钢结构课程设计厂房计算书.docx
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钢结构课程设计厂房计算书
钢结构课程设计计算书
姓名：
***
班级：
建工 1221
学号：
**********
1.设计资料
（一） 设计参数：
单层厂房采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度 18m，共 12 榀刚架，柱距 7m，
柱高 9.8m，屋面坡度 1/10，柱底铰接。
取中间跨刚架（GJ-1）进行计算，刚架
采用焊接工字形截面，屋面及墙面为压型钢板复合板；不考虑檩条和墙梁。
钢
材采用 Q235 钢，焊条 E43 型。
地震设防烈度为 7 度，无悬挂荷载。
刚架形式及
几何尺寸如下图 1.2 所示。
（二）设计荷载：
（1） 永久荷载标准值（按水平投影面）：
屋面恒载 0.5 kN m2 （包括屋面板
及檩条重）
（2） 可变荷载标准值：
屋面活荷载 0.3 kN m2
（3）雪荷载：
基本雪压 S0 为 0.3 kN m2
（4）风荷载：
基本风压值 0.4 kN m2 ；地面粗糙程度系数按 B 类取值；
要求：
1、确定梁柱截面形式及尺寸。
2、梁柱线刚度计算及梁柱计算长度确定。
3、荷载计算。
4、内力、柱顶水平位移计横梁挠度。
5、连接节点设计。
图 1.2 刚架形式及几何尺寸
2.荷载计算
2.1 荷载取值计算：
（1）屋盖永久荷载标准值（对水平投影面）
（包括屋面板及檩条重） 0.5 kN m2
（2）屋面可变荷载标准值
屋面活荷载：
0.30 kN m 2
雪荷载：
基本雪压 S0 =0.3 kN m2 .对于单跨双坡屋面，
屋面坡角α = 5o42'38'' ， μz =1.0，
雪荷载标准值 ：
Sk = μz S0 =1.0×0.3 kN m2 =0.3..
取屋面活荷载和雪荷载中的较大值 0.3 kN m2 ，不考虑积灰荷载。
（3）风荷载标准值
基本风压：
ω0 = 0.4 kN m 2 ；根据地面粗糙度列别为 B 类，查得风荷载高度变
化系数：
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。
2.2 各部分作用的荷载标准值计算：
（1）屋面
恒荷载标准值：
0.5×7=3.5 kN m
活荷载标准值：
0.3×7=2.1 kN m
（2）柱荷载
恒荷载标准值：
（7×9.8＋3.5×7.5） kN =94.85 kN
活荷载标准值：
2.1×7.5 kN =15.8 kN
（3）风荷载标准值
迎风面：
柱上 qW1 = 0.4 ⨯ 7 ⨯ 0.25 = 0.7kN / m
横梁上 qW 2 = -0.4 ⨯ 7 ⨯1.0 = -2.8kN / m
背风面：
柱上 qW 3 = -0.4 ⨯ 7 ⨯ 0.55 = -1.54kN / m
横梁上 qW 4 = -0.4 ⨯ 7 ⨯ 0.65 = -1.82kN / m
3.内力分析
3.1 在恒荷载作用下：
本单层厂房采用等截面梁和柱。
柱脚按铰接支承设计。
采用弹性分析方法
确定刚架柱内力。
并采用结构力学求解器求解结构内力。
图 3.1 恒荷载作用下的计算模型
图 3.2 恒荷载作用下的 M 图
图 3.3 恒荷载作用下的 N 图
图 3.4 恒荷载作用下的 V 图
3.2 在活荷载作用下：
图 3.5 活荷载作用下的计算模型
图 3.6 活荷载作用下的 M 图
图 3.7 活荷载作用下的 N 图
图 3.8 活荷载作用下的 V 图
3.3 在风荷载作用下：
图 3.9 左风向荷载作用下的计算模型
图 3.10 左风向风荷载作用下的 M 图
图 3.11 左风向风荷载作用下的 N 图
图 3.12 左风向风荷载作用下的 V 图
3.4 荷载组合：
门式刚架轻型厂房钢结构的承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状
态设计，根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）的规定，对
于一般框架、排架结构，可以采用简化组合，按照下列组合值中取最不利值确
定：
①1.2×恒载＋1.4×活载
②1.0×恒载＋1.4×风载
③1.2×恒载＋1.4×活载＋0.6×1.4×风载
④1.2×恒载＋1.4×风载＋0.7×1.4×活载
⑤1.35×恒载＋所有可变荷载组合值产生的效应
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—2001）的规定，采用荷载效应的基本组合：
γ oS ≤ R 。
γ o = 1.0 。
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
Mmax 及相应的 N、V
①
1.2×恒＋1.4×活
85.55
45.9
12.98
柱
底
Mmax 及相应的 N、V
①
1.2×恒＋1.4×活
0
—69.66
—12.98
刚
架
梁
支
座
Mmax 及相应的 N、V
①
1.2×恒＋1.4×活
—85.55
—17.47
44.38
跨
中
Mmax 及相应的 N、V
①
1.2×恒＋1.4×活
76.84
—12.98
0.568
现选取荷载组合中对构件危害最大的组合刚架内力组合①1.2×恒载＋1.4×活载
对构件内力值进行验算，（左半跨）见表 4.1。
表 4.1内力组合表
5.刚架设计
5.1 截面设计：
初选梁柱截面均用焊接工字钢 450 ⨯ 200 ⨯ 8 ⨯12 ，截面特性：
B = 200mm ， H = 450mm ， t w = 8.0mm ， t f = 12mm ， A = 82.1cm 2 ，
I x = 28181cm 4 ， Wx = 1252cm3 ， i x = 18.53cm ， I y = 1602cm 4 ， Wy = 160.2cm3
， i y = 4.42cm 。
5.2 构件验算：
（1）构件宽厚比验算
翼缘部分：
b / tf =96/12=8<15 235 f y = 15
腹板部分：
h0 / tw =426/8=53.25< 250 235 fy = 250
（2）刚架梁的验算
①.抗剪验算
梁截面最大剪力为Vmax =44.38kN，考虑仅有支座加劲肋，
λs =
h0 tw
37 5.34
= 0.623 < 0.8 ，Vu
= hwt wfv = 426 ⨯ 8 ⨯ 125N = 426kN > Vmax = 44.38kN ，满足要求。
②.强度验算
取梁端截面进行验算，N=17.47kN，V=44.38kN，M=85.55 kN ⋅ m 。
因 V<0.5Vu按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：
2002）
验算。
max
17.47 ⨯ 103
8210
±
85.55 ⨯ 106 ⨯ 213
4
= 2.12 ± 64.67 =
66.79
- 62.53
N / mm 2
β =
σ min
σ max
=
- 62.53
66.79
= -0.94 > -1
K σ =
2
16
2
= 22.47
λp =
hw tw
28.1 K σ 235 fy
=
426 8
28.1 ⨯ 22.47
= 0.400 < 0.8 ， ρ = 1.0 ，即腹板
全截面有效。
M eN = M e - N
We
A
= Wef - N
We
A
= 1252 ⨯ 103 ⨯ 215 -
17.47 ⨯ 103
8210
） = 266.52kN ⋅ m > M
满足要求。
③.整体稳定性验算
构件的最大内力：
N=17.47kN，M=85.55 kN ⋅ m
a. 梁平面内的整体稳定性验算：
计算长度取横梁长度 lox =15090mm， λx = lox / ix =81.44<[ λ ]=150，b 类截面，查
附录得ϕx = 0.570。
NExo=
'
π 2EAe0
1.1λ2
=
π 2 ⨯ 206 ⨯ 103 ⨯ 8210
1.1 ⨯ 81.442
= 2287.9kN ， βmx = 1.0
N
ϕx Ae0
+
⎛
⎝
β mx M x
N ⎫
N Ex 0 ⎪
=
17470
0.570 ⨯ 8210
+
1.0 ⨯ 85.55 ⨯ 106
⎛
⎝
17.47 ⎫
2287.9 ⎪
= 72.36N / mm 2 < 215N / mm 2 ，满足要求。
b. 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，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 l0 y = 3015mm 。
对于等截面
构件 γ = 0，μs = μw = 1，λy = l0 y iy = 3015 44.2 = 68.2 ，b 类截面，查表得
ϕ y = 0.762 。
ϕby
=
4320 A0h0
λ20 Wx0
⎝ μw ⎭ ⎝ 4.4h0
4
⎫ 235
⎭ f y
=
4320
2
⨯
8210 ⨯ 426
3
⎪
2
= 2.83 > 0.6
'
取ϕ y = 1.07 -
0.282
ϕby
= 0.970
， βt = 1.0
0.97 ⨯ 1252 ⨯ 10
N
ϕy Ae0
+
βt M
Welϕby
=
17.47 ⨯ 103
0.762 ⨯ 8210
+
1.0 ⨯ 85.55 ⨯ 106
3
= 188.2N / mm 2 < 215N / mm 2
，满足要求。
④.按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）校核该梁腹板容许高厚比。
粱端截面：
max
17.47 ⨯ 103
8210
±
85.55 ⨯ 106 ⨯ 213
4
= 2.12 ± 64.67 =
66.79
- 62.53
N / mm 2
σ 0 =
σ max - σ min
σ max
= 1.94
故
h0
tw
= 53.25 < （48α 0 + 0.5λ - 26.2）
235
f y
= 115.3 ，满足要求。
梁跨中截面：
max
31.82 ⨯103
8210
±
140 .57 ⨯106 ⨯ 213
4
= 3.88 ± 106.25 =
110.13
- 102.37
N mm 2
σ 0 =
σ max - σ min
σ max
h
tw
235
f y
= 115.3 ，满
足要求。
（3）刚架柱的验算
①.抗剪验算
柱截面的最大剪力是Vmax =12.98kN，考虑仅有支座加劲，
λs =
h0 tw
37 5.34
= 0.562 < 0.8 ，
Vu = hwtw fv = 426 ⨯ 8 ⨯ 125 = 426kN > V max = 12.98kN ，满足要求。
②.强度验算
取柱端截面进行验算 N=45.9kN，V=12.98kN，M=85.55 kN ⋅ m 。
因 V<0.5Vu
验算。
按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：
2002）
max
69.66 ⨯ 103
8210
±
85.55 ⨯ 106 ⨯ 213
4
= 8.48 ± 64.44 =
73.14
- 56.18
N / mm 2
β =
σ min
σ max
=
- 56.18
73.14
= -0.77 > -1 ，
K σ =
2
16
2
= 18.49
λp =
hw tw
28.1 K σ 235 fy
=
426 8
28.1 ⨯ 18.49
= 0.441 < 0.8 ， ρ = 1.0 ，即腹
板全截面有效。
M eN = M e - N
We
A
= Wef - N
We
A
= 1252 ⨯ 103 ⨯ 215 -
69.66 ⨯ 103
8210
） = 258.56kN ⋅ m > M
，满足要求。
③.整体稳定验算
构件的最大内力：
N=69.66kN，M=85.55 kN ⋅ m
a.刚架柱平面内的整体稳定性验算
刚架柱高 H=6600mm，梁长 L=15090mm，柱的线刚度与横梁线刚度之比
为
k柱
k 梁
=
I 柱 H
I 梁 L
=
15090
6600
= 2.29 查表得柱的计算长度系数 μ = 2.10 。
刚架柱的计算长度：
lox = αμh = 0.85 ⨯ 2.10 ⨯ 6600 = 11781mm
[
λx = lox ix = 11781 185.3 = 63.58 < λ ] = 150 ，b 类截面，查附表得
ϕx = 0.788 。
'
N Exo =
π 2EAe0
1.1λ2
=
π 2 ⨯ 206 ⨯ 103 ⨯ 8210
1.1 ⨯ 63.582
= 3753.8.1kN ， βmx = 1.0
N
ϕx Ae0
+
⎛
⎝
β mx M x
N ⎫
N Ex 0 ⎭
=
69.66 ⨯ 103
0.788 ⨯ 8210
+
1.0 ⨯ 85.55 ⨯ 106
⎛
⎝
69.66 ⎫
5198.1 ⎪
= 79.83N / mm 2 < 215N / mm 2 ，满足要求。
b.刚架柱作用平面外的整体稳定性验算
柱平面外的整体稳定验算：
考虑压型墙板与墙梁紧密连接，有蒙皮作用，
墙梁可作为横梁平面外的支承点，为安全起见，计算长度取两个墙梁或隅撑间
距考虑，即 l0 y = 3015mm 。
对于等截面构件
γ = 0，μs = μw = 1，λy = l0 y iy = 3015 44.2 = 68.2 ，b 类截面，查表得
ϕ y = 0.762 。
ϕby
=
4320 A0h0
λ20 Wx0
⎝ μw ⎭ ⎝ 4.4h0
4
⎫ 235
⎭ f y
=
4320
2
⨯
8210 ⨯ 426
3
⎪
2
= 2.83 > 0.6
'
取ϕ y = 1.07 -
0.282
ϕby
= 0.970 ， βt = 1.0
N
ϕy Ae0
+
βt M
Welϕby
=
69.66 ⨯ 103
0.762 ⨯ 8210
+
1.0 ⨯ 85.55 ⨯ 106
0.97 ⨯ 1252 ⨯ 103
= 81.58N / mm 2 < 215N / mm 2
④.按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）校核该柱腹板容许高厚比。
柱顶截面：
28181 ⨯ 10
σ
max
min
=
69.66 ⨯ 103
8210
±
85. 55 ⨯ 106 ⨯ 213
4
= 8.48 ± 64.44 =
73.14
- 56.18
N / mm 2
σ 0 =
σ max - σ min
σ max
= 1.77
故
h0
tw
= 53.25 < （48α 0 + 0.5λ - 26.2）
235
f y
= 107.39 ，满足要求。
柱底截面：
σ 0 = 0 ，
h0
tw
= 53.25 < （48α 0 + 0.5λ - 26.2）
235
f y
= 69.31，满足要求。
（4）验算刚架在风荷载作用下的 μ 侧移
I c = I b = 28181cm 4 ξt = Icl I b h = 15000 6600 = 2.27 ，
0
W = （ .6 + 1.32）⨯ 6.6 = 12.67kN
刚架柱顶等效水平力：
H = 0.67W = 0.67 ⨯ 12.67 = 8.49kN
Hh 38.49 ⨯ 103 ⨯ 66003
12EIc12 ⨯ 206 ⨯ 103 ⨯ 28181 ⨯ 104
= 13.7mm < [μ ] = h 60 = 110mm
（5）横梁挠度验算
2
（ + 2.27）
满足要求
υy =
5
384
⨯
1.23 ⨯ cos 5042'38" ⨯ 60004
3 4
= 26.7mm < υ ] =
l
180
= 80mm
，满足要求
5.3 节点验算：
（1）梁柱连接节点
①.螺栓强度验算
梁柱节点拟采用 10.9 级 M22 高强摩擦型螺栓连接，构件截面采用喷砂，
摩擦面抗滑移系数 μ =0.45，每个高强螺栓的预拉力是 190kN，连接处传递内力
设计值：
N=39.52kN，V=78.86kN，M=179.10 kN ⋅ m 。
（a）（b）
图 5.1 刚架柱与刚架梁的连接节点
螺栓抗拉承载力验算：
Ntb = 0.8P = 0.8 ⨯190 = 152kN
N t =
My1
2
-
N
n
=
179.1⨯ 0.265
2
2
-
39 .52
8
= 118.88kN < 152kN
足。
螺栓抗剪承载力验算：
b
N v = 0.9n f μP = 0.9 ⨯1.0 ⨯ 0.45 ⨯190 = 76.95kN > N v =
最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算：
78.86
8
= 9.86kN ，满
N v
b
+
Nt
b
=
9.86
76.95
+
118. 88
152
= 0.91 < 1.0 ，满足要求。
②.端板厚度验算
端板厚度取 t=20mm，按二边支撑类端板计算:
t ≥
6e f ew Nt
[ wb + 2e f （ f + ew ]f
=
6 ⨯ 40 ⨯ 46 ⨯118.88 ⨯103
[46 ⨯ 200 + 2 ⨯ 40 ⨯ （40 + 46）]⨯ 215
= 19.95mm
③.梁柱节点域的剪应力验算
τ =
M
dt dctc
=
179.1⨯106
426 ⨯ 426 ⨯ 8
= 98.69N/mm2 < 125N/mm2 ，满足要求。
④.螺栓处腹板强度验算
Nt2 =
My1
2
-
N
n
=
179.1⨯ 0.16
2
2
-
39.52
8
= 69.8kN < 0.4P = 76kN
0.4P
ewtw
=
0.4 ⨯190 ⨯103
46 ⨯ 8
= 206.52N/mm2 < 215N/mm2 ，满足要求。
（2）横梁跨中节点
①.螺栓强度验算
横梁跨中节点采用 10.9 级 M20 高强摩擦型螺栓连接，构件接触面采用喷
砂，摩擦面抗滑移系数 μ =0.45，每个高强螺栓的预拉力是 155kN，连接处传递
内力设计值：
N=31.82kN，V=3.18kN，M=140.57 kN ⋅ m 。
螺栓抗拉承载力验算：
Ntb = 0.8P = 0.8 ⨯155 = 124kN
N t =
My1
2
-
N
n
=
140.57 ⨯ 0.265
2
2
-
31 .82
8
= 93.21kN < 124kN
螺栓抗剪承载力验算：
b
N v = 0.9nf μP = 0.9 ⨯ 1.0 ⨯ 0.45 ⨯ 155 = 62.78kN > N v =
，满足
最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算
3.18
8
= 0.4kN
N v
b
+
Nt
b
=
0.4
62.78
+
93 .21
124
= 0.76 < 1.0 ，满足要求。
②.端板厚度验算
端板厚度取 t=18mm，按二边支撑类端板计算
t =
6e f ew Nt
[ wb + 2e f （ f + ew ]f
=
6 ⨯ 40 ⨯ 46 ⨯ 93.21⨯103
[46 ⨯ 200 + 2 ⨯ 40 ⨯ （40 + 46）]⨯ 215
= 17.67mm
③.螺栓处腹板强度验算
Nt2 =
My1
2
-
N
n
=
140.57 ⨯ 0.16
2
2
-
31.82
8
= 54.7kN < 0.4P = 62kN
0 .4P
ewtw
=
0.4 ⨯155 ⨯103
46 ⨯ 8
= 168.48N/mm2 < 215N/mm2 ，满足要求。
（a）（b）
图 5.2 刚架梁跨中节点
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