房屋钢结构作业参考答案.docx

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房屋钢结构作业参考答案

《房屋钢结构》作业参考答案

第 1 章 轻型钢结构的范畴、结构种类和布置

1.简述单层轻型钢结构房屋的结构组成。

答：

单层轻型钢结构房屋一般采用门式刚架、屋架和网架为主要承重结构。

其上设檩条、屋面板（或

板檩合为一体的太空轻质屋面板），其下设柱（对刚架则梁柱合一）、基础，柱外侧有轻质墙架，柱

的内侧可设吊车梁。

2.简述单层门式刚架结构的适应范围。

答：

门式刚架结构通常用于跨度为 9-36m，柱距为 6-12m，柱高为 4.5-9m 的单层工业房屋或公共建筑

（超市、娱乐体育设施、车站候车室、码头建筑）。

设置桥式吊车的起重量不宜大于 20t、属于中、轻级

工作制的吊车（柱距 6m 时不宜大于 30t）；设置悬挂吊车时起重量不宜大于 3t。

3.简述屋架结构的适应范围。

答：

当房屋跨度较大、高度较高或承重柱采用混凝土构件时，宜采用屋架结构。

目前大量应用的压型

钢板有檩体系和太空轻质大型屋面板无檩体系多采用平坡的轻质梯形钢屋架。

4.简述网架结构的适应范围。

答：

当房屋跨度较大，其平面尺寸长短边之比接近 1 或不超过 2 时，宜采用网架结构。

5.门式刚架结构如何分类？

答：

（1）按跨数分类：

有单跨、双跨和多跨；

（2）按坡度数分类：

有单坡、双坡和多坡

（3）按构件体系分类：

有实腹式与格构式；

（4）按截面形式分：

有等截面和变截面；

（5）按结构选材分：

有普通型钢、薄壁型钢和钢管。

6.简述门式刚架结构的梁柱构件截面型式及连接方法。

答：

截面实腹式刚架构件的截面一般为工字形（或称 H 形）；格构式刚架的截面为矩形或三角形。

门式刚架的横梁与柱为刚接，柱脚与基础宜采用铰接；当水平荷载较大，檐口标高较高或刚度要求较

高时，柱脚与基础可采用刚接。

变截面与等截面相比，前者可以适应弯距变化，节约材料，但在构造连接及加工制造方面，不如等截

面方便，故当刚架跨度较大或房屋较高时才设计变截面。

7.简述门式刚架的几何尺寸：

刚架的跨度、刚架的计算高度、刚架屋面的坡度。

答：

（1）刚架的跨度：

取横向刚架柱轴线间的距离 L（柱轴线为通过变截面小端的中心线），宜为 9-

36m。

边柱宽度不等时，应外侧对齐。

（2）刚架的计算高度：

取横梁纵轴线与框架柱纵轴线的交点至柱脚底面处的距离。

一般宜为 4.5-9m,必

要时可适当加大。

（框架梁的轴线，取通过变截面梁单元中最小端截面中心处平行于框架梁上翼缘的

纵向轴线）。

（3）刚架屋面的坡度：

在 1/8-1/20 间（长尺寸压型金属屋面板或卷材屋面）及 1/4-1/6 间（短尺寸压

型金属板屋面或石棉瓦屋面）。

挑檐长度宜为 0.5-1.2m,其上翼缘坡度取与刚架斜梁坡度相同。

8.简述在结构布置时，如何确定门式刚架的间距？

答：

刚架的合理间距（柱距）应综合考虑使用要求、刚架跨度、檩条的合理跨度及荷载条件确定。

一

般宜为 6m，亦可采用 7.5m 或 9m，最大可采用 12m；门式刚架跨度较小时，也可采用 4.5m。

有时，为

小柱距布置支撑的方便，亦可在大柱距中插入个别小柱距，如 12m+6m 的混合柱距。

在建筑物山墙处，一般仍设置端刚架，也可用山墙横向墙架柱并增设压顶斜梁以代替端刚架，以简化

结构布置并降低用钢量。

9.简述门式刚架轻型房屋的构件和围护结构设置温度伸缩缝的条件和做法。

答：

门式刚架轻型房屋的构件和围护结构温度伸缩缝区段规定为：

纵向不大于 300m；横向不大于

150m。

超过规定则需设伸缩缝。

伸缩缝有两种做法：

（A）设置双柱；（B）在檩条相连的螺栓处采用长圆孔，并使该处屋面板在构造

上允许涨缩。

10.简述门式刚架轻型房屋的柱间支撑、屋盖横向支撑和系杆的布置原则。

答：

在房屋（或每个温度区段或分期建设区段）的端部第一或第二个开间，设置柱间支撑；柱间支撑

的间距一般取 30-45m，当房屋较长时，应在中部增设柱间支撑；当房屋宽度大于 60m 时，内列柱宜适

当设置柱间支撑；当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置。

1

在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑（沿刚架横梁上表面）。

在边柱柱顶、屋脊、及多跨刚架的中柱柱顶，应沿房屋全长设置刚性系杆；若端部支撑设在端部第二

开间，在第一开间的相应位置应设置刚性系杆。

第 2 章 门式刚架设计

1.简述门式刚架柱顶侧移的限值及不满足时的措施。

答：

门式刚架柱顶侧移的限值为不超过柱高度的 1/60。

不满足时，可采用下列措施之一：

（1）加大柱或梁截面；

（2）改铰接柱脚为刚接柱脚；

（3）把多跨刚架中的个别摇摆柱改为上端与梁刚接。

2.简述工字形截面梁、柱板件的宽厚比限值和利用屈曲后强度的意义。

答：

工字形截面（采用三块板焊成）受弯构件中腹板以受剪为主，翼缘以抗弯为主。

增大腹板的高

度，可使翼缘的抗弯能力发挥更为充分。

然而，在增大腹板高度的同时如果随它的厚度增大，则腹板

耗钢量过多，也不经济。

因而，充分利用板件屈曲后的强度是比较合理的。

（1）梁、柱板件的宽厚比限值（图 2-1）

图 2-1 梁、柱截面尺寸

受压翼缘板：

b1

t

≤ 15

235

f y

腹板：

hw

tw

≤ 250

235

f y

3.简述门式刚架斜梁腹板横向加劲肋的设置位置。

答：

梁腹板应在与中柱连接处、较大固定集中荷载处和梁翼缘转折处设置横向加劲肋；其他部位是否

设置中间加劲肋，由计算确定；但《规程》规定，当利用腹板屈曲后抗剪强度时，梁腹板横向加劲肋

的间距 a 宜取 hw - 2hw 。

4.简述门刚架斜梁截面设计要点。

答：

当斜梁坡度不超过 1：

5 时，因轴力很小可按压弯构件计算其强度和刚架平面外的稳定，不计算平

面内的稳定。

实腹式刚架斜梁的平面外计算长度，取侧向支撑点的间距。

当斜梁两翼缘侧向支撑点间的距离不等

时，应取最大受压翼缘侧向支撑点间的距离。

斜梁不需要计算整体稳定性的侧向支撑点间最大长度，

可取斜梁下翼缘宽度的16 235 / f y 倍。

5.简述隅撑的设置要点。

答：

腹式刚架斜梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘两侧布置隅撑（山墙处刚架仅布置在一侧）作为

斜梁的侧向支撑，隅撑的另一端连接在檩条上，见图 2-2。

图 2-2 隅撑的连接

2

构件名    截面

称

A

2

（mm ）

Ix

4      4

（×10 mm ）

Iy

4      4

（×10 mm ）

Wx

3      3

（×10 mm ）

i x

mm

i y

mm

刚架梁       2-2

6800

40375

1068

1311

243.1

39.6

刚架柱       1-1

0-0

6800

4880

40375

7733

1068

1067

1311

52.25

243.1

125.9

39.6

46.8

隅撑间距不应大于所撑梁受压翼缘宽度的16 235 / f y 倍。

6.门式刚架斜梁与柱的连接常用那些形式？

如何确定端板厚度？

答：

门式刚架斜梁与柱的刚接连接，一般采用高强度螺栓-端板连接。

具体构造有端板竖放、端板斜放

和端板平放三种形式。

端板的厚度 t 可根据支撑条件按公式计算，但不应小于 16mm，和梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等

厚度。

7.设计题——刚架柱设计

图 2-3 所示单跨门式刚架，柱为楔形柱，梁为等截面梁，截面尺寸及刚架几何尺寸如图所示，材料为

Q235B.F。

已知楔形柱大头截面的内力：

 M1=198.3KN.m，N1=64.5kN，V1=27.3kN；柱小头截面内力：

N0=85.8kN，V0=31.6kN。

试验算该刚架柱的整体稳定是否满足设计要求。

图 2-3 刚架几何尺寸及梁柱截面尺寸

（a）刚架几何尺寸；（b）梁、柱大头截面尺寸；（c）柱小头截面尺寸

[解]：

（1）计算截面几何特性：

刚架梁及楔形柱大头、小头截面的毛截面几何特性计算结果见表 1-3

刚架梁、柱毛截面几何特性                 表 1-3

（2）楔形柱腹板的有效宽度计算

①大头截面：

腹板边缘的最大应力

σ 1 =

198.3 ⨯106 ⨯ 300

4

+

64.5 ⨯103

6800

= 156.8N / mm2

σ 2 = -

6

40375 ⨯104

+

64.5 ⨯103

6800

= -137.9N / mm2

腹板边缘正应力比值

β =

σ 2

σ 1

=

- 137.9

156.8

= -0.879

腹板在正应力作用下的凸曲系数

kσ =

16

（1 + β ）2 + 0.112（1 - β ）2 + （1 + β ）

=

（1 - 0.879）

2

16

2

=21

3

与板件受弯、受压有关的系数

λρ =

28.1 kσ

hw / tw

235 /（γ Rσ 1 ）

=

600 / 6

28.1⨯ 21 ⨯ 235 /（1.087 ⨯156.8）

= 0.66 ≤0.8

大头截面腹板全部有效。

②小头截面：

腹板压应力

σ 0 =

N 0

A1

=

85800

4880

= 17.6N / mm2

β = 1,

kσ =

2

16

= 4.0

λρ =

280 / 6

28.1⨯ 4 ⨯ 235 /（1.087 ⨯17.6）

= 0.24 < 0. 8, ρ=1,故小头截面腹板全截面有效。

⑶楔形柱的计算长度

柱的线刚度

K1 =

I e1

h

=

40375 ⨯104

7368

= 54797

梁的线刚度

I

2ψs

40375 ⨯104

2 ⨯1⨯11829.6

= 17065

K2/K1=17065/54797=0.31

I c0

I c1

=

7733 ⨯104

40735 ⨯104

= 0.19

查表得柱的计算长度系数 μγ =1.22

柱平面内的计算长度 lox =

μγ h=1.22×7368=8986mm

柱平面外的计算长度根据柱间支撑的布置情况取其几何高度的一半 loy = 3684mm

⑷楔形柱的强度计算

柱腹板上不设加劲肋，kτ =5.34,偏于安全地按最大宽度计算

λw =

hw / tw

37 kτ 235 / f y

=

600 / 6

37 ⨯ 5.34

= 1.17

腹板屈曲后抗剪强度设计值

f v' = [1 - 0.64（λw - 0.8）] f v = [1 - 0.64 ⨯ （1.17 - 0.8）] ⨯125 = 95.4N / mm2

柱腹板抗剪承载力设计值

Vd = hwtw f v' = 600 ⨯ 6 ⨯ 95.4 ⨯10-3 = 343.4kN

V1=27.3kN < 0.5Vd

e

M N = M e1 - NWe1 / Ae1 = 1.311⨯106 ⨯ 215 ⨯10-6 - 64.5 ⨯

1.311⨯106

6800

⨯103

M=198.3kN.m  <  M e

=269.4kN.m

N

柱大头截面强度无问题，小头截面积虽小，但弯矩为零，强度也无问题。

⑸楔形柱平面内稳定计算

λx =

lox

ix

=

8986

125.9

= 71.4

4

查 GB 50017 规范附表得

ϕ xγ = 0.743

N Exo =

2

1.1λ2

=

π 2 ⨯ 2.06 ⨯105 ⨯ 4880

1.1⨯ 71.42

= 1769kN

等效弯矩系数

β mx = 1.0

N 0

ϕ xγ Ae0

+

β mx M 1

[1 - （N 0 / N Ex0 ）ϕ xγ

=

85.8 ⨯103

0.743 ⨯ 4880

+

⎛

⎝

85.8

1769

198.3 ⨯106

⎫

⎭

= 23.5 + 156.9 = 180.6N / mm2 < f=215N/mm2

⑹楔形柱平面外稳定计算

需 要 对 柱 上 、 下 段 分 别 计 算 。

 假 定 分 段 处 的 内 力 为 大 头 和 小 头 截 面 的 平 均 值 ， 即 M=99.15kN.m ，

N=75.15kN, 腹 板 高 度 也 是 大 小 头 的 平 均 值 440mm, 可 以 算 得 分 段 处 截 面 几 何 特 性 ：

A=5840mm2,Iy=1067⨯104mm4, iy = 42.7mm 和 Wx=891⨯103mm3。

下面计算上段的平面外稳定性，此段的小头在

分段处

λ y =

l0 y

iy0

=

3684

42.7

= 86.3

查 GB 50017 规范得ϕ y = 0.646

⎡ 2003 ⨯ 8

12

⎢

⎣

⎤

⎥

⎦

1/ 2

= 50.5mm

柱的楔率γ =d1/d 0-1=616/456-1=0.35,不大于 0.268h/d0 及 6.0

μ s = 1 + 0.023γ

lh0

Af

= 1 + 0.023 ⨯ 0.35 ⨯

3684 ⨯ 456

200 ⨯ 8

= 1.26

μ w = 1 + 0.00358γ l / iy0 = 1 + 0.00358 ⨯ 0.35 ⨯ 3684 / 50.5 = 1.01

λ y0 = μ s

l

iyo

= 1.26 ⨯

3684

50.5

= 91.9

梁整体稳定系数

ϕ bγ

=

4320 A0h0

λ2 0 Wx0

⎝ μ w ⎭ ⎝ 4.4h0

4

⎫

⎭

2

ç ⎪

⎝ y ⎭

=

4320

2

⨯

5840 ⨯ 456

891000

⨯ ç ⎪ + ç ⎪ = 2.44 > 0.6

⎝ 1.01 ⎭

4 2

ϕ bγ 修正后ϕ b = 1.07 -

0.282

2.44

= 0.95

等效弯矩系数

因上柱段两端弯曲应力相差不多，取βt=1.0

N 0

ϕ y Ae0

+

β t M 1

ϕ bWe1

=

75.15 ⨯103

0.646 ⨯ 5840

+

198.3 ⨯106

0.95 ⨯1.311⨯106

=19.9+159.2=179.1N/mm2< f=215N/mm2

下段柱也满足要求，这里从略。

第 3 章 压型钢板设计

1.简述压型刚板的组成材料及适应范围。

5

压型钢板按表面处理方法分类

适用情况

镀锌钢板

仅适用于组合楼板。

彩色镀锌钢板

目前工程中应用最多的屋面板和墙面板。

彩色镀铝锌钢板

澳大利亚、韩国厂商推出的屋面板和墙面

板，结合了锌的抗腐蚀性和铝的延展性。

答：

（1）压型钢板是以冷轧薄钢板（厚度一般为 0.4-1.6mm）板基，经镀锌或镀锌后覆涂彩色涂层，

再冷加工辊压成型的波型板材，具有承载和防大气腐蚀的能力。

（2）压型钢板按表面处理方法可分为三种：

2.压型钢板的常用的截面形式是什么？

板型如何表表示？

按波高如何分类？

答：

（1）压型钢板的常用的截面形式为波型。

（2）压型钢板板型表示方法为：

YX 波高-波距-有效覆盖宽度，板厚另外注明。

（3）压型钢板按波高可分为：

高波板——波高大于 70mm，适用于重载屋面板；

中波板——波高 30-70mm，适用于楼盖板及一般屋面板；

低波板——波高小于 30mm，适用于墙面板。

3.设计压型钢板要考虑的荷载一般有哪些？

答：

（1）永久荷载：

当屋面板为单层压型钢板构造时，永久荷载仅为压型钢板的自重；当为双层压型

钢板构造时（中间设置玻璃棉保温层），作用在板底（下层压型钢板）上的永久荷载除其自重外，还

需要考虑保温材料和龙骨的重量。

（2）可变荷载：

除需与刚架荷载计算类似，要考虑屋面活荷载或雪荷载、积灰荷载外，还需要考

虑施工检修集中荷载，一般取 1.0Kn，当施工检修集中荷载大于 1.0Kn，应按实际情况取用。

当按单槽

口截面受弯构件设计屋面板时，需要按下列方法将作用在一个波距上的集中荷载折算成板宽方向上的

线荷载（图 3-1）。

图 3-1 折算线荷载

qre = η

F

bpi

式中

bre —— 压型钢板的波距；

F —— 集中荷载；

qre —— 折算线荷载；

η —— 折算系数，由实验确定。

无实验依据时，可取η = 0.5 。

（3） 风荷载：

屋面板和墙板的风荷载体型系数，应按〈〈门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102：

2002〉〉采用。

4.压型钢板的挠度与跨度之比的限值为多少？

答：

压型钢板的挠度与跨度之比，按 GB 50018 规范不应超过下列限值：

（a）屋面板

屋面坡度<

1

20

时

1

250

6

屋面坡度≥

1

20

时

1

200

（b）墙板

1

150

《规程》则对屋面板和墙板分别规定为 1/150 和 1/100。

5.压型钢板长度方向的搭接的构造要求有哪些？

答：

压型钢板长度方向的搭接端必须与支撑构件（如檩条、墙梁等）有可靠的连接，搭接部位应设置

防水密封胶带，搭接长度不宜小于下列限值：

波高大于或等于 70mm 的屋面板：

350mm

波高小于 70mm 的屋面板

当屋面坡度 ≤ 1 10 时：

250mm

当屋面坡度 > 1 10 时：

200mm

墙面板120mm

6.屋面压型钢板侧向连接的构造要求有哪些？

答：

屋面压型钢板侧向可采用搭接式、扣合式、咬合式等不同连接方式。

当采用搭接式时，一般搭接一波，特殊要求时可搭接两波。

搭接处用连接件紧固，连接件应设置在波

峰上，连接件宜采用带有防水密封胶垫的自攻螺栓。

对于高波压型钢板，连接件间距一般为 700-

800mm；对于低波压型钢板，连接件间距一般为 300-400mm。

当采用扣合式或咬合式时，应在檩条设置与压型钢板波型相配套的专用固定支座，固定支座与檩条采

用自攻螺栓或射钉连接，压型钢板搁置在固定支座上。

两片压型钢板的的侧边应确保扣合或咬合连接

可靠。

7.墙面压型刚板之间的侧向连接构造要求有哪些？

答：

墙面压型刚板之间的侧向连接宜采用搭接连接，通常搭接一个波峰，板和板的连接可设在波峰，

亦可设在波谷。

连接件应采用带有防水密封胶垫的自攻螺栓或射钉。

自攻螺钉直径 d 为 3.0 - 8.0 mm，

板上孔径 d0 = 0.7d + 2tt 且 d0 ≤ 0.9d ， tt 为被连接板总厚度（mm）。

第 4 章 檩条设计

1.檩条的常用截面形式有哪些?

通常如何选型。

答：

分为实腹式和格构式两种。

当檩条跨度（柱距）不超过 9m 时，应优先选用实腹式檩条。

当屋面荷

载较大或檩条跨度大于 9m 时，宜选用格构式檩条。

格构式檩条的构造和支座相对复杂，侧向刚度较

低，但用钢量较少。

（1）实腹式檩条截面（图 4-1）

图 4-1 实腹式檩条的截面形式

图 4-1（a）为热轧槽钢截面：

因板件较厚，用钢量较大，目前已不在工程中采用。

图 4-1（b）为高频焊接 H 型钢截面，具有腹板薄、抗弯刚度好、梁主轴方向的惯性矩比较接近等特

点，适应于檩条跨度较大的场合，但与刚架斜梁的连接较复杂。

高频焊接 H 型钢截面规格为

h⨯b⨯tw⨯tf 。

图 4-1（c）、（d）、（e）冷弯薄壁型钢截面：

在工程中应用普遍。

卷边槽钢（C 形钢）檩条适用于

屋面坡度 i ≤ 1 3 的情况；直卷边 Z 形和斜卷边 Z 形檩条适用于屋面坡度 i > 1 3 的情况；斜卷边 Z 形檩

条存放时还可叠层堆放，占地少。

冷弯薄壁型钢截面规格为 h⨯b⨯a⨯t （图 4.1-2）。

7

图 4-2 冷弯薄壁型钢截面参数

实腹式檩条的截面高度 h，一般取跨度的 1/35—1/50，截面宽度 b，由根据截面高度 h 所选的型钢规格

确定。

2.简述檩条的拉条和撑杆的布置原则。

答：

（1）拉条：

檩条跨度大于 4m 时，应在檩条跨中位置布置拉条；当檩条跨度大于 6m 时，应在檩条

跨度三分点处各布置一道拉条。

拉条通常用圆钢做成，直径不宜小于 10mm。

（图 4-3）

（2）撑杆和斜拉条：

由 qx 的方向来确定设在屋檐处还是屋脊处。

当檩条用卷边槽钢， qx 指向下

方时，设在屋脊处；当檩条用为 Z 型， qx 指向上方时，设在屋檐处。

风荷载大的地区或是在屋檐处和

屋脊处都设置撑杆和斜拉条，或是把横拉条和斜拉条都做成刚性杆。

撑杆的长细比按压杆要求，可采

用钢管、方管或角钢做成。

也可采用钢管内设拉条的做法。

（图 4-3）

图 4-3 檩条的拉条和撑杆布置

3.用图表示檩条与拉条和撑杆的连接。

答：

檩条与拉条和撑杆的连接如图 4-4。

图 4-4 檩条与拉条和撑杆的连接

4.简述实腹式檩条与刚架的连接。

答：

实腹式檩条可通过角钢檩托与刚架斜梁连接（图 4-5a），以阻止檩条在端部截面的扭转。

檩条与

檩托的连接螺栓应不少于 2 个，并沿檩条高度方向布置。

当檩条高度小于 120mm，排列 2 个螺栓有困难

时也可改为沿檩条长度方向布置。

螺栓直径根据檩条截面大小，取 M12-M16。

当屋面坡度与屋面荷载较小时，也可用钢板直接焊于刚架斜梁上作为檩托（图 4-5b）。

8

封闭式建筑，屋面材料为压型钢板，屋面坡度 1/10（），檩条跨度 6m。

于处设一道拉71.5=α2/l

图 4.5-3 檩条与刚架的连接

5.设计题—— 简支卷边槽形冷弯薄壁型钢檩条设计。

1.设计资料

0

条；水平檩条 1.50m。

钢材 Q235。

2.荷载标准值（对水平投影）

⑴ 永久荷载

压型钢板（二层含保温）0.30

檩条（包括拉条）0.05

0.35kN/m2

⑵ 可 变 荷 载 标 准 值 ：

 屋 面 均 布 活 载 0.30kN/m2 ， 雪 荷 载 0.35kN/m2 ， 计 算 时 取 两 者 的 较 大 值

0.35kN/m2。

基本风压 w0=0.55kN/m2。

风荷载高度变化系数取 μ z = 1.0 ，风荷载体型系数取边缘带

μ s = -1.4 （吸力）。

3.内力计算

⑴永久荷载与屋面活载组合

檩条线荷载：

pk = （0.35 + 0.35） ⨯1.5 = 1.05kN / m

p = （1.2 ⨯ 0.35 + 1.4 ⨯ 0.35） ⨯1.5 = 1.365kN / m

px = p sin 5.710 = 0.136kN / m

p y = p cos 5.710 = 1.358kN / m

弯矩设计值：

M x = p yl 2 / 8 = 1.358 ⨯ 62 / 8 = 6.11kN ⋅ m

M y = pxl 2 / 32 = 0.136 ⨯ 62 / 32 = 0.15kN ⋅ m

⑵ 永久荷载与风荷载吸力组合

风荷载高度变化系数取 μ z = 1.0 ，风荷载体型系数取边缘带 μ s = -1.4 （吸力）。

垂直屋面的风荷载标准值：

wk = μ s μ z w0 = -1.4 ⨯1.0 ⨯ 0.55 = -0.77kN / m2

檩条线荷载

px = 0.35 ⨯1.5 ⨯ sin 5.710 = 0.052kN / m

p y = 1.4 ⨯ 0.77