鋼架結(jié)構(gòu)計(jì)算書

鋼架結(jié)構(gòu)計(jì)算書第頁摘要隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)越來越多的得到應(yīng)用，尤其是在工業(yè)建筑和大型公共場(chǎng)館建筑中，如體育場(chǎng)館、展覽場(chǎng)館。門式剛架輕型結(jié)構(gòu)體系是近年來在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。它是用等截面或變截面的焊接H型鋼作為梁柱,以冷彎薄壁型鋼作檁條、墻梁、墻柱,以彩鋼板作為屋面板及墻板,現(xiàn)場(chǎng)用螺栓或焊接拼接的門式剛架為主要承重結(jié)構(gòu),再配以零件、扣件、門窗等形成的比較完善的建筑體系,即門式剛架輕型結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系可以在工廠批量生產(chǎn),在現(xiàn)場(chǎng)按要求拼裝形成。能有效地利用材料,構(gòu)件尺寸小,自重輕,抗震性能好,施工安裝方便,建設(shè)周期短,能夠形成大空間、大跨度,具有外表美觀,適應(yīng)性強(qiáng),造價(jià)低,易維護(hù)等特點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)際，說明了在門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，橫向結(jié)構(gòu)和縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題，包括平面布置、結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)方案、作用在柱系統(tǒng)上所受的荷載，以及計(jì)算橫向結(jié)構(gòu)和縱向結(jié)構(gòu)分別采用不同的荷載組合等，同時(shí)也說明了橫向結(jié)構(gòu)和縱向結(jié)構(gòu)的計(jì)算要點(diǎn)以及縱向結(jié)構(gòu)詳細(xì)的計(jì)算過程；對(duì)本工程中構(gòu)件設(shè)計(jì)細(xì)部要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)今后工程設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。關(guān)鍵詞：門式剛架荷載組合鋼結(jié)構(gòu)目錄摘要 II目錄 III緒論 1一、工程概況 2二、廠房布置與造型 22.1廠房平面布置 22.2廠房剛架形式 22.3廠房縱向布置 42.4屋面橫向支撐 52.5屋面系桿 62.6柱間支撐 6三、計(jì)算模型及荷載條件 63.1計(jì)算模型選取 63.2作用在剛架上的荷載 7四、縱向結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算 84.1縱向地震作用的計(jì)算 84.2廠房縱向剛度的計(jì)算 10五、構(gòu)件設(shè)計(jì)細(xì)部要點(diǎn)總結(jié) 105.1梁柱節(jié)點(diǎn) 105.2抗風(fēng)柱 115.3設(shè)備吊掛布置及吊架的設(shè)計(jì) 11結(jié)論 13參考文獻(xiàn) 14附錄 15緒論門式剛架輕型結(jié)構(gòu)體系是近年來在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。它是用等截面或變截面的焊接H型鋼作為梁柱,以冷彎薄壁型鋼作檁條、墻梁、墻柱,以彩鋼板作為屋面板及墻板,現(xiàn)場(chǎng)用螺栓或焊接拼接的門式剛架為主要承重結(jié)構(gòu),再配以零件、扣件、門窗等形成的比較完善的建筑體系,即門式剛架輕型結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系可以在工廠批量生產(chǎn),在現(xiàn)場(chǎng)按要求拼裝形成。能有效地利用材料,構(gòu)件尺寸小,自重輕,抗震性能好,施工安裝方便,建設(shè)周期短,能夠形成大空間、大跨度,具有外表美觀,適應(yīng)性強(qiáng),造價(jià)低,易維護(hù)等特點(diǎn)。剛架結(jié)構(gòu)是梁、柱單元構(gòu)件的組合體。其形式種類多樣，在單層工業(yè)與民用房屋的鋼結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用較多的為單跨、雙跨或多跨的單、雙坡門式剛架；按構(gòu)件體系分，有實(shí)腹式與格構(gòu)式；按截面形式分，可分為等截面和變截面；按結(jié)構(gòu)選材分，有普通型鋼、薄壁型鋼、鋼管或鋼板焊成的。實(shí)腹式剛架截面一般為工字型；格構(gòu)式剛架的截面一般為矩形或三角形。門式剛架通常用于跨度9~36m、柱高4.5~12m、設(shè)有吊車起重量較小的單層工業(yè)廠房或公共建筑。以下結(jié)合某鋼廠釬具鋼原料跨主廠房，闡述了門式剛架設(shè)計(jì)要點(diǎn)及要求。一、工程概況本工程位于中國西南地區(qū)，抗震設(shè)防烈度為6度（0.05g），場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。廠房的主要用途是釬具鋼原料準(zhǔn)備，其中設(shè)備均為業(yè)主自主研發(fā)制作設(shè)備，重量均不大，對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)要求不高。廠房結(jié)構(gòu)形式為等截面實(shí)腹式剛架柱、變截面屋面梁形式，單跨雙破，屋面坡度為10%。廠房設(shè)有一臺(tái)雙梁橋式吊車起重量為5t，工作制級(jí)別為A5。因?yàn)橛须p梁橋式吊車，所以，對(duì)廠房剛度要求較高，故采用柱腳與基礎(chǔ)剛接形式，本工程采用插杯口基礎(chǔ)。二、廠房布置與造型2.1廠房平面布置根據(jù)多項(xiàng)工程經(jīng)驗(yàn)，比較合理的門式剛架的間距宜采用6m，7.5m和9m，最大時(shí)可采用12m，根據(jù)建筑、業(yè)主和工藝專業(yè)的要求，本工程門式剛架柱間距選7.5m,跨度為24m。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中溫度區(qū)段的要求，在非采暖地區(qū)房屋的縱向溫度區(qū)段為220m，本工程縱向總長(zhǎng)度為165m，故不用設(shè)置伸縮縫。廠房布置如圖所示2-1。2.2廠房剛架形式本工程廠房跨度24m，為便于施工，廠房屋面橫梁采用拼接形式，拼接形式除了施工方便外，還可以對(duì)各段梁截面分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少浪費(fèi)。橫向布置圖如圖2-2所示。圖2-1廠房平面布置圖圖2-1廠房平面布置圖圖2-2剛架橫向布置圖2.3廠房縱向布置柱間支撐是廠房結(jié)構(gòu)的中要組成部分，保證廠房的縱向穩(wěn)定和空間剛度。柱間支撐分為上層支撐和下層支撐，與柱頂水平細(xì)桿、吊車梁(或輔助桁架)等構(gòu)成柱間支撐體系。柱間支撐的作用：1）與框架柱組成剛強(qiáng)縱向框架，以保證廠房骨架的整體穩(wěn)定和縱向剛度；2）為框架柱平面外提供可靠的支撐或減少柱在框架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度；3）承受廠房端部山墻的風(fēng)荷載，吊車縱向水平荷載及其他縱向力（如溫度應(yīng)力等）；4）在地震區(qū)承受廠房的縱向水平地震作用。下段柱間支撐決定結(jié)構(gòu)溫度的變形，因此應(yīng)盡可能設(shè)置在溫度區(qū)段的中部。溫度區(qū)段長(zhǎng)度不大時(shí)，可在溫度區(qū)段中部設(shè)一道下柱間支撐，當(dāng)溫度區(qū)段大于120米時(shí)，須在溫度區(qū)段三等分的位置設(shè)兩道下段柱間支撐。上段柱間支撐除在有下段柱間支撐的柱間布置外，還應(yīng)在溫度區(qū)段兩端設(shè)置[1]，本工程的柱間支撐平面設(shè)置如圖2-3所示。（a）（b）圖2-3柱間支撐平面設(shè)置2.4屋面橫向支撐1）屋面支撐的主要作用是承擔(dān)和傳遞縱向水平荷載，保證屋架的整體穩(wěn)定。2）廠房單元兩端第一開間各設(shè)一道橫向水平支撐，中間每隔約60m（凈距）再設(shè)一道。如果第一開間內(nèi)不能設(shè)置時(shí)，可設(shè)置在第二開間內(nèi)，但必須注意，第一開間內(nèi)相應(yīng)傳遞水平荷載的桿件應(yīng)該設(shè)計(jì)成壓桿。3）在建筑物內(nèi)，當(dāng)柱列有不同柱距時(shí)，或當(dāng)建筑物有高低跨變化時(shí)，應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐提高結(jié)構(gòu)的整體性，調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的分布，以求減小各剛架柱縱向水平位移的差異，使結(jié)構(gòu)受力均勻、合理。當(dāng)建筑物平面布置不均勻時(shí)，如果局部凸出、凹進(jìn)、抽柱等情況時(shí)，為提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)力，在上述區(qū)域均需設(shè)置縱橫向封閉的連續(xù)水平支撐系統(tǒng)。屋蓋水平支撐中交叉腹桿按受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)，滿足強(qiáng)度、長(zhǎng)細(xì)比要求，長(zhǎng)細(xì)比限值400。壓桿同屋面系桿。2.5屋面系桿1）柱間及屋脊處沿房屋全長(zhǎng)必須設(shè)置2）剛性系桿按壓桿考慮，需要滿足強(qiáng)度、長(zhǎng)細(xì)比、穩(wěn)定性要求，可用鋼管，也可采用雙角鋼。在建筑物跨度較小、高度較低的情況下，可由檁條兼任，但檁條按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，并應(yīng)保證檁條平面外的長(zhǎng)細(xì)比和穩(wěn)定性。2.6柱間支撐柱間支撐的截面形式：1）單片支撐常采用單角鋼、兩個(gè)角鋼組成的T型截面、兩槽鋼組成的工字型截面或方管截面。2）雙片支撐一般采用不等邊角鋼以長(zhǎng)肢與柱連接及由槽鋼組成的截面形式。3）雙片支撐之間采用綴條相連接，當(dāng)雙片支撐的間距小于600mm時(shí)采用橫桿式，當(dāng)雙片支撐的間距大于600mm時(shí)則采用斜桿式三、計(jì)算模型及荷載條件3.1計(jì)算模型選取廠房結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，若按實(shí)際體系和工作情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算是很復(fù)雜的。在不影響設(shè)計(jì)精度的前提下，實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常采用一種近似的計(jì)算簡(jiǎn)圖或計(jì)算方法以減輕計(jì)算的工作量，對(duì)于一般的廠房均以橫向平面結(jié)構(gòu)作為計(jì)算的基本單元。柱平面外的計(jì)算長(zhǎng)度，應(yīng)取阻止剛架柱平面外位移的側(cè)向支撐點(diǎn)之間的距離。上段柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度取吊車梁頂面至柱頂?shù)拈L(zhǎng)度，下段柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度取基礎(chǔ)頂面至肩梁頂部之間的長(zhǎng)度。簡(jiǎn)化后的廠房的跨度等于上段柱中心線之間的距離[3]，計(jì)算時(shí)并假定柱與基礎(chǔ)之間的連接為剛性連接，計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖。圖3-1門式剛架計(jì)算簡(jiǎn)圖3.2作用在剛架上的荷載廠房的主要荷載通過橫向剛架傳至基礎(chǔ)，進(jìn)行橫向平面剛架的計(jì)算，需要求出柱系統(tǒng)在各種荷載作用下起控制作用的截面最不利內(nèi)力，以此作為柱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。作用在橫向剛架上的荷載有永久荷載和可變荷載兩種，在地震區(qū)的廠房還有地震荷載，有時(shí)還需要根據(jù)工程實(shí)際情況計(jì)算地基沉降和溫度對(duì)剛架內(nèi)力的影響。永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、屋蓋、墻面等重量以及管道和設(shè)備等重量；可變荷載包括屋面均布活荷載、風(fēng)、雪、積灰荷載和吊車豎向荷載和水平制動(dòng)力荷載。永久荷載可根據(jù)實(shí)際情況和荷載規(guī)范[3]進(jìn)行確定計(jì)算，地震荷載按抗震規(guī)范[4]進(jìn)行確定，但不與風(fēng)荷載同時(shí)考慮。吊車的豎向荷載根據(jù)吊車的輪壓進(jìn)行確定，其中吊車荷載的最大輪壓Pmax和最小輪壓Pmin可由吊車的產(chǎn)品目錄查處，最小輪壓如果沒有給出可以按文獻(xiàn)[2]計(jì)算得出。吊車的橫向水平荷載根據(jù)吊車的起重量和吊車總重按文獻(xiàn)[2]中的公式計(jì)算得出。豎向荷載通常是設(shè)計(jì)的控制荷載，地震作用一般不起控制作用。但當(dāng)風(fēng)荷載較大或房屋較高時(shí)，風(fēng)荷載的作用不應(yīng)忽視。豎向荷載通常包括廠房自重、風(fēng)荷載在屋面產(chǎn)生的風(fēng)吸力、屋面活荷載、吊車和懸掛運(yùn)輸設(shè)備荷載等。四、縱向結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算縱向結(jié)構(gòu)分析主要有柱間支撐計(jì)算，縱向剛度計(jì)算，溫度應(yīng)力計(jì)算。本文中溫度區(qū)段滿足文獻(xiàn)[2]的規(guī)定，可不進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算時(shí)假定柱頂系桿、吊車梁與柱的連接均為鉸接，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可假定柱在縱向與基礎(chǔ)的連接亦為鉸接，此時(shí)剛度主要由柱間支撐提供，并忽略偏心的影響全部縱向水平荷載由柱列的所有支撐共同承擔(dān)。4.1縱向地震作用的計(jì)算柱間支撐的壓桿在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，除考慮長(zhǎng)細(xì)比影響外，還應(yīng)計(jì)算地震作用重復(fù)加載的影響，即計(jì)入壓桿承載力降低系數(shù)[5]。地震作用按重力荷載代表值進(jìn)行，各相應(yīng)的組合值系數(shù)及分項(xiàng)系數(shù)見文獻(xiàn)[5]中相關(guān)說明。在進(jìn)行縱向結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，當(dāng)采用手算時(shí)，在計(jì)算出廠房縱向總水平地震作用后，可按各柱列剛度分配作用力。縱向總水平地震作用可按底部剪力法計(jì)算。首先須確定各質(zhì)點(diǎn)的重力荷載代表值，然后根據(jù)文獻(xiàn)[4]算得廠房縱向基本周期，可按下式計(jì)算：（4-1）其中Ｇi為i質(zhì)點(diǎn)的重力荷載代表值，ui為將Gi作為縱向水平力求得的i質(zhì)點(diǎn)處的位移。根據(jù)基本周期T1、地震烈度和場(chǎng)地類別根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的底部剪力法地震影響系數(shù)，從而求得總底部剪力：（4-2）后按各柱列剛度進(jìn)行分配，得各柱列所應(yīng)承受的縱向水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值：（4-3）各質(zhì)點(diǎn)處所作用的地震作用Fi按下式計(jì)算：（4-4）上式中未說明的符號(hào)說明見文獻(xiàn)[4]。后根據(jù)作用求柱間支撐的內(nèi)力，并計(jì)入荷載分項(xiàng)系數(shù)，進(jìn)而對(duì)柱間支撐截面及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。4.2廠房縱向剛度的計(jì)算廠房的縱向剛度主要由柱間支撐來保證，對(duì)本工程設(shè)有重級(jí)工作制吊車的廠房，在吊車梁頂面標(biāo)高處柱的縱向水平位移限值為H/4000，其中H為柱腳地面到吊車梁上翼緣頂面的距離。計(jì)算柱縱向位移時(shí)，通長(zhǎng)采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，假定：1.僅考慮柱間支撐的剛度而忽略柱剛度的影響；2.當(dāng)縱向構(gòu)件如吊車梁、輔助桁架等截面較大時(shí)，可忽略其軸向變形的影響；3.吊車水平力分配在溫度區(qū)段內(nèi)所有柱間支撐上。其詳細(xì)的計(jì)算公式見文獻(xiàn)[2][5]。五、構(gòu)件設(shè)計(jì)細(xì)部要點(diǎn)總結(jié)5.1梁柱節(jié)點(diǎn)門式剛架橫梁與柱的連接，可采用端板豎放、端板平放和端板斜放三種形式。端板及連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)符合下列規(guī)定：1）端板連接應(yīng)按所受最大內(nèi)力設(shè)計(jì)。2）主剛架構(gòu)件的連接宜采用高強(qiáng)螺栓，可采用承壓型或摩擦型連接。高強(qiáng)螺栓的直徑可根據(jù)需要選用，通常采用M16~M24螺栓。檁條和墻梁與剛架橫梁和柱的連接通常采用M12螺栓。3）端板連接螺栓應(yīng)成對(duì)對(duì)稱布置。在受拉翼緣和受壓翼緣的內(nèi)外兩側(cè)均應(yīng)設(shè)置，并宜使每個(gè)翼緣的螺栓群中心與翼緣的中心重合或接近。4）螺栓中心至翼緣板表面的距離，應(yīng)滿足擰緊螺栓時(shí)的施工要求，不宜小于35mm，螺栓短距不應(yīng)小于2倍的螺栓孔徑。5）在門式剛架中，受壓翼緣的螺栓不宜少于兩排。當(dāng)受拉翼緣兩側(cè)各設(shè)置一排螺栓尚不能滿足承載力要求時(shí)，可在翼緣內(nèi)側(cè)增設(shè)螺栓，其間距可取75mm，且不小于3倍的螺栓孔徑。6）與橫梁端板連接的柱翼緣部分應(yīng)與端板等厚度。當(dāng)端板上兩對(duì)螺栓間的最大距離大于400mm時(shí)，應(yīng)在端板的中部增設(shè)一對(duì)螺栓。7）同時(shí)受拉和受剪的螺栓，應(yīng)驗(yàn)算螺栓在拉力、剪力共同作用下的強(qiáng)度。8）端板的厚度可根據(jù)支撐條件計(jì)算，但不宜小于16mm。5.2抗風(fēng)柱抗風(fēng)柱是設(shè)置于廠房端部跨的主剛架柱之間，用于支撐山墻墻板及抵抗水平風(fēng)荷載的鋼柱?？癸L(fēng)柱的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施不但影響到抗風(fēng)柱本身的受力特點(diǎn)，而且影響到與之相連的剛架和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與受力。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，抗風(fēng)柱不宜承擔(dān)上部剛架傳遞的豎向荷載只承受墻體和自身重量及風(fēng)荷載。所以抗風(fēng)柱與主剛架的連接可采用虛接的方式，螺栓孔采用長(zhǎng)圓孔來達(dá)到只固定不傳力的連接方式。5.3設(shè)備吊掛布置及吊架的設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)廠房中，必然會(huì)存在各種管線、風(fēng)道，為了使這些設(shè)備管線合理的布置在廠房中而不影響廠房正常的生產(chǎn)空間，就需要合理的設(shè)計(jì)吊架的形式及位置來滿足設(shè)備要求。在廠房中，有幾個(gè)空間是可以留給設(shè)備滿足走管需求的：1）吊車主梁上凈空（主要用于走大型風(fēng)管、主電纜橋架）2）吊車梁下（用于各種水暖管道、吊車母線及動(dòng)力管線等）3）山墻側(cè)壁（適用于各種管道）通過對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的分析，在支吊架安裝上，有以下兩種主要的方案：1）通過在鋼架梁下面增加二次鋼梁，來增加吊點(diǎn)，一次性解決了支吊架著力點(diǎn)問題。但需要大量的二次鋼梁，浪費(fèi)大量的材料，同時(shí)也給整個(gè)廠房增加了荷載，不利于廠房的穩(wěn)定。2）通過在鋼柱增加抱卡，在鋼梁上直拉吊桿或斜拉拉桿，在吊車梁上加掛吊架等方式解決支吊架著力點(diǎn)問題。該方案，不僅解決了支吊架著力點(diǎn)問題，同時(shí)，給廠房結(jié)構(gòu)增加的荷載非常小。通過對(duì)比以上兩方