钢结构厂房课程设计.doc

学 号

《钢结构设计》课程设计

哈尔滨市某雪糕厂轻型门式刚架设计

院 （系）名 称： 航天与建筑工程学院
专 业 名 称： 土木工程
学 生 姓 名： 韩学彬
指 导 教 师： 张建华 副专家

2023年6月

1. 设计资料 1
2.荷载计算 2
1）荷载取值计算 2
2）各部分作用的荷载标准值计算 3
3.内力分析 4
1）在恒荷载作用下 4
2）在活荷载作用下 6
3）在风荷载作用下 8
4.内力组合 15
5.刚架设计 17
5.1 截面设计 17
5.2 构件验算 17
（1）验算刚架柱在风荷载作用下的侧移 17
（2）构件宽厚比验算 17
（3）刚架梁的验算 18
（4）刚架柱的验算 20
5.3 节点验算 23
（1）梁柱连接节点： 23
（2）横梁跨中节点 25
（3）柱脚设计 27
6.其他构件设计 28
6.1 檩条的设计 28
（1）荷载及内力： 28
（2）截面选择及截面特性 29
（3）强度验算： 31
（4）挠度验算： 31
（5）构造规定： 32

6.2 隅撑的设计 32
6.3墙梁的设计 32
（1）荷载计算 33
（2）内力计算 33
（3）强度计算 33
（4）挠度计算 34
参考文献 34

1. 设计资料
哈尔滨市某雪糕厂房，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度27m，柱距6m，柱高6m，屋面坡度1/10，地震设防烈度为6度。刚架平面布置如下图（a）所示，刚架形式及几何尺寸如下图（b）所示。屋面及墙面板均为彩色压型钢板，内填充以保温玻璃棉板，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1.5米，钢材采用Q345钢，焊条采用E43型。

（a）钢架平面布置图

（b）钢架形式及几何尺寸

2.荷载计算
1）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 0.15kN/m2
50mm厚保温玻璃棉板 0.05kN/m2
PVC铝箔及不锈钢丝网 0.02kN/m2
檩条及支撑 0.10kN/m2
刚架斜梁自重 0.40kN/m2
悬挂设备 0.20kN/m2
合计 0.92kN/m2
（2）屋面可变荷载标准值
屋面活荷载：0.30KN/m
雪荷载：基本雪压S0=0.45kN/m2。对于单跨双坡屋面，屋面坡角α=5°42' 38",µz=1.0，雪荷载标准值Sk=µzS0=1.00.45kN/m2=0.45kN/m2。
取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.45kN/m2，不考虑积灰荷载。
（3）轻质墙面及柱自重标准值（涉及柱，墙骨架等）
0.5kN/m2
（4）风荷载标准值
按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2023)附录A的规定计算。
基本风压0=1.050.55kN/m2=0.58kN/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—2023）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（CECS102:2023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。

2）各部分作用的荷载标准值计算
（1）屋面
恒荷载标准值：0.92×6kN/m2=5.52kN/m2
活荷载标准值：0.456kN/m2=2.70kN/m2
（2）柱荷载
恒荷载标准值：（0.566+5.52×13.5）kN=95.52kN
活荷载标准值：2.70×13.5kN=36.45kN
（3）风荷载标准值
迎风面：柱上qw1=0.58×6×0.25kN/m=0.87kN/m
横梁上qw2=-0.5861.0kN/m=-3.48kN/m
背风面：柱上qw3=-0.586×0.55kN/m=-1.91kN/m
横梁上qw4=-0.5860.65kN/m=-2.26kN/m
3.内力分析
考虑本工程刚度跨度较小，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。采用弹性分析方法拟定刚架内力。引用《建筑结构静力计算手册》（中国建筑工业出版社）中表8-7公式计算刚架内力。
（1）在恒荷载作用下（见图3-1~3-3)
λ=l/h=27/6=4.5
Ψ=f/h=1.35/6=0.225
k=h/s=6/13.5673=0.4422
µ=3+k+Ψ(3+Ψ)=3+0.4422+0.225(3+0.225)=4.1678
Φ===0.5474
HA=HE=λΦ=5.52274.50.5474/8kN/m=45.89kN
MC=[1-(1+Ψ)Φ]=9.181272[1-(1+0.225)0.5474]/8kN/m=165.71kN·m
MB=MD=-Φ=-5.522720.5474/8kN/m=-275.35kN·m

图3-1 恒荷载作用下的M图

图3-2 恒荷载作用下的N图

图3-3 恒荷载作用下的V图
刚架的内力图符号规定：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（见图3-4~3-6）
VA=VE==2.70×27／2kN=36.45kN
HA=HE=λΦ=kN=22.45kN
MC=[1-（1+Ψ）Φ]=[1-(1+0.225)0.5474]kN·m=81.05kN·m
MB=MD=-Φ=-2.702720.5474/8kN·m=-134.68kN·m

图3-4 活荷载作用下的M图

图3-5 活荷载作用下的N图

图3-6 活荷载作用下的V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。
（1）在迎风面横梁上风荷载竖向分力qw2y作用下（见图3-7）
Φ=（8+5Ψ）=（8+50.225）=0.1368
VE==3.48×27／8kN=11.75kN; VA=(3.4813.5-11.75)kN=35.23kN
HA=HE=λΦ=kN=14.46kN
MB=MD=Φ=kN·m=86.76kN·m
MC=[α2-(1+Ψ)Φ]
=[0.52-(1+0.225)0.1368]kN·m=26.57kN·m

图3-7 风荷载qw2y作用下的M图
(2) 在背风面横梁上风荷载竖向分力qw4y作用下（见图3-8）
VA==2.26×27／8kN=7.63kN; VE=(2.2613.5-7.63)kN=22.88kN
HA=HE=λΦ=2.26274.50.1368/4kN·m=9.39kN·m
MB=MD=Φ=2.26×27²／4×0.1368kN·m=56.35kN·m
MC=Φ]=[0.52-(1+0.225)0.1368]kN·m=33.95kN·m

图3-8 风荷载qw4y作用下M图
（3） 在迎风面柱上风荷载qw1作用下（见图3-9）
α=1
Φ==[6(2+0.225)+50.4422]=0.9334
VA=-VE==-0.8762/(227)kN=-0.58kN
HE=0.586-3.38kN=1.84kN
MB=(2-Φ)=kN·m=8.35kN·m
MC=[1-(1+Ψ)Φ]=×（1-（1+0.225）×0.9334﹚kN·m=-1.12kN·m
MD=1.846kN·m=11.04kN·m

图3-9 风荷载qw1作用下的M图
（4）在背风面柱上风荷载qw3作用下（见图3-10）
VA=-VE==-1.9162/(227)kN=-1.27kN
HE=Φ)=-×（2-）kN=8.79kN
HA=(1.916-8.79)kN=2.67kN
MD=(8.796-1.9162/2)kNm=18.36kN·m
MB=2.676kN·m=16.02kN·m
MC=Φ]=kN·m
=-2.47kN·m

图3-10 风荷载qw3作用下的M图
（5） 在迎风面横梁上风荷载水平分力qw2x作用下（见图3-11）
α=1;Φ===0.0315
VA=-VE==-×(1+0.0315)=1.16kN
HA==(1+0.0315)kN=2.28kN
HE=(3.481.35-2.42)kN=2.28kN
MC==kN·m
=1.04kN·m
MB=2.426kN·m=14.52kN·m
MD=2.286kN·m=13.68kN·m

图3-11 风荷载qw2x作用下的M图
(6) 在背风面横梁上风荷载水平风力qw4x作用下（见图3-12）
VA=-VE=-2.26×1.35／(2×27)×(2×6+1.35)kN=-0.75kN
HE=2.261.35(1+0.0315)/2kN=1.57kN
HA=(2.261.35-1.57)kN=1.48kN
MC=2.26×1.35×6／2×﹙0.225×0.5﹣1.225×0.0315)kN·m=0.68kN·m
MB=1.486kN·m=8.88kN·m，MD=1.576kN·m=9.42kN·m

图3-12 风荷载qw4x作用下的M图
（7） 用叠加绘制在风荷载作用下刚架的组合内力（见图3-13~3-3-16）

图3-13 左风向风荷载qw作用下的M图

图3-14 右风向风荷载qw作用下的M图

图3-15 风荷载qw作用下的N图

图3-16 左风向风荷载qw作用下的V图

4.内力组合
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》（GB50009-2023）的规定，采用荷载效应的基本组合：SR。本工程结构构件安全等级为二级，=1.0。
(1) 对于基本组合，荷载效应组合的设计值S从下列组合值中取最不利值拟定
①1.2恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4活荷载标准值计算的荷载效应；
②1.0恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4风荷载标准值计算的荷载效应；
③1.2恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4活荷载标准值计算的荷载效应+0.61.4风荷载标准值计算的荷载效应；
④1.0恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4风荷载标准值计算的荷载效应+0.71.4活荷载标准值计算的荷载效应；
⑤1.35恒荷载标准值计算的荷载效应+0.71.4活荷载标准值计算的荷载效应。
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，截面也许的最不利内力组合如下。
梁端截面:Mmax及相应的N、V；Mmin及相应的N、V。
梁跨中截面：Mmax及相应的N、V；Mmin及相应的N、V。
对于刚架柱,截面的最不利组合有
Mmax及相应的N、V；Mmin及相应的N、V；Nmax及相应的Mmax、V；Nmin及相应的Mmax、V。
内力组合见表4-1。

表4.1 钢架内力组合（左半跨）

截面
内力组组合项目
荷载组合方式
荷载组合项目
M/kN﹒m
N/kN
V/kN

刚架柱
柱顶B

（1）
恒活
518.97
140.45
-86.5

（2）
恒风
-33.3
12.5
-22.9

（1）
恒活
518.97
140.45
-86.5

（2）
恒风
-33.3
12.5
-22.9
柱底A

—
—
—
—
—

—
—
—
—
—

（1）
恒活
0
165.65
-86.5

（2）
恒风
0
33.5
27.2

刚架梁

支座B

（1）
恒活
518.7
72.1
125.68

（2）
恒风
-33.3
-12.4
0.89
跨中C

（2）
恒风
-78.4
-17.9
3.87

（1）
恒活
-312.3
58.11
-8.63

5. 刚架设计
5.1 截面设计
初选梁柱截面均用热轧普通工字钢I63c :630×180×17×22，
截面特性：
=180,=630, =17.0，=22.0，=179.79，
=102339, =3248.9，=23.86；
=1842.4，=204.7，=3.20。
5.2 构件验算
（1）验算刚架柱在风荷载作用下的侧移
==102339，=/=27000/6000=4.5
刚架柱顶等效水平力：
===16.68
==0.6716.68=11.18kN
==
=6.20[]=/60=100
（2） 构件宽厚比验算
翼缘部分：/=81.5/22=3.7815=15 满足
腹板部分：/=586/17=34.47250=250 满足
（3）刚架梁的验算
①　 抗剪验算：
梁截面最大剪力为=125.68，考虑到仅有支座加劲肋，
===0.620.8，
==586×17×125=1245=125.68kN，满足规定。
②　 弯、剪、压共同作用下的验算：
取梁端截面进行验算，=72.1, =125.68，=518.97。
因0.5,取=0.5，按《钢结构设计规范》（GB50017—2023）验算
=

=820.99=518.97，取=
故 =01，满足规定。
③　 整体稳定验算：
=72.1, =518.97
梁平面内的整体稳定性验算：计算长度取横梁长度=27135，=/=27135/238.6=113.73[]=150，b类截面，查表得=0.472。
===2566.5,=1.0
+
=+
=170.38=295，满足规定
横梁平面外的整体稳定验算：考虑屋面压型钢板与檩条紧密连接，有蒙皮作用，檩条可作为横梁平面外的支承点，但为安全起见，计算长度按两个檩距或隅撑间距考虑，即=3015。对于等截面构件=/=3015/32=94.2,b类截面，查表得=0.593。
,

=1.269＞0.6

=
=166.88=295
④　 按《钢结构设计规范》（GB50017-2023）校核横梁腹板允许高厚比：
梁端截面：
=
=
==1.93
故=34.47=113.54，满足规定
梁跨中截面：
=
=
==1.91
故=34.47=112.58，满足规定
⑤　 验算檩条集中荷载下的局部受压承载力：
a. 檩条传给横梁上翼缘的集中荷载。
==10.21
===130
===4.62=295
b. 验算腹板上翼缘处的折算应力。
取梁端截面处的内力
=518.97，=72.1, =125.68，
===108.01
==/=6.26/

=/
=106.33=354，满足规定
（4） 刚架柱的验算
①　 抗剪验算：
柱截面最大剪力为=86.5，考虑到仅有支座加劲肋，==0.410.8，==58617170=693.5=86.5，满足规定。
②　 弯、剪、压共同作用下的验算：
取柱顶截面进行验算
=140.45，=86.5，=518.97
因0.5,取=0.5，按《钢结构设计规范》（GB50017—2023）验算
=
=
=537.69.0=518.97，取=
故 =01，满足规定。
③　 整体稳定验算
构件的最大内力：=165.65, =518.97
a. 刚架柱平面内的整体稳定性验算：
刚架柱高=6000，梁长=27135，柱的线刚度=/ =102339/6000=170565；
梁线刚度=/(2)=102339/27135=37714.8，/=170565/37714.8=4.5，查表得柱的计算长度系数=2.075。刚架柱的计算长度==2.0756000=12450。=/=12450/238.6=52.18[]=150，b类截面，查表得=0.845
===12192.46，=1.0
+
=+
=156.08/=295/，满足规定
b. 刚架柱平面外的整体稳定验算：
考虑屋面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，单位安全起见，计算长度按两个墙梁距离或隅撑间距考虑，即=3015mm。对于等截面构件，=/=3015/32.0=94.2,b类截面，查表得=0.593

=1.269＞0.6

=/
=172.75/=295/
④ 按《钢结构设计规范》（GB50017-2023）校核钢架柱腹板允许高厚比：
a.柱顶截面：
=/=/
==1.91
故=34.47=128.6，满足规定
b.柱底截面：
=0
故=34.47=117.3，满足规定
5.3 节点验算
（1） 梁柱连接节点：（见图5-1）

图5-1 刚架柱与刚架梁的连接节点
①　 螺栓强度验算：
梁柱节点采用10.9级M22高强度摩擦型螺栓连接，构件接触面采用喷砂，摩擦面抗滑移系数=0.45，每个高强度螺栓的预拉力为190，连接处传递内力设计值：
=72.7, =125.68，=518.97
螺栓抗拉承载力验算：
=0.8==152
==
==
螺栓的抗剪承载力验算：
=0.9=0.910.45190
=76.95=125.69/8=15.71，满足规定
最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算
==0.851，满足规定
②　 端板厚度验算：
端板厚度取=20，按二边支撑类端板计算:

==15.66
③　 梁柱节点域的剪应力验算：
==/
=151.12/=180/ 满足规定。
④　 螺栓处腹板强度验算：
===75.7
0.4=0.4=76
=//，满足规定
（2）横梁跨中节点（见图5-2）

图5-2 刚架梁跨中节点
①　 螺栓强度验算
横梁跨中节点采用10.9级M20高强度摩擦型螺栓连接，构件接触面采用喷砂，摩擦面抗滑移系数=0.45，每个高强度螺栓的预拉力为155kN，连接处传递内力设计值：
=26.17, =2.61，=123.45
螺栓抗拉承载力验算：
=0.8=0.8155=124
==
=118.33=124
螺栓的抗剪承载力验算：
=0.9=0.910.45155
=62.78=8.63/8=1.08，满足规定
最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算
==0.971，满足规定
②　 端板厚度验算：
端板厚度取=18，按二边支撑类端板计算:

==17.10
③　 螺栓处腹板强度验算：
===57.72
0.4=0.4155=62
=//，满足规定
（3）柱脚设计（见图5-3）

图5-3 刚架柱铰接
刚架柱与基础铰接，采用平板式铰接柱脚。
①　 柱脚内力设计值：=165.65，相应的=86.5；
=33.5，相应的=27.2。
②　 由于柱脚剪力=86.50.4=66,26，故在设立柱间支撑的开间必须设立剪力键。另>0，考虑柱间支撑竖向 上拔力后，锚栓仍不承受拉力，故仅考虑柱在安装过程中的稳定，按构造规定设 置锚栓即可，采用4M24。
③　 柱脚底板面积和厚度计算。
a. 柱脚底板面积拟定

基础采用C20混凝土，=9.6，验算底板下混凝土的轴心

抗压强度设计值：==/
=0.75/=9.6/ 满足规定。
b.底板厚度的拟定
根据柱底板被柱腹板和翼缘所分割的区段分别计算底板所承受的最大弯矩:
三边支承板：/=96/586=0.160.3，按悬臂板计算
===11616
对于悬臂板部分：===900
底板厚度：===15.0，取=20。
6.其他构件设计
6.1 檩条的设计
檩条形式为卷边槽形冷弯型钢，按单跨简支构件设计。屋面坡度1/10，檩条跨度6m，于跨中设一道拉条，水平檩距1.5m，材质为钢材Q345。
（1）荷载及内力：
考虑永久荷载与屋面活荷载的组合为控制效应。
檩条线荷载标准值：==1.53
檩条线荷载设计值
==1.908
=sin=0.189kN/m，=cos=1.899 kN/m
弯矩设计值：
，

（2）截面选择及截面特性
①　 选用C (见图6-1)：
,,;,
,,,.

图6-1 薄壁C型钢截面
先按毛截面计算的截面应力为

②　 受压板件的稳定系数
腹板：

上翼缘板：

③　 受压板件的有效宽度：
腹板：，，，，
。

板件约束系数

由于，取

，，
，.
则截面有效宽度

上翼缘板：，，，，
。

板件约束系数

由于，取

，，
，.
则截面有效宽度

下翼缘板：下q翼缘板全截面受拉，所有有效。
④　 有效净截面模量
上翼缘板的扣除面积宽度为（70-53.53）mm=16.47mm；腹板的扣除面积宽度为
（94.24-76.88）mm=17.36mm，同时在腹板的计算截面有一直径13mm拉条连接孔（距
上翼缘板边沿35mm），孔位置与扣除面积位置基本相同。所以腹板的扣除面积按直径
13mm拉条连接孔计算。有效净截面模量为：

（3）强度验算：
按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑
=/
（4）挠度验算：
=
=29.27/200=30，满足规定
（5）构造规定：
=6000/70.6=85.0[]=200，=3000/25.5=117.6[]=200
6.2 隅撑的设计（见图6-2）

图6-2 刚架梁跨隅撑布置
隅撑按轴心受压构件设计，轴心力为
===27.38
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为=633。选用L50×4，截面特性：=3.90，=14.69，=4.16，=1.94，=0.99，=/=633/19.4=32.6[]=200，b类截面，查表得=0.927。单面连接的角钢强度设计值乘折减系数，
=633/9.9=63.94，=0.6+0.0015=0.696
===108.81N/=295N/，满足规定.
6.3墙梁的设计
本工程为单层厂房，刚架柱距为6m，以上采用彩色压型钢板。墙梁间距1.5m，跨中设一道拉条，钢材为Q345。
（1）荷载计算
墙梁采用冷弯薄壁卷边C型钢，自重=7/；墙重；
基本风压=，风荷载标准值按CECS102:2023中的围护结构计算
，
本工程外墙为落地强，计算墙梁是不计墙重，另因墙梁先安装故不计拉条作用。
，

（2）内力计算

（3）强度计算
墙梁，平放，开口向上，截面特性：
，，
，
参考屋面檩条的计算结果及工程实践经验，
取，
==/
=176.6/
在风吸力下拉条设立在墙梁内测，并在柱底设斜拉条。此时压型钢板与墙梁外侧牢固相连，可不验算墙梁的整体稳定性。
（4）挠度计算
==20.98/150=40

、

参考文献
[1] 中华人民共和国建设部，钢结构设计规范GB50017—2023. 北京：中国建设工业出版社，2023.
[2] 陈树华，刚结构设计[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2023.
[3] 陈志华，刚结构原理[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2023.
[4] CECS102：2023.门式刚架轻型房屋刚结构技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2023.
[5] GB50018—2023.冷弯薄壁型刚结构技术规范[S]. 北京：中国计划出版社，2023.