门式钢架钢结构设计书范文第1篇
摘 要：该文阐明了门式刚架轻型房屋钢结构的受力特点和基本设计原则，就看似简单却容易忽略的几个重要问题做了详细分析，望在设计中引起足够重视。
关键词：荷载 节点 纵向支撑
近十年来门式刚架轻型房屋钢结构发展迅猛。该结构形式具有布局灵活、自重轻、构造简单、施工快，经济指标好的优点，因此在轻工业厂房中得到大量广泛的应用。
下面就设计中常遇到的一些问题进行阐述。
1 荷载
1.1 恒荷载
由于门式刚架自重很轻，因此荷载对其作用非常敏感，也对用钢量及造价非常敏感。再者，屋面在风吸力的作用下常常会出现上拔力。因此如果设计时恒荷载考虑较大而实际作用恒载没有那么大，通俗点说即恒载压不住屋面，反而对结构来说不安全。因此结构恒荷载问题虽然简单但必须重视，即要求尽可能准确。
表1示例为将屋面恒载组成细化至每一层，力求荷载准确而不是凭空想象。
1.2 风荷载
风荷载计算中经常遇到的问题是刚架风荷载体型系數在《门式刚架轻型房屋钢结构》（CECS102：2002）中有一套值，在《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中有一套值。《CECS102：2002》中的刚架风荷载体型系数适用于L/H>2.3（柱脚铰接）、L/H>3.0（柱脚刚接），其余情况下应采用《GB50009-2012》中的值。（注：L为厂房宽度，H为厂房屋脊高度）
很多设计人员在设计时有时会采用一种“取大值”的方式，即分段比较，左柱《GB50009-2012》中的体型系数大就取《GB50009-2012》中的值；左坡梁《CECS102：2002》中的体型系数大就取《CECS102：2002》中的值。这种“混搭”的方式个人以为是很错误的做法。因为刚架风荷载体型系数是由风洞试验做出的，是一个整体概念，并且由于刚架自重轻，风荷载作用下经常出现不同部位风压、风吸不同作用的情况。因此“混搭取大值”会出现看似偏于保守、安全，实际作用下未必安全的情况。故刚架风荷载体型系数应按整套取值原则取用。
1.3 雪荷载
雪荷载需要注意的情况是很多设计人员只简单考虑了均布作用的情况，但在《GB50009-2012》中有不均匀分布的情况以及在不同屋面形式下可能存在积雪部位的位置。设计中应当充分注意。
另外，门式刚架轻型房屋钢结构属于对风压、雪压敏感结构。因此在基本风压、基本雪压取值上应按百年一遇考虑。在有些《GB50009-2012》中查不到具体数值的地方，应结合全国基本风压、基本雪压分布图以及上网充分收集当地气象资料情况下综合慎重取值。不可轻易参考附近地点取值，以免出现不安全的情况。
2 节点
门式刚架轻型房屋钢结构檐口处常用的柱、梁节点连接方式有平接、竖接两种。
平接相比较于竖接在屋面天沟布置上有优势。但是由于在檐口处一般柱断面比梁断面要小，因此在螺栓排列上竖接更有余地。另外从强柱弱梁的抗震概念上考虑，将连接放在梁上的竖接更为合理。
3 纵向支撑布置
纵向支撑布置有两种基本形式，有吊车时布置在厂房中部或厂房较长时布置在1/3位置处，无吊车时布置在厂房端部。为什么位置不一样？
首先，就支撑受力合理性来讲，肯定还是在端部更为合理，这样有利于中间位置的刚架传力，并且从抗震角度看，将刚度大的支撑放置在建筑物四周有利于结构的受扭。但是，从结构消耗温度次应力的角度看，将支撑放于端部不利于温度应力的耗散。
无吊车时，刚架之间的纵向是用系杆连接的，由于系杆本身刚度较小，并且一般系杆与刚架之间是用普通螺栓连接的，普通螺栓由于安装精度相对较低，螺栓两端的构件可以有一定的位移变形。这些特征有利于将温度次应力消耗。因此，支撑布置在端部既满足结构受力的合理性，又不致产生过大的有害温度应力。
有吊车时，吊车梁本身刚度很大，支撑若布置在端部，产生的有害温度应力无法耗散。只能退而求其次，将支撑布置于中部。由于吊车梁的刚度很大，厂房端部的刚架在纵向的扶持也不致于很弱。因此满足要求。
4 结语
门式刚架设计经过十余年的发展虽然可以说已经很成熟了，但是正是由于太过成熟，往往在一些看似简单却很重要的问题上容易忽视。因此还须认真把握住关键环节。
参考文献
[1] 门式刚架轻型房屋钢结构（CECS102： 2002）[S].中国计划出版社，2003.
[2] 建筑结构荷载规范（GB50009-2012）[S].中国建筑工业出版社，2012.
[3] 钢结构设计规范（GB50017-2003）[S].中国计划出版社，2003.
门式钢架钢结构设计书范文第2篇
1 工程概况
长春市某学院工艺操作实习基地为门式刚架结构。房屋屋面采用彩钢屋面板, 刚架两端铰支于钢筋混凝土基础上, 刚架材料为Q235钢, 刚架横向跨度为18m, 房屋长度为64m, 刚架间距为6m, 房屋檐口高为9m, 屋面坡度为1/10。屋面活载为0.35kN/m2, 恒载为0.7 k N/m 2, 材料的弹性模量E=210GPa, 钢材的强度设计值f=215MPa, 应用有限元分析软件ANSYS对门式刚架结构进行截面优化设计。
2 结构计算简图
2.1 梁、柱截面布置
为了节省钢材, 门式刚架构件外形一般和弯矩包络图形状接近, 故主刚架采用变截面, 焊接工字型钢, 其截面布置如图1 (a) 所示。
2.2 荷载作用及工况
门式刚架在使用过程中, 承受的主要荷载作用有恒载、活载、风载和地震作用, 常用的4种工况如下。
工况1:1.2G (恒) +1.4L (活) ;工况2:1.2 G (恒) +1.4 W (风) ;工况3:1.2 G (恒) +1.4 L (活) +0.6×1.4 W (风) ;工况4:1.2 G (恒) +0.5×1.4L (活) +1.3E (地) , 本文只取工况1进行研究。
2.3 结构计算简图
把门式刚架空间结构分解成为平面结构, 取一榀刚架来考虑, 梁柱刚接、柱脚铰接, 计算简图如图1 (b) 所示。
3 ANSYS建模与求解
3.1 定义参数的初始值
腹板厚度均为6mm, 翼缘厚度均为8mm, 高度及宽度见表1。
3.2 定义单元类型及属性
梁柱采用2节点线性梁单元BEAM188来模拟。
3.3 建立有限元模型
采用建点 (Key point) —建线 (Line) —再网格化的由下而上的方法建立有限元模型如图2所示。
3.4 施加位移约束和荷载
在关键点1、8施加ROTZ不为零其它方向都为零的约束, 在关键点2、3、4、5、6、7、9施加ROTX、ROTY、UZ均为零的约束, 并在梁上施加工况1的均布荷载如图3所示。
3.5 求解模型
计算机自动进行有限元分析求解。
3.6 结果后处理
由于在后面进行的优化进程中, 需要根据刚架的变形和内力设置相关的状态变量, 所以在进入后处理器POST1后, 需要提取门式刚架受弯构件的竖向最大挠度值以及构件的最大正应力值等。工程优化的目的是使结构的体积和自重减小, 达到节约材料、节省成本的目的。所以, 在提取参数时, 应将单元体的体积进行求和并且赋给目标变量。
4 优化结构分析
4.1 设计变量
以梁、柱截面的腹板高度和翼缘宽度为设计变量。
4.2 状态变量
状态变量是设计要求满足的约束条件变量参数, 是设计的因变量。常见的为对最大应力和最大变形的约束。即构件内的最大正应力应小于材料的设计强度值215MPa受弯构件的挠度与跨度比≤1/180, 即该门式刚架的最大挠度为100mm。
4.3 优化目标
以结构用钢量最少为优化目标。
4.4 优化求解
指定一阶优化方法进行优化。
4.5 查看优化结果
ANSYS经过优化, 在求解的第十五次得到了较好的最优解, 其优化结果如表1所示。
4.6 结果分析
由表1可知:优化后刚架的最大挠度D M A X_Y=9 6 m m<1 0 0 m m, 最大应力SBZ_MAX=198MPa<215MPa, 满足刚度和强度要求。结构基本尺寸经过优化减小, 以H2为例减少了13.6%。单榀门式刚架原设计重量为1564kg, 经过优化设计后减小至1419kg, 节省钢材9.3%。优化结果用图像显示如图4所示。可见通过优化设计后, 在满足强度、刚度等条件的前提下, 能明显的节约钢材用量, 使得设计更趋于合理。
5 结语
本文借助于ANSYS中的优化模块对门式刚架截面进行优化设计, 经过优化设计结构的受力更加合理, 体积更轻盈, 达到了节省材料、合理设计的理想效果。若对建模部分程序进行修改, 则可用于类似的结构优化设计中, 通用性比较好。
摘要：运用大型有限元分析软件ANSYS对工程中广泛使用的门式刚架结构进行了截面优化设计, 得到了满足一定工程要求条件下的最优截面尺寸, 节省了大量的钢材。
关键词：ANSYS,门式刚架,有限元模型,优化设计
参考文献
[1] 张红松, 胡仁喜, 等.ANSYS12.0有限元分析从入门到精通[M].机械工业出版社, 2010, 1.