kN m kN m -<≤=-==???=?=-=-?=-=?>?弯剪压共同作用下的验算:
因为，按公式进行验算，其中 335.33，满足要求。
[
]225'
22'
81.6180,81.6
0.681
3.14 2.061094722388, 1.0,(1.1)(1.181.6)
1.0[10.8(/)]x Ex
mx x mx x x x Ex x b EA N kN M N A N N W λλλλ?πβλβ?γ=<====???====???+=+-?x 3（4）稳定性验算刚架柱平面内稳定性验算
类截面，由《钢结构设计规范》附表C-2查得，则
120.581030.681947242120.5817310(10.8)
2388
18.69192.39211.08/N mm f ????-?=+=<6
35.33101.05 满足要求。
刚架柱平面外稳定性验算
：
212
2
36
4
58.4
0.818
1
0.650.35
0.650.350.8252
58.41.07 1.070.99
440044000120.58100.825335.33101.00.81894720.991731015.5tx b tx x b px b M M M A W λλ?βλ
?βη??====+=+?==-=-=???+=+???=y y 类截面，由《钢结构设计规范》查得，N 则 26161.52177/N mm f +=<满足要求。
B ：刚架梁验算：取3-3截面内力
335.3364.30115.40M KN M N KN Q KN =-?=-=，，
⑴ 局部稳定验算
③ 梁翼缘
(
)1504212.17156b t -==<==（满足要求）
④ 梁腹板
600161462504w w h t -==<==（满足要求） （2）梁有效截面特征
2
4
220.5
193.83/1731011
5842922
1623.91[(1)0.112(1)]10.530.8,
X c p M N mm W h mm σσσσβσβββλ??=±
=±=±???∴=-=?
====++-++===≤6122
1
门式刚架坡度为1/10<1/5，可以不考虑横梁轴梁的影响，按受弯构件验算。
335.3310=
k
'2'31115.45.34
0.85
0.8 1.4,[10.64(0.8)]0.973125121.63/5848121.6310568.25w w v w v d w w v kN f f N mm V h t f kN τρλλλ-====
=
=<<=--=?===???=>max max 则，截面全部有效。（3）强度验算抗剪强度验算：
柱截面的最大剪力为V k 则V ,满足要求。弯矩作用下的验算:
46
1731021510371.95d M M kN m m -==???=?>? 335.33kN ，满足要求。
48.70.86y λ?<==梁梁柱柱y （4)稳定性验算刚架梁平面内稳定验算
验算方法与柱平面内的稳定验算相同，由于N N ，M =M ，因而可以满足要求。刚架梁平面外稳定验算
一般刚架平面外稳定靠支撑来保证，
考虑檩条处设置隅撑以保证屋脊负弯矩使下翼缘受压时有支撑，在支撑点处设置隅撑以保证横梁全截面受支承，则横
梁成为平面外3m 支撑的压弯构件，取其中一段计算。
3000由=及b 类截面查《钢结构设计规范》得，61.62
5
1.0 1.07 1.02
44000
64.3y tx b kN
λβ?==-=由于有端弯矩与横梁荷载，取，则由于内力沿杆件线性变化，取较大值
36
4
2
64.310 1.0
10
1.0
0.8659472 1.0317310
7.85188.19196.04/
tx x
y b px
M
N
A W
N mm f
β
η
??
???
+=+?
???
=+=<
335.33
从而
满足要求。
5.位移验算：
（1）柱顶水平位移验算：
866
861252
2.0610947210 1.9510,
2.06105201010 1.0710
x
EA kn
EI kn m
-
-
=???=?
=????=??
由矩阵位移法结构力学计算程序计算位移，
位移验算为正常使用极限状态下的承载力验算，荷载应选用标准值。构件截面参数：
荷载标准值即风载，位移图如下：
18.111
7200397200
H
δ
==<满足要求
（2）横梁扰度验算：
??
荷载标准值=1.0恒载+1.0活载=4.3+4.5=8.8kN/m，位移图如下：
63.611
21000330250
L
δ
==<满足要求
四、节点设计：
（1）梁柱节点设计：
梁柱节点形式见下图：
连接处选用如下组合内力值：
335.3364.30115.40M KN M N KN Q KN =-?=-=，（使螺栓受压），
155.37 6.43148.94N n N n μ?-=-=-=∑?+?-=∑?+112222
i 22222i 采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN,摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数=0.45，螺栓承受拉力为：My 335.330.37264.30
第一排：N =kN y 4(0.132+0.2120.372）10
My 335.330.212第二排：N =y 4(0.132+0.2120.3722
88.54 6.4382.1155.13 6.4348.70/421.18500/4176.2b e t N n d f ππ-=-=?-=-=-=∑?+???=?=??=?2
332222
i b
t b t
64.30
kN 2）10
My 335.330.13264.30
第三排：N =
kN y 4(0.132+0.2120.372）10
，其抗拉承载力为：
[N ]=0.8P=0.8225=180kN >148.94k N kN 0.9( 1.25)2[0.90.45(225 1.25148.94)0.90.45(225 1.2582.11)0.90.45(225 1.2548.70)0.90.452256]810.26f t P N kN μμ=∑-=??-?+??-?+??-?+???=>b N ，满足要求。 螺栓群的抗剪力(M24螺栓)（下面三排不计外加压力，只考虑预压力）
V 115.40kN
27.2400205
16.1[
2()][974002(97)]205()(97t w t w w w t w N mm bf e N mm e b e f e N e f ???≥=?????≥=++?+??+????≥+?+3
f 3
f f f 3
端板厚确定：
6e 668148.9410第一排螺栓端板厚 ：t =，
6e 6689782.1110第二排螺栓端板厚 ：t =，
e e 6868339748.7010第三排螺栓端板厚 ：t =0.5a 0.58022.5)205
28mm t mm =?=，
采用端板厚。
端部腹板设置加劲肋，加强腹板强度，详见施工图
（2）梁梁节点设计： 梁梁节点形式见下图：
连接处选用如下组合内力值：
246.7857.82 5.79M KN M N KN Q KN =?=-=，（使螺栓受压），