建筑钢结构课程设计

建筑钢结构课程设计

专业班级 学 号 姓 名 指导老师 完成时间 1 设计基本资料

1.1设计题目：**集团轻钢结构设计 1.2建设地点：武汉市 1.3工程概况

**集团轻钢结构房屋工程的具体要求如下：

1）长度为122.4m，跨度24m，柱网为5.1m，檐口高度为8m，屋面坡度为1/12，屋面材料为单层彩板或夹芯板，墙面材料单层彩板或夹芯板，天沟为彩板天沟或钢板天沟。

2）荷载：静荷载当有吊顶时为0.45 kN/m2；活荷载为0.3 kN/m2（计算刚架时）、0.5 kN/m2（计算檩条时）；基本风压0.35 kN/m2，地面粗糙度为B类；雪荷载为0.5 kN/m2；地震设防烈度为6度。

1.4设计原始资料 1）材料规格

钢材：门式刚架采用Q345-B钢，楼面梁、屋面檩条、墙架、檩条采用Q235-B 螺栓：采用扭剪型高强度螺栓10.9级,普通螺栓采用六角头螺栓（C级）； 焊条：手工焊、自动埋弧焊和CO2气保护焊； 基础混凝土C20，垫层混凝土 C10；

钢筋：直径12mm为Ⅱ级钢筋，直径10mm为Ⅰ级钢筋。 2）地震设防烈度6度； 1.5建设规模以及标准

建筑规模：建筑面积约12024m2，为单层钢结构建筑。 1.6设计依据

建筑结构荷载规范（GB50009—2001） 钢结构设计规范（GB50017—2003）

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102: 2002 冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018—2002） 建筑制图标准（GBJ104—87）

1

2 建筑设计

2.1建筑设计指导思想

1）设计满足生产工艺的要求，这是对设计的基本要求。

2）应创造良好的操作环境，有利于保证工人健康和提高劳动生产率。 3）应满足有关技术要求：

(1) 厂房应具有必要的坚固耐久性能，使在外力、温湿度变化、化学侵蚀等各种不利因素作用下可以确保安全；

(2) 厂房建筑应具有一定的灵活应变能力，在满足当前使用的基础上，适当考虑到以后设备更新和工艺改革的需要，使远近期结合，提高通用性，并为以后的厂房改造和扩建提供条件；

(3) 设计厂房时应遵守国家颁布的有关技术规范与规程。

4）设计要注意提高建筑的经济、社会和环境的综合效益，三者间不可偏废。 5）工业建筑在适用、安全、经济的前提下，把建筑美与环境美列为设计的重要内容，美化室内外环境，创造良好的工作条件。

2.2建筑布置

考虑工艺、结构和经济三方面要求，按照设计规范，厂房可不设置伸缩缝。 2.3构造简要说明 1）屋面及墙面构造

屋面板和墙面板采用75mm厚岩棉夹芯彩板，在其纵横向搭接处均应设置连续密封胶条。屋面的坡度为1：12的双坡屋面，采用内天沟有组织排水。

2）地面构造

厂房的地面用素土夯实后铺80厚C10混凝土，然后用20厚1：2水泥砂浆抹面。室内地坪标高为0.000，室外地坪为-0.3m，进厂房门的室内外做成斜坡。

3）刚架防锈处理

用各色硼钡酚醛防锈漆F53-9打底，在选用各色醇酸磁漆C04-42作面漆。

2

3 结构设计计算书

3.1结构体系

本设计结构体系为横向单跨双坡门式刚架承重体系，跨度24米，门式刚架斜梁坡度为1:12。纵向为檩条支撑体系，24跨，柱距5.1米。屋面板和墙面板采用75mm厚岩棉夹芯彩板，在其纵横向搭接处均应设置连续密封胶条。

3.2结构布置 1.柱网布置

综合考虑工艺、结构及经济三个方面的要求，确定厂房柱网布置为：纵向24跨，跨度5.1米，横向单跨，跨度24米。

2.横向框架结构的主要尺寸、框架柱及横梁 (1) 横向框架的结构尺寸

采用单跨双坡门架，门架横梁与门架柱刚性连接，刚架柱与地基础的连接为锚栓刚性连接。结构示意图如下：

图1 结构示意图

框架主要尺寸为： （1）跨度：24m （2）柱高：8m （3）柱距：5.1m （4）横梁坡度为1:12 2.框架柱及横梁

框架柱采用等截面H型钢柱，钢材采用Q345钢，横梁采用分段变截面焊接

3

工字形截面，钢材采用Q345钢。

3. 墙架及柱间支撑布置

墙架系由横梁（墙梁）及拉条、窗镶边构件、墙架柱、抗风柱等构件组成。其作用是支撑墙体，保证墙体的稳定，墙体承受风荷载传递到厂房骨架和基础上。

柱间支撑为交叉腹杆体系，交叉腹杆体系最为经济且刚度较大。 4. 屋盖支撑布置

门式刚架的屋盖支撑体系由纵向水平支撑、横向水平支撑和系杆构成。 3.3静力计算简图

选取轴刚架为典型单元进行静力计算，计算单元如图所示：

图2 计算单元

3.4荷载计算 1.荷载取值计算

恒载（坡向）：结构自重（包括屋面板、檩条、保温层及刚架自重） 无吊顶（檩条计算） 0.2 kN/m 有吊顶（刚架计算） 0.45 kN/m2

活载：计算刚架取0.3kN/m2 ;计算檩条取0.5kN/m2 雪载：0.5 kN/m2

风荷载：基本风压按荷载规范GB50009-2001取，地面粗糙等级B级，基本风压：0.35 kN/m2;由于柱高小于10m，不考虑高度变化系数，故取基本风压为0.35 kN/m2。风载体形系数按表A.0.2-1选取：

2

4

图3 风载体形系数

3.5檩条设计 1）截面选型

11按 i1/12，檩条跨度6m,檩条高度hl171.43mm~120mm，从

3550而初选C形檩条140×50×20×2.5，檩距为1.5m，檩条跨度大于4m，故在檩条间跨设置拉条，在檐中处设置斜拉条和刚性撑杆。

2）荷载标准值

永久荷载： 压型钢板（含保温） 0.15kN/m2 檩条（包括拉条）0.05kN/m2 合计 0.2kN/m2

可变荷载：屋面均布活荷载和雪荷载的最大值为0.50kN/m2。 3）内力计算

（1）永久荷载与屋面活荷载组合 檩条线荷载

pk(0.20.5)1.51.05kN/m

p(1.20.21.40.5)1.51.41kN/m pxpsin4.76o0.117kN/m

pypcos4.76o1.405kN/m

5

弯矩设计值 Mx Mypyl2821.4055.184.57kN/m

pxl2320.1175.12320.10kN/m

（2）永久荷载与风荷载吸力组合

按《建筑结构荷载规范》GB50009—2001,房屋高度小于10米，风荷载高度变化系数取10米高度处的数值，z1.0。按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102: 2002附录A，风荷载体型系数为 1.5logA2.91.57（边缘带），

A1.55.17.65m2。

垂直屋面的风荷载标准值：

wkszw01.571.0(1.050.35)0.58kN/m2

檩条线荷载：

pky(0.580.2cos4.76o)1.50.57kN/m

px0.21.5sin4.76o0.025kN/m

py1.40.581.50.21.5cos4.76o0.919kN/m 弯矩设计值（采用受压下翼缘设拉条的方案）

Mx Mypyl280.9195.1282.988kNm

pxl2320.0255.12320.020kNm

4）截面选择及截面特性 （1）选用C16060202.5

Ix288.13cm4，Wx36.02cm3，Iy35.96cm4，Wymax19.47cm3，

Wymin8.66cm3，ix6.21cm，iy2.19cm，x01.85cm； 先按毛截面计算的截面应力为：

MyMx4.571060.11062 1（压） 132.0N/mmWxWymax36.0210319.471036

MxMy4.571060.11062 2（压） -115.3N/mm33WxWymin36.02108.6610MyMx4.571060.11062（拉） 3121.7N/mm33WxWymax36.021019.4710（2）受压板件的稳定系数 ① 腹板

腹板为加劲板件minmax121.7132.00.9221，由《冷弯薄壁型钢

结构技术规范》公式(5.6.22)

k7.86.299.7827.86.29(0.922)9.78(0.922)221.91 ②上翼缘板

上翼缘板为最大压应力作用于部分加劲件的支承边，

minmax115.30.8731，由《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式

132.0(5.6.23) k5.8911.596.6825.8911.590.8736.680.87320.863

（3）受压板件的有效宽度 ①腹板

1132.0N/mm2 kc0.863，k21.91，b160mm，c60mm，t2.5mm，由《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式 (5.6.33) ck6021.911.8901.1 bkc1600.863按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.32)计算的板组约束系数为

k10.110.93(0.05)20.110.93(1.8900.05)20.385

205k1k2050.38521.91132.03.619

1 由于0，则1.15，bcb(1)140(10.873)74.75mm，

b16064，18181.153.61974.91，t2.57

38381.153.619158.15

因为 b18，按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.11) 计算的

t截面有效宽度为 bebc74.45mm

由《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.52)，

be10.4be0.474.4529.78mm，be20.6be0.674.4544.67mm

②上翼缘板

k0.863，kc21.91，b60mm，c160mm，1132.0N/mm2

ck1600.8630.5291.1 bkc6021.91 按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.31)计算的板组约束系数为 k11 10.5291.375

1.358

205k1k12051.3750.863132.0由 0，则1.150.151.150.150.8731.019，bcb60mm，

b6024 t2.518181.0191.35824.91，38381.0191.35852.58

所以 b18，按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.11) 计算的

t截面有效宽度为bebc60mm

由《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.53)be10.4be0.46024mm，

be20.6be0.66036mm。

③下翼缘板

8

下翼缘板全截面受拉，全部有效。 ④有效净截面模量 有效净截面模量为:

Wenx3.37104mm3,Wenymax1.915104mm3,Wenymin0.609104mm3

5）强度计算

屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转，《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式

MyMx4.571060.10106(8.1.11) 1138.8N/mm2205N/mm2 44WenxWenymax3.37101.915106）稳定计算 （1）有效截面模量

永久荷载与风吸力组合下的弯矩小于永久荷载与屋面可变荷载组合下的弯矩，根据前面的计算结果，可以取：

Wenx3.37104mm3 , Wenymax1.915104mm3 ,Wenymin0.609104mm3 （2）受弯构件的整体稳定系数 按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》附录A中A.2的规定计算，

查表，跨中设一道侧向支承b0.5，11.35，20.14

eae0x0b24.451.85625.6cm（取正值）

22ea/h20.145.6160.098

4I0.156Itbl241887.710.1560.15590.55102w()21.051hIyIyh1635.9635.96162

y300118.58 2.534320Ahbx2yWx1235f y29

43207.48161.35102.79236.020.2740.09821.0510.0981.240.7

 1.091bxbx1.0910.2740.871 1.24（3）风吸力使檩条下翼缘受压，按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式

(8.1.12)

计算的稳定性为：

MyMx2.9881060.020106 102.8N/mm2205N/mm2 33bxWexWey0.87133.71019.1510计算表明永久荷载与风荷载组合不起控制作用。 7）挠度计算

45pkyl51.05cos4.76o51004 vy15.53mml25.5mm 34200384EIx38420610288.13108）构造要求

x5106.2182.13<200 , y2552.19116.44200 故此檩条在平面内、外均满足要求。 3.6 墙梁设计 1) 截面选型

初选C形墙梁20070202.5，间距为2m，墙梁跨度大于4m，故在墙梁间跨设置拉条一道。如图4。

图4 墙梁布置

10

2) 荷载标准值

永久荷载： 压型钢板（含保温） 0.15kN/m2

墙梁（包括拉条） 0.08kN/m2 合计 0.23kN/m2

3) 内力计算 墙梁所受荷载设计值

kN/m 竖向： qx0.1521.20.36 qx0.0821.20.192kN/m qxqxqx0.552kN/m

水平： qy1.01.050.3521.4=1.029kN/m（压力） qy1.11.050.3521.4=1.132kN/m（拉力） 墙梁所受荷载标准值

竖向： qkx(0.150.08)20.46kN/m

水平： qky1.01.050.352=0.735kN/m（压力）

1.11.050.352=0.8085kN/m（拉力） qky荷载组合考虑两种情况：①qxqy； ② qxqy

（1）竖向荷载qx产生的弯矩My。由于墙梁跨中竖向设有一道拉条，可视为墙梁支承点。 MymaxMB11qxl20.5525.120.45kNgm 3232。（2）水平荷载qy、qy产生的弯矩Mx、Mx墙梁承担水平方向荷载作用下，

按单跨简支梁设计内力，则

11迎风： Mxqyl21.0295.123.35kNgm

88121q1.1325.123.68kNgm 背风：Mxyl8811

（3）剪力：在竖向荷载qx作用下，两跨连续梁的最大剪力为

Vmax0.625qxl0.6250.5525.11.76kN

在水平方向的剪力按单跨简支梁计算 迎风 Vymax0.5qyl0.51.0295.12.62kN 背风 Vymax0.5qyl0.51.1325.12.89kN 4) 截面验算

由初选墙梁截面C形槽钢20070202.5，查表得其截面特性：

A8.98cm2；Ix538.21cm4；Wx53.82cm3；ix7.74cm；x02.0cm；

Iy56.27cm4；Wymax28.18cm3；Wymin11.25cm3；iy2.5cm；

Iw4376.18cm6；It0.1871cm4；Ww1155.14cm4；Ww2129.75cm4

（1）各板件端的应力值为： 迎风： iMxMy WxWy3.351060.451061-78.21N/mm2（拉） 3353.821028.18103.351060.451062222.24N/mm（拉） 3353.821011.25103.351060.45106346.28N/mm2（压） 3353.821028.18103.351060.4510624102.24N/mm（压） 3353.821011.2510背风： iMyMx WxWy3.681060.451062152.41N/mm（压） 3353.821028.18103.681060.451062108.38N/mm2（压） 3353.821011.251012

3.681060.451062384.34N/mm（拉） 3353.821028.18103.681060.45106428.38N/mm2（拉） 3353.821011.2510（2）受压板件的有效宽度 ① 迎风：

1-3板为加劲板件，minmax78.2146.281.6901，由《冷弯薄

壁型钢结构技术规范》公式(5.6.22)取1计算，

k7.86.299.7827.86.29(1)9.78(1)223.87

3-4板为最大压应力作用于部分加劲件的支承边，

min46.28max102.240.4531，

由《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.24)

k1.150.220.04521.150.220.4530.0450.45321.06

1-3板k23.87，kc1.06，b200mm，c70mm，t2.5mm，

146.28N/mm2，

由《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.33)

ck7023.871.661.1 bkc2001.06按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.32)计算的板组约束系数为

k10.110.93(0.05)20.110.93(1.660.05)20.47

205k1k2050.4723.8746.287.05

1由于0，则1.15，bcb(1)200(11.690)74.35mm

8018， 1-3板截面有效 18181.157.05145.94 ，b200t2.513

bebc74.35

3-4板 k1.06，kc23.87，b70mm，c200mm，t2.5mm，

1102.24N/mm2，ck2001.060.601.1 bkc7023.87按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.31)计算的板组约束系数为

k1110.601.29

205k1k2051.291.06102.241.66

1由0，则1.150.151.150.150.4531.08，bcb70mm，

b7028，18181.081.6632.27，38381.081.6668.13

t2.5所以b18，按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.11)计算的截

t面有效宽度为bebc70mm

由《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.53)，

be10.4be0.47028mm，be20.6be0.67042mm

1-2板全截面受拉，全部有效 ② 背风：

1-3板为加劲板件，min84.341.6091，由《冷弯薄max52.41壁型钢结构技术规范》公式(5.6.22)取1计算

k7.86.299.7827.86.29(1)9.78(1)223.87

1-2板为最大压应力作用于部分加劲件的支承边，

minmax52.410.4841，由《冷弯薄壁型钢结构技术规范》

108.3814

公式(5.6.24)

k1.150.220.04521.150.220.4840.0450.48421.03

1-3板k23.87，kc1.03，b200mm，c70mm，t2.5mm，

152.41N/mm2，

ck7023.871.721.1 bkc2001.03k10.110.93(0.05)20.110.93(1.720.05)20.41

205k1k2050.4123.8752.416.19

120076.66mm 由于0，则1.15，bcb(1)(11.609)8018， 所以1-3板全截面有18181.156.19128.13，b200t2.5效bebc76.66mm。

3-4板 k1.03，kc23.87，b70mm，c200mm，t2.5mm，

1108.38N/mm2，

ck2001.030.591.1，k1111.3，

0.59bkc7023.87205k1k2051.31.03108.381.59，

1由0，则1.150.151.150.150.4841.07，bcb70mm，

b7028，18181.071.5930.62，

t2.5所以b18，按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.11)计算的截

t15

面有效宽度为bebc70mm

由《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(5.6.53)，

be10.4be0.47028mm，be20.6be0.67042mm

3-4板全截面受拉，全部有效。 （3）有效净截面模量 有效净截面模量为：

Wenx5.024104mm3 ，Wenymax2.670104mm3，Wenymin1.068104mm3

5）强度计算

（1）正应力：根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(8.1.11) 迎风时，

MxMy3.351060.4510622 4108.81N/mm205N/mm44WenxWeny5.024101.06810 背风时，

MMx3.681060.45106y 2115.38N/mm2205N/mm2 44WenxWeny5.024101.06810（2）剪应力：根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(8.3.11)、(8.3.12)

3Vxmax31.76103竖向剪应力 x8.12N/mm2fv

4b0t4(7022.5)2.532.89103水平剪应力 y8.89N/mm2fv

2h0t2(20022.5)2.56）稳定计算

受弯构件的整体稳定系数bx按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》附录A中A.2的规定计算。查表，跨中设一道侧向支承，b0.5，11.35，20.14

eae0x0b24.892726.39cm（取正值）

16

3Vymax 22ea/h20.146.39200.089

4I0.156Itbl244376.180.1560.18710.55102w()20.872hIyIyh2056.2756.27202

y255102 2.54320Ahbx2yWx1235f y243208.98201.35210253.820.2740.08920.8720.0891.480.7

0.2740.906 1.481.091bxbx1.091按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》公式(8.1.12) 计算的稳定性为

MyMx3.681060.4510622122.98N/mm205N/mmbxWexWey0.9065.0241041.068104 7）挠度计算

竖向：按两跨连续梁计算

qkxl40.4651004vx0.88mml25.5mm 342003070EIy30702061056.2710水平方向：按单跨简支梁计算

45qkyl50.808551004vy6.43mml25.5mm 34200384EIx38420610538.21108）构造要求

x5107.7465.89200 ，y2552.5102200 故此墙梁在平面内、外均满足要求。 3.7抗风柱设计

每侧山墙设置2根抗风柱，则每根抗风柱作用宽度为8米。 1) 荷载计算

17

墙面及墙梁自重为 0.23kN/m2，抗风柱自重约为0.4kN/m 风荷载：风压高度变化系数z1.0

风压体型系数由《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002附录A表A.0.2-4查出，s1.0

风荷载标准值wkszw01.01.0(0.351.05)=0.3675kN/m2 单根抗风柱承受的均布荷载设计值： 永久荷载设计值 q1.20.2382.21kN/m 风荷载设计值 qw1.40.367584.12kN/m 风荷载标准值 qkw0.351.0582.94kN/m 2) 内力计算

取中间柱作为计算对象，计算模型如图5

图5 抗风柱计算

构件最大轴压力Nmax(2.210.4)8.6722.63kN

1构件最大弯矩Mmax4.128.67238.71kNgm

83) 截面选择

Ix10456cm4，Wx604.4cm3，ix14.12cm，取工字形截面H35017569，

Iy791.1cm4，Wy90.9cm3，iy3.88cm，A52.45cm2， g41.2kg/m

18

4) 强度计算

根据《钢结构设计规范》GB50017-2003公式(5.2.1)

MxN22.6310338.7110622 65.31N/mmf215N/mm23AnxWnx52.45101.05604.4105) 稳定计算

(1)弯矩作用平面内的稳定：根据《钢结构设计规范》GB50017-2003公式

(5.2.21)，绕强轴xl0x86761.4150 ix14.12因为

b0.8，所以查《钢结构设计规范》GB50017-2003附录C的b类截h2EA22.0610552.45102面，x0.724，NEx2571.48kN 221.1x1.161.4所计算段无端弯矩但有横向荷载，故mx1.0

mxMxN22.631031.038.71106xAW(10.8N)0.72452.451021.05604.4103(10.822.63)x1xNEx2571.4867.39N/mm2f215N/mm

（2）弯矩作用平面外的稳定：根据《钢结构设计规范》GB50017-2003公式(5.2.23)，绕弱轴考虑墙梁隅撑的支持作用，计算长度取墙梁间距2米。

yl0yiy20051.55150 3.88 因为

b0.8，所以查《钢结构设计规范》GB50017-2003附录C的b类h51.5521.071.01 截面，y0.794，b1.074400044000y2所计算段有端弯矩和横向何在作用，并使构件段产生同向曲率，故取

mx1.0，另1.0

txMxN22.631031.038.711062268.85N/mmf215N/mmyAbW1x0.79452.451021.01604.410319

（3）挠度

根据《钢结构设计规范》GB50017-2003附录A续表A.1.1，在横向风荷载作用下，抗风柱水平挠度为

5qkwl452.9486704l8670v10.04mmv21.68mm34384EIx3842061010456104004003.8门式刚架设计

1）计算简图：

由计算条件可得各荷载取值如表1

表1 组合内力荷载取值

荷载名称 恒载 活载 风载 雪载

荷载取值 0.45kN/m2 0.3kN/m2 0.35kN/m2 0.5kN/m2

由表1可得出，雪荷载大于屋面活荷载，应取max（活载，雪载）=0.5kN/m2。 依据各部分从属面积，从属宽度可以得到： 屋面：

恒荷载标准值：0.45×5.1=2.3kN/m 雪荷载标准值：0.5×5.1=2.55kN/m 刚架柱：

恒荷载标准值：0.23×5.1=1.17kN/m

风荷载标准值：

基本风压 ω0=1.05×0.35kN/m2=0.3675kN/m2 迎风面：柱上qw1=0.3675×5.1×0.25=0.47kN/m 横梁上qw2=－0.3675×5.1×1.0=－1.87kN/m 背风面：柱上qw3=－0.3675×5.1×0.55=－1.03kN/m 横梁上qw4=－0.3675×5.1×0.65=－1.22kN/m 3）荷载效应组合 （1）恒荷载作用内力计算

20

根据前面所述，进行刚架恒荷载内里分析，内力计算荷载工况如图6所示。

图6 恒荷载分析工况

采用结构力学求解器求解内力，求解得到如下结果。刚架弯矩图、剪力图和轴力图分别见图7、8和9，数值见表2。

图7 刚架恒载下弯矩图

图8 刚架恒载下剪力图

21

图9 刚架恒载下轴力图 表2 恒载下刚架内力

--------------------------------------------------------------------------------------------- 杆端 1 杆端 2

---------------------------------------- ------------------------------------------ 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 --------------------------------------------------------------------------------------------- 1 -36959.9999 -11007.2742 0.00000001 -27599.9999 -11007.2742 -88058194.3 2 -13261.3077 26590.5585 -88058194.3 -10969.2525 -914.104377 66534531.2 3 -10969.2525 914.104373 66534531.2 -13261.3077 -26590.5585 -88058194.4 4 -27600.0000 11007.2743 -88058194.4 -36960.0000 11007.2743 0.00000000 ---------------------------------------------------------------------------------------------

（2）活荷载作用内力计算

根据前面所述，进行刚架活荷载内里分析，内力计算荷载工况如图10所示。

图10 活荷载分析工况

采用结构力学求解器求解内力，求解得到如下结果。刚架弯矩图、剪力图和轴力图分别见图11、12和13，数值见表3。

22

图11 刚架活载下弯矩图M

图12 刚架活载下剪力图

图13 刚架活载下轴力图 表3 活载下刚架内力

--------------------------------------------------------------------------------------------- 杆端 1 杆端 2 ---------------------------------------- ------------------------------------------ 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 --------------------------------------------------------------------------------------------- 1 -30599.9999 -12203.7171 -0.00000001 -30599.9999 -12203.7171 -97629737.2 2 -14702.7542 29480.8366 -97629737.2 -12161.5625 -1013.46354 73766545.5

23

3 -12161.5625 1013.46354 73766545.5 -14702.7542 -29480.8366 -97629737.3 4 -30600.0000 12203.7171 -97629737.3 -30600.0000 12203.7171 -0.00000001 ---------------------------------------------------------------------------------------------

（3）左风荷载作用内力计算

根据前面所述，进行刚架活荷载内力分析，内力计算荷载工况如图14所示。

图14 左风荷载工况图

采用结构力学求解器求解内力，求解得到如下结果。刚架弯矩图、剪力图和轴力图分别见图15、16和17，数值见表4。

图15 左风荷载弯矩图

图16 左风荷载剪力图

24

图17 左风荷载轴力图 表4 左风荷载下刚架内力

--------------------------------------------------------------------------------------------- 杆端 1 杆端 2 ---------------------------------------- ------------------------------------------ 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 --------------------------------------------------------------------------------------------- 1 22259.7916 11912.7421 0.00000000 22259.7916 8152.74216 80261937.3 2 9973.15570 -21505.8525 80261937.3 9973.15570 1011.92929 -43127820.3 3 10003.0867 -652.757577 -43127820.3 10003.0867 14037.9878 37461937.5 4 14820.2083 -8802.74219 37461937.5 14820.2083 -562.742191 0.00000000

（4）右风荷载作用内力计算

根据前面所述，进行刚架活荷载内力分析，内力计算荷载工况如图18所示。

图18 右风荷载工况图

采用结构力学求解器求解内力，求解得到如下结果。刚架弯矩图、剪力图和轴力图分别见图19、20和21，数值见表5。

25

图19 右风荷载弯矩图

图20 右风荷载剪力图

图21 右风荷载轴力图 表4 右风荷载下刚架内力

--------------------------------------------------------------------------------------------- 杆端 1 杆端 2

---------------------------------------- ------------------------------------------ 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 --------------------------------------------------------------------------------------------- 1 14820.2083 562.742189 0.00000001 14820.2083 8802.74218 37461937.5 2 10003.0866 -14037.9878 37461937.5 10003.0866 652.757577 -43127820.3

26

3 9973.15571 -1011.92928 -43127820.3 9973.15571 21505.8525 80261937.3 4 22259.7916 -8152.74217 80261937.3 22259.7916 -11912.7421 -0.00000001 ---------------------------------------------------------------------------------------------

4）荷载组合

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：osR。本工程结构构件安全等级为二级，0=1.0。有四种组合：

(1)1.2×恒载+1.4×max（活载，雪载）； (2)1.2×恒载+1.4×风载；

(3)1.2×恒载+1.4×max（活载，雪载）+1.4×0.6×风载； (4)1.2×恒载+1.4×0.7×max（活载，雪载）+1.4×风载；

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

27

表5 内力组合表

单元码 节点码 内力 组合1 （1.2恒+1.4活） 0 -87.19 -30.29 -242.35 -75.96 -30.29 -242.35 -36.49 73.18 183.11 -29.38 -2.51 组合2 （1.2恒+1.4风） 左风 0 -13.19 3.46 6.69 -1.95 -1.79 6.69 -1.96 1.80 19.45 0.79 0.32 右风 0 -23.60 12.43 -53.23 -13.37 0.89 -53.23 -1.91 -12.33 19.45 0.84 0.18 组合3 （1.2恒+1.4活+1.4×0.6×风） 左风 0 -68.49 -20.29 -174.93 -67.59 -23.44 -174.93 -26.90 55.11 146.88 -24.04 -1.66 右风 0 -74.24 29.82 -125.22 -67.16 22.90 -125.22 -24.04 -67.59 146.88 -24.04 1.96 组合4 (1.2恒+1.4×0.7活+1.4风) 左风 0 -48.23 -8.50 -88.99 -31.33 -13.76 -88.99 -19.85 30.68 91.74 -8.97 -0.67 右风 0 -58.75 26.95 -148.91 -41.07 12.85 -148.91 -19.83 -41.14 91.74 -8.87 -1.31 M A 1 B N V M N V M B 2 C N V M N V 5）截面预估 柱截面:

H250200810，截面面积A=5840mm2，Ix6575104mm4，

Iy1334104mm4，Wx48.43104mm3 Wy11.24104mm3，

ix103.2mm iy42.1mm

刚架斜梁断面：

28

H450200810，截面面积A=7440mm2，Ix24664104mm4，

Iy1335104mm4，Wx109.6104mm3 Wy13.35104mm3，

ix182.1mm iy42.4mm

6）截面验算

按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102: 2002）2012版第(6.1.1)条规定验算。翼缘板自由外伸宽厚比：（200-8）/（2×10）=7.64<1523512.38，fy满足规程限值要求；腹板高厚比

45021023553.75250=206，满足规程限8fy值要求。柱腹板高度变化率 (450-250)/8=25mm/m<60 mm/m，故腹板抗剪可以考虑屈曲后强度。柱腹板不设加劲肋，

k5.34，

whwtw53.75 0.762<0.8，所以fv=fv，根据规程37k235fy375.34235345第(6.1.1)式（6.1.1-8、6.1.1-9）则其抗剪承载力设计值为：Vdhwtwfv；

梁腹板高度变化率 0mm/m<60 mm/m，故腹板抗剪可以考虑屈曲后强度。梁腹板不设加劲肋，k5.34，

whwtw53.750.762<0.8，所以fv=fv，根据规程

37k235fy375.34235345第(6.1.1)式（6.1.1-8、6.1.1-9）则其抗剪承载力设计值为：Vdhwtwfv'。

（1）1号单元截面验算 ①最不利组合内力值如下：

A节点端 MAB=0kNgm，VAB=-30.29kN，NAB=87.19kN B节点端 MBA=-242.35kNgm，VBA=-30.29kN，NBA=87.19kN ② 强度验算

先计算1号单元A节点端

1N/A87.19103/5549 柱下端弯矩为0，截面边缘正应力比值1.0，

29

13.69N/mm2， k16(1)0.112(1)(1)22162+22=4

因1f计算参数p可用R1=1.113.69=15.06N/mm2代替技术规程式(6.1.1-3)中的

fy。根据技术规程式(6.1.1-3)求得

phw/tw28.750.70.8。

28.1k235/fy28.14235/15.06所以根据技术规程式(6.1.1-2)求得有效宽度系数1，即此时1号单元A

端截面全部有效。1N/A13.69N/mm2310N/mm2。

VAB30.29kNVdhwtwfv2502107180103287.28kN 1号单元A节点端强度满足 再计算1号单元B节点端

1NAMW87.19103/7440242.35106/109.6104231.33N/mm2(压)

e2NAMW87.19103/7440242.35106/109.6104210.91N/mm2e拉)截面边缘正应力比值用

R1(

210.910

规

程

式

(6.1.1-3)

中

的

fyR1代替技术，

1.1231.33254.46N/mm2

根据技术规程式(6.1.1-4)求得k16(1)0.112(1)(1)2221.75

根据技术规程式(6.1.1-3)求得phw/tw0.3010.8。

28.1k235/fy所以根据技术规程式(6.1.1-2)求得有效宽度系数1，即此时1号单元B端截面全部有效。

节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第(6.1.2)条的第2款规定进行验算

VBA30.29kN0.5Vdhwtwfv0.54502108180103309.6kN

30

MeNMeNWe/Ae(31087.19103/7440)109.6104326.92kNgm M242.35kNgmMeN326.92kNgm

1号单元B节点端强度满足 ③稳定验算

刚架柱平面内的整体稳定验算：

根据《技术规程》第6.1.3条可求出楔形柱的计算长度系数。柱小头的惯性矩Ic05908104mm4，大头惯性矩Ic124664104mm4；梁的最小截面惯性矩

Ib024664104mm4。

柱的线刚度 K1Ic1/h24664104/800030830mm3

柱的线刚度K2Ib0/2sl24664104/2112041.610241mm3

K2/K130830/102413，Ic0/Ic10.241，x 由规程表6.1.3查得r1.00。

L0xIc0xAc01.08000590810/5549477.53，

2EAe03.1422.061055840NEx017.05105N。 221.11.177.53所用钢材为Q345-B，b类截面，故查《钢结构设计规范》（GB50017-2003）附录表C-2时，长细比换算为77.53楔形柱平面内稳定验算：

34593.94，查表得x0.594。 235N0mxM187.191031.0242.35106+254.5N/mm2xAe0(1N0)W0.594584087.191-0.594109.6104xe1x0NE1705310N/mm2

刚架柱平面外的整体稳定验算：

31

钢架柱脚 抗风柱脚 下段柱平面外稳定性验算：

考虑压型钢板墙面与墙梁紧密连接，起到应力蒙皮作用，与柱相连的墙梁可作为柱平面外的支承点，计算时，按常规墙梁隅撑间距考虑，取ly4000mm。

楔形柱平面外稳定验算：

yL0yIc0yAc04000983.510/5840495.01，换算长细比为

95.01345d450115.12，查表得y0.464，柱楔率为1110.8， 235d02502x00.75N/NEx0t1N/NE87.1910387.1910310.750.951 5517.051017.05102s10.023lh0/Af10.0230.84000250/200101.411

w10.00385l/iy010.003854000/42.11.038

y0sl/iy01.4114000/42.1134.06

by4320A0h02y0Wx0sy0t0235+4.4hf0yw22432058402501.411134.0610235+ 2134.064843001.0384.42503450.8210.6代替by，按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定，用by32

1.07by0.282by0.727

N0tM187.191030.951242.3510622293.12N/mm310N/mmyAe0bWe10.46458400.727109.6104 (2) 2号梁单元验算

①最不利组合内力值如下：

B节点端 MBC=242.35kNgm，VBC=73.18kN，NBC=36.49kN C节点端 MCB=-242.35kNgm，VCB=2.51kN，NCB=29.38kN ② 强度验算

先计算2号单元B节点端

1NAMW36.49103/7440242.35106/109.6104226.03N/mm2e(压)

2NAMW36.49103/7440242.35106/109.6104216.22N/mm2e（拉）

截面边缘正应力比值用

R1210.960

术

规

程

式

(6.1.1-3)

中

的

fyR1代替技，

1.1226.03248.63N/mm2

根据技术规程式(6.1.1-4)求得k16(1)0.112(1)(1)2222.95

根据技术规程式(6.1.1-3)求得phw/tw0.330.8。

28.1k235/fy所以根据技术规程式(6.1.1-2)求得有效宽度系数1，即此时2号单元B端截面全部有效。

节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第(6.1.2)条的第2款规定进行验算

VBC73.18kN0.5Vdhwtwfv0.54502108180103309.6kN

33

MeNMeNWe/Ae(31036.49103/7440)109.6104334.4kNgm M242.35kNgmMeN334.4kNgm1号单元A节点端强度满足

再计算2号单元C节点端：

1NAMW29.38103/7440183.11106/109.6104171.02N/mm2e(压)

2NAMW29.38103/7440183.11106/109.6104163.12N/mm2e（拉）

截面边缘正应力比值用

R1210.950

术

规

程

式

(6.1.1-3)

中

的

fyR1代替技，

1.1171.02188.12N/mm2

根据技术规程式(6.1.1-4)求得k16(1)0.112(1)(1)hw/tw0.30.8。

28.1k235/fy2222.46

根据技术规程式(6.1.1-3)求得p所以根据技术规程式(6.1.1-2)求得有效宽度系数1，即此时1号节点端截面全部有效。

节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第(6.1.2)条的第2款规定进行验算

VCB2.51kN0.5Vdhwtwfv0.54502108180103309.6kN

MeNMeNWe/Ae(31029.38103/7440)109.6104335.43kNgm M171.02kNgmMeN335.43kNgm

2号单元C节点端强度满足。 ③稳定验算

根据技术规程第6.1.6条第一款的规定，实腹式刚架梁当屋面坡度小于10°时，在刚架平面内可仅按压弯构件计算其强度。本例的屋面坡度为4.76°小于

34

10°，故可不验算梁平面内的稳定性。

刚架梁平面外的稳定性按照《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第五章第二节的规定进行验算2号梁单元。已知梁平面外侧向支撑点间距为3000 mm，即平面外计算长度L0y=3000mm。，梁为等截面，梁的截面惯性矩Ib0y1335104mm4。梁钢材为Q345，yL0yIb0yA70.8，换算长细比为70.834585.8，查表得235235y0.650，t=1.0。因y70.812099，by按照如下公式确定：

fyby1.07y244000235fy0.9030.6

代替，按《钢结构设计规范》（GB50017-2013）规定，用by1.07by0.282by0.76即by0.76。

按2号单元B端的受力验算构件平面外的稳定性：

txM136.491031.0242.35106N297.5kNgm310kNgm 4yAbyW1x0.6574400.76109.6107）节点设计

（1）梁柱连接节点螺栓强度验算

选取连接处最不利一组组合内力值：MBC 242.35kNgm，NBC 36.49kN，

35

VBC73.18kN。

螺栓验算：采用10.9级M24型摩擦型高强螺栓连接，预拉力P255kN，构件接触面采用处理方法为喷砂，摩擦面抗滑移系数0.5。

螺栓承受最大拉力值：

Nt1My1N242.350.27536.49157.440.8P0.8255180kN222yn840.2750.165i螺栓抗拉满足要求。

每个螺栓承受的剪力：

NvV73.18b9.15Nv0.9nfP101.25kN n8螺栓抗剪满足要求。 最外排螺栓验算：

NvNt9.15157.440.951 bbNvNt101.25180满足要求。 (2)端板厚度验算

端板厚度取t20mm，按两边支承端板外伸计算（根据《技术规程》7.2.9条规定）

t6efewNtewb2efefewf65050157.4410319.5mm，满

502002505050295足要求。

(3)节点域剪应力计算 根

据

《

技

术

规

程

》

7.2.10

规

定

，

M242.35163.84N/mm2180N/mm2，节点域剪应力满足要求。 dbdctt(4)螺栓处腹板强度验算

翼缘内第二排第一个螺栓的轴向拉力设计值：

Nt2My1N242.350.16536.4986.63kN0.4P90kN 222yn840.2750.165i36

0.4P90103225N/mm2310N/mm2 ewtw508刚架梁腹板强度满足要求。

柱底板钢材选用Q345，采用平板式铰接柱脚设计，布置如图所示：底板长

l310mm，宽b250mm，栓孔直径d25mm。则底板面积

A=310250=77500mm2，底板净面积

An=A4d24，

3.14252=77500475536.5mm。

4选取一组最不利内力组合：MAB=0kNgm，VAB=-30.29kN，NAB=87.19kN （1）底板面积验算：假定底板下压应力呈直线分布，则：

N87.19103q1.16N/mm2fce9.6N/mm2

An75536.5（2）底板厚度确定： 中间区隔为三边支承区隔，

b1960.87，查表可得=0.10287，故 a1110Mqa120.102871.0211021269.6Ngmm2

对于悬臂板的弯矩：

1Mqc20.51.02302459Ngmm2

2t6Mmaxf61269.62955.1mm

取底板厚度为20mm。

柱底板钢材为Q345钢材，故选用E50型焊条，ftw200N/mm2。柱与底板的焊缝焊脚尺寸取hf8mm。

假设剪力全部由腹板焊缝承担，则：

lw225020460mm，

37

V30.2910311.72ftw200N/mm2

helw0.784608）隅撑设计

隅撑按轴心受压构件设计。轴心力N按下式计算：

AfN60cosfy2352001031534516.86kN

60cos41.020235连接螺栓采用普通C级螺栓M12。

隅撑的计算长度取两端连接螺栓中心的距离：l0=6613mm。 选用Q235钢材，截面为L50×4，截面特性：

A=3.90cm2，Iu=14.69cm4，Wu=4.16cm3，iu=1.94cm，iv=0.99cm。

ul061331.6200 iu19.4b类截面，查表得u0.930

单面连接的角钢强度设计值乘以折减系数y λ=613/9.9=61.92，y0.60.00150.693

16.8610367.07N/mm2f315N/mm2

yuA0.6930.930390N满足要求。

38

4 设计总结

4.1设计不足

在这次课程设计中，在前段设计中截面选择过于保守，材料没有的得到充分的利用，而在后面又有些过于偏激，材料基本上完全地得到利用。所以在今后的设计过程中要注意前后的一贯性，使自己的设计方案既安全又经济。

4.2设计心得

在接到建筑钢结构课程设计的任务书后，自己内心很激动。因为作为一名工科学生，与理科生的一个很大的区别就在于实践精神与动手能力。借助于课程设计这个平台，我可以把课堂上学到的知识运用到课程实例中。所以在一开始我就确立目标：要能够保质保量完成课程设计的教学大纲并能够达到优的评分标准。

首先，自己做的就是温习课本，回顾各种概念公式。接着就开始阅读规范。在刚开始阅读规范时，无疑是特别枯燥的。又没有重点；所以面对规范有些不知所措。此时我又仔细阅读了课程设计指导书，明确了重点，这样在阅读规范时，效率就高了许多。

其实现在回头想想：这些当时让自己无比烦恼的问题也就是课程设计给我带来的乐趣吧。正是在不断解决问题的过程中，我对概念的理解更加深刻，同时也学会了主动思考，积极寻找解决问题的途径。在这个过程中自己各方面的能力都得到了较大幅度的提高。

致谢

在设计的初期阶段，自己很茫然。但是聂老师给我们提供了详实的资料供我们参考，自己从中受益匪浅。对规范的理解也更加深刻。所以此次课程设计的完成绝对离不开聂老师的指导。在此向聂老师表示感谢！

39