单层钢结构设计

一、设计资料

河北省霸州市万顺彩钢钢构有限公司就是我们工厂，接了一个单层工厂一厂房，该厂房为单层，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)。屋面及墙面板均为聚氨酯复合保温板；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/m2

50mm厚保温玻璃棉板0.05 KN/m2

PVC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/m2

2．屋面可变荷载标准值

屋面活荷载：按不上人屋面考虑，取为0.50 KN/m2。

雪荷载：基本雪压S0=0.45 KN/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=0.45 KN/m2。

取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.50 KN/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/m2

4．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=3

ψ=f/h=0.9/6=0.15

k=h/s=6/9.0449=0.6634

μ=3+k+ψ(3+ψ)=3+0.6634+0.15×(3+0.15)=4.1359

HA=HE=qlλΦ/8=4.02×18×3×0.5289/8=14.35KN

MC=ql2[1－(1+ψ) Φ]/8=4.02x182[1－(1+0.15)×0.5289]=63.78KN·m

MB=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=27.00KN

HA=HE=3.00×18×3×0.5289/8=10.71KN

MC=3.00×182[1－(1+0.15)×0.5289]/8=47.60KN·m

MB=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=19.03KN

HA=HE=qlλΦ/4=2.82×18×3×0.1322/4=5.03KN

MB=MD=5.03×6=30.18KN·m

MC= 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=12.35KN

HA=HE=qlλΦ/4=1.83×18×3×0.1322/4=3.27KN

MB=MD=3.27×6=19.62KN·m

MC= 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)=－0.71KN

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)=－1.55KN

HA=1.55×6－7.02=2.28KN

MD=7.02×6－1.55×62/2=14.22KN·m

MB=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=0

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

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。