钢结构课程设计

姓名：李帅班级姓名：李帅班级：结23学号：2012010180指导：施刚老师石永久老师尹昊助教2014-2015学年春季学期目录第一章、设计概况 81.1 设计要求 81.2 设计条件 81.1.1 设计原则 81.1.2 场地条件 81.1.3 荷载条件 81.1.4 材料规格 91.1.5 施工与安装条件 91.3 房屋平面简图 91.4 荷载计算 91.4.1 屋面恒载 91.4.2 墙面恒载 101.4.3 屋面活载 101.4.4 雪荷载 101.4.5 风荷载 111.4.6 各类荷载整理 131.5 变形规范要求 141.5.1 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》 141.5.2 《钢结构设计规范》 151.5.3 变形限值总结 16第二章、刚架计算（门规） 172.1 构件截面初估 173.1.1 刚架斜梁 173.1.2 刚架柱 173.1.3 变截面梁 183.1.4 截面尺寸调整 182.2 截面尺寸 183.2.1 变截面位置布置 193.2.2 截面调整尺寸 193.2.3 梁截面示意图 193.2.4 柱截面示意图 202.3 结构计算简图 202.4 荷载计算 202.3.1 荷载大小 202.3.2 荷载组合相关说明 222.3.3 荷载组合情况 222.5 内力分布 232.5.1 工况1：1.2×恒+1.4×活 232.5.2 工况2：1.2×恒+1.4×风 232.5.3 工况3：1.0×恒+1.4×风 242.5.4 工况4：1.2×恒+1.4×活+1.4×0.6×风 242.5.5 工况5：1.35恒+1.4×0.7活 252.5.6 工况6：1.35恒+1.4×0.6风 252.5.7 工况7：1.35恒+1.4（0.7×活+0.6×风） 262.6 变形验算 282.6.1 位移形状 282.6.2 挠度计算 292.6.3 挠度校验 292.7 构件验算 292.7.1 钢柱截面校核 292.7.2 变截面斜梁截面校核 392.8 梁柱连接节点设计 572.8.1 梁柱边节点 572.8.2 梁柱中节点 602.9 梁拼接节点设计 642.9.1 梁拼接概述 642.9.2 拼接节点1设计 662.9.3 拼接节点2设计 682.9.4 拼接节点3设计 702.10 柱脚设计 722.10.1 基本设计参数 722.10.2 锚栓强度验算 73第三章刚架计算（《钢规》） 743.1 构件截面初估 743.1.1 刚架斜梁 743.1.2 刚架柱 743.1.3 变截面梁 753.1.4 截面尺寸调整 753.2 截面尺寸 763.2.1 变截面位置布置 763.2.2 截面调整尺寸 763.2.3 梁截面示意图 763.2.4 柱截面示意图 773.3 结构计算简图 773.4 荷载计算 773.4.1 荷载大小 773.4.2 荷载组合相关说明 793.4.3 荷载组合情况 793.5 内力分布 803.5.1 工况1：1.2×恒+1.4×活 803.5.2 工况2：1.2×恒+1.4×风 803.5.3 工况3：1.0×恒+1.4×风 813.5.4 工况4：1.2×恒+1.4×活+1.4×0.6×风 813.5.5 工况5：1.35恒+1.4×0.7活 823.5.6 工况6：1.35恒+1.4×0.6风 823.5.7 工况7：1.35恒+1.4（0.7×活+0.6×风） 833.6 变形验算 853.6.1 位移形状 853.6.2 挠度计算 863.6.3 挠度校验 863.7 构件验算 873.7.1 钢柱截面校核 873.7.2 变截面斜梁截面校核 933.8 梁柱连接节点设计 1013.8.1 边柱节点 1013.8.2 中柱节点 1033.9 梁拼接节点设计 1053.9.1 节点1 1063.9.2 节点2 1073.9.3 节点3 1093.10 柱脚设计 1113.10.1 基本设计参数 1113.10.2 锚栓强度验算 112第四章檩条设计 1134.1 檩条布置 1134.2 荷载计算 1134.3 内力计算 1144.3.1 恒载+雪荷载 1144.3.2 荷载组合的比较 1144.3.3 内力计算 1144.4 檩条验算 1154.4.1 檩条截面特性 1154.4.2 有效截面计算 1164.4.3 强度校核 1184.4.4 整体稳定验算 1184.4.5 挠度验算 1194.4.6 构造要求 1194.5 拉条设计 119第五章墙梁设计 1215.1 墙粱布置 1215.1.1 墙梁布置概述 1215.1.2 墙梁截面属性 1215.2 荷载计算 1215.2.1 墙面恒载 1215.2.2 风荷载 1225.2.3 荷载组合 1225.3 内力计算 1225.3.1 墙面恒载 1225.3.2 风荷载 1235.4 墙梁验算 1235.4.1 有效截面计算 1245.5 拉条设计 129第六章支撑设计 1306.1 屋面支撑设计 1306.1.1 屋面支撑布置 1306.1.2 荷载计算 1316.1.3 内力计算 1326.1.4 构件验算 1326.2 柱间支撑设计 1336.2.1 柱间支撑布置 1336.2.2 荷载计算 1346.2.3 内力计算 1346.2.4 构件验算 135第七章抗风柱设计 1367.1 抗风柱布置 1367.2 荷载计算 1367.3 内力计算 1377.4 构件验算 1377.4.1 局部稳定验算 1377.4.2 强度验算 1387.4.3 整体稳定验算 1387.4.4 挠度验算 1397.5 抗风柱顶节点设计 1397.6 抗风柱柱脚设计 1397.6.1 基本设计参数 1407.6.2 混凝土抗压验算 1407.6.3 锚栓设计 1407.6.4 立柱—底板焊缝 1407.6.5 柱脚底板厚度设计 1407.6.6 柱脚水平抗剪计算 141第八章隅撑设计 1428.1 隅撑布置 1428.2 隅撑验算 142第九章两种方案对比分析 1449.1 经济指标计算 1449.1.1 主刚架用钢量计算 1449.1.2 抗风柱用钢量计算 1479.1.3 支撑用钢量计算 1479.1.4 墙梁，檩条，隅撑用钢量计算 1489.1.5 用钢量比较 1489.2 方案对比分析 149第十章基础设计 15010.1 基础设计条件 15010.2 基础埋深确定 15010.2.1 冻结深度计算 15010.2.2 基础埋深 15110.3 地基承载力计算 15110.4 基础验算 15110.4.1 中心荷载作用下的基础验算 15210.4.2 单独基础冲切破坏验算 15210.4.3 单独基础弯曲破坏验算 15310.5 基础配筋计算 153第十一章动力性能 15511.1 《钢规》刚架动力性能计算 15511.2 《门规》刚架动力性能计算 15711.3 动力性能结果比较 158第十二章抗震计算 15912.1 《钢规》刚架抗震计算 15912.1.1 抗震设计参数 15912.1.2 水平地震作用 15912.1.3 竖直地震作用 16112.1.4 抗震荷载组合 16212.1.5 抗震内力计算 16212.1.6 抗震变形计算 16412.2 《门规》刚架抗震计算 16412.2.1 抗震设计参数 16412.2.2 水平地震作用 16512.2.3 竖直地震作用 16712.2.4 抗震荷载组合 16712.2.5 抗震内力计算 16812.2.6 抗震变形计算 16912.3 总结 170致谢 171第一章、设计概况设计要求某商业集团在北京兴建单层购物超市，建筑总面积约5000~6000平方米，柱网间距7m~9m，建筑平立剖面如附图所示，要求采用两跨四坡门式刚架结构，压型钢板保温屋面，外墙标高1.2m以下为370空心砖墙，双面抹灰，外贴瓷砖，标高1.2m以上为压型钢板保温墙体，檐口标高7.2m，外天沟排水，屋面坡度5%。要求设计单位应完成可满足构件加工和现场施工要求的结构详细设计。为寻求最经济合理的设计方案，设计单位需考虑多种规范的设计方法，根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）和《钢结构设计规范》（GB50017-2003）分别设计两套方案，以进行比较。设计条件设计原则建筑物类型为一般房屋，建筑结构的安全等级取二级，设计使用年限为50年。场地条件建筑物场地地势平坦，地表高程39.18～39.52m，地下水位标高33.9m，无腐蚀性，标准冻融深度为1.0～1.2m。经地质勘测，地层剖面为：表层0.8～1.2m耕杂土；以下有2.5m深的亚粘土；再往下为细砂层。亚粘土层可做持力层，地基承载力标准值为180kN/m2。地基土容重24kN/m3。建筑场地类别为III类，基本地震烈度8度，设计地震分组为第一组。荷载条件可变荷载屋面活载0.45kN/m2基本雪压0.50kN/m2恒载基本风压0.50kN/m2屋面恒载0.45kN/m2墙面恒载0.50kN/m2材料规格钢材：型钢，钢板，冷弯薄壁型钢均为Q235或Q345；螺栓：高强度螺栓和普通螺栓；焊条：手工焊、自动埋弧焊和CO2气保焊；空心砖≥MU10，砂浆≥M2.5，基础混凝土≥C20，垫层混凝土≥C15；钢筋：HRB500、HRB400、HRB335、HPB300。施工与安装条件各种材料保证供应，品种齐全；施工技术力量雄厚，有足够的运输、吊装设备；构件加工和预制设施配套，保证工期。房屋平面简图荷载计算屋面恒载由于檩条间距很小，可以将屋面恒载视为均布荷载作用在刚架斜梁上。于是可以计算得到斜梁上的均布荷载为：墙面恒载简化为刚架柱的线荷载，由于设计任务中给定墙面1.2米标高以下为370空心砖墙，易见此处的墙自重直接传递至基础，不通过钢结构主体。所以输入荷载时不考虑这一位置的恒荷载：屋面活载斜梁上的均布活载为：雪荷载屋面水平投影面上的雪荷载标准值应按下式计算:为基本雪压，为屋面积雪分布系数，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）表7.2.1所示的内容，双跨双坡或拱形层面，当不大于25°或I/t不大于0.1时，只采用均匀分布情况。双跨双坡或拱形层面，当不大于25°或不大于0.1时，只采用均匀分布情况。取值为1.0。因此，雪荷载标准值斜梁上的均布雪荷载标准值为：由于雪荷载大于屋面活荷载，使用雪荷载计算。风荷载（1）《建筑结构荷载规范》算法根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第8.1.1条规定，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下列规定确定： 式中：一一风荷载标准值（）；——高度z处的风振系数；一一风荷载体型系数；一一风压高度变化系数；——基本风压（）。的计算：《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第8.4.1条规定：对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋，以及基本自振周期大于的各种高耸结构，应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响。由于结构仅为一层钢结构，对应的建筑总高度为7.95米，建筑自振频率不会与风发生共振，故不需要考虑顺风向风振，此处风振系数直接取为1.0。的计算：《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第8.2.1条规定：地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。考虑到任务书中并没有说明厂房所在的位置，但是作为一个单层的超市，往往是建设在城市市区，我们选为C类粗糙度作为校核依据。由于建筑物离地面高度不到10米，故风压变化系数为0.65。的计算根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）表8.3.1第8项，封闭式双跨双坡屋面的风荷载体型系数如下图所示：迎风面的按照下表确定，根据5%的坡度，其取值为-0.6。（2）《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》算法根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）附录A第A.0.1条规定，垂直于建筑物表面的风荷载，应按下列公式计算： 式中：——风荷载标准值（）；——基本风压，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定值乘以1.05采用；——风荷载高度变化系数，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用；当高度小于10m时，应按10m高度处的数值采用；——风荷载体型系数，考虑内、外风压最大值的组合，且含阵风系数，按A.0.2的规定采用。在本例中，双跨四坡的钢架在第A.0.2条没有规定，所以风荷载体型系数及相应的基本风压和阵风系数可按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用。（3）风荷载计算整理项目风振系数体型系数风压高度系数基本风压风荷载标准值线荷载迎风面11+0.80.650.5kN/m2+0.26kN/m23.9kN/m斜梁21-0.60.650.5kN/m2-0.195kN/m2-2.93kN/m斜梁31-0.50.650.5kN/m2-0.163kN/m2-2.44kN/m斜梁41-0.40.650.5kN/m2-0.13kN/m2-1.95kN/m斜梁51-0.40.650.5kN/m2-0.13kN/m2-1.95kN/m背风面61-0.40.650.5kN/m2-0.13kN/m2-1.95kN/m各类荷载整理大小（kN/m）方向屋面恒载4.0竖直向下墙面恒载3.6竖直向下屋面活载3.6竖直向下雪荷载4.0竖直向下迎风面1风荷载3.90指向墙面斜梁2风荷载2.93垂直斜梁向上斜梁3风荷载2.44垂直斜梁向上斜梁4风荷载1.95垂直斜梁向上斜梁5风荷载1.95垂直斜梁向上背风面6风荷载1.95远离墙面注：墙面恒载和作用在墙面上的风荷载，其作用范围位于标高1.2-7.2米之间，因为砌体墙的自重以及受到风荷载直接传递给基础，而没有传给刚架柱。变形规范要求《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》柱顶侧移《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）第3.4.2条对于柱顶侧移的规定如下表所示：该方案中，标高1.2m以下为砌体墙，1.2m以上为轻型钢板墙，应该按照无吊车轻型钢墙板的情况取值，同时这样取值也比按砌体墙保守。柱的计算高度为（基础埋深取1.2m，内外地坪差取0.3m，柱顶标高7.2m），柱顶侧移的限制为斜梁挠度《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）第3.4.2条对于受弯构件挠度的规定如下表所示：本例中属于仅支承压型板屋面和冷弯型钢檩条的情况，挠度限制为，，挠度的限值为：《钢结构设计规范》柱顶侧移无桥式吊车的单层框架柱，柱顶侧向位移的限值为，即斜梁挠度《钢结构设计规范》（GB50017-2003）表A.1.1关于受弯构件挠度容许值的规定如下表所示：本例中属于第一类，即仅考虑可变荷载标准值时的挠度容许值是，同时考虑可变荷载和永久荷载标准值时挠度容许值为。对应的挠度值分别为60mm和75mm。变形限值总结门规钢规柱顶水平位移145mm58mm斜梁挠度166.7mm60mm（只考虑可变荷载）75mm（可变荷载+永久荷载）可以看出，《钢规》对于变形的限制控制更加严格，这里考虑了钢框架与混凝土墙的连接问题，如果变形过大，可能会出现混凝土开裂的情况。

第二章、刚架计算（门规）构件截面初估刚架斜梁采用如下图所示的工字型截面梁：根据经验，刚架斜梁的高度取，，故： 为了节省材料，斜梁需要采用变截面，根据弯矩的分布情况，需要采用“两边大，中间小”的截面形式，故暂时取梁的两端截面高度为，中间的高度为。整根梁的截面宽度，腹板和翼缘的厚度不做变化。按照经验估计尺寸。 因此： 暂时取。，取，取刚架柱边柱：根据经验，刚架柱的高度取故：由于柱脚采用的铰接，考虑弯矩分布情况，为了节省材料，刚架柱宜采用变截面，选用“上大下小”的截面形式。暂时取柱的大截面高度为，小截面高度为按照经验估计其余尺寸 因此： 暂时取。，暂时取，暂时取中柱：从荷载组合的情况来看，中柱柱顶的弯矩远小于边柱柱顶，但是因为要考虑活荷载的不利布置，同时从加工、施工方便的角度，把中柱和边柱做成一样的尺寸。变截面梁本次涉及中，同一根刚架梁上既有承受正弯矩的部分，也有承受负弯矩的部分，变截面的位置应该包含弯矩图的反弯点。在弯矩图位置的情况下，先初步把变截面设在梁长的1/3~1/4处，根据弯矩分布情况逐步调整。截面尺寸调整《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（门规）以及《钢结构设计规范》（钢规）对于强度和稳定性的验算方法略有不同，但是综合来看，计算得到的结果相差不大。相比而言，两本规范的主要区别体现在对于变形的控制上，《钢规》对于变形的控制更为严格，需要采用的更高的截面来满足变形限值，但是这对于应力比的控制室不利的。调整应力比时需要综合进行考虑，超静定结构需要考虑变形协调，因此刚度大的部分往往承担的力也越大，单纯提高截面尺寸有时也不一定能达到理想的应力比，所以需要综合调整。除了截面尺寸，还可以适当的调整板厚以及变截面的长度。应力比既包括强度应力比，也包括稳定性应力比，在初步调整时重点考虑强度应力比，当强度应力比达到一定程度了再进行稳定性应力比的验算与微调。截面尺寸变截面位置布置截面调整尺寸高度（mm）宽度（mm）翼缘厚度（mm）腹板厚度（mm）边梁截面24802601212截面38002601212中梁截面3’8002601616截面47002601616截面58602601616柱柱顶5503001212柱底5003001212梁截面示意图柱截面示意图结构计算简图如下图所示，计算简图为一两跨的钢架，三个柱脚均为铰接。荷载计算荷载大小大小（kN/m）方向屋面恒载4.0竖直向下墙面恒载3.6竖直向下屋面活载3.6竖直向下雪荷载4.0竖直向下迎风面1风荷载3.90指向墙面斜梁2风荷载2.93垂直斜梁向上斜梁3风荷载2.44垂直斜梁向上斜梁4风荷载1.95垂直斜梁向上斜梁5风荷载1.95垂直斜梁向上背风面6风荷载1.95远离墙面屋面活载和雪荷载取较大的值带入组合中，荷载示意图如下：恒载：活载：风荷载：活载不利布置：荷载组合相关说明根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第7.1.5条和第8.1.4条规定，雪荷载和风荷载的组合值系数分别取为0.7和0.6。因为建筑物设计使用年限为50年，所以活荷载的设计使用年限调整系数为1.0。屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应该取其中最大值。荷载组合情况承载力极限状态可变荷载控制：可变荷载控制没有采用排架、框架结构的简化，用的是荷载规范的基本公式。工况1：1.2×恒+1.4×活工况2：1.2×恒+1.4×风工况3：1.0×恒+1.4×风工况4：1.2×恒+1.4×活+1.4×0.6×风永久荷载控制：工况5：1.35恒+1.4×0.7活工况6：1.35恒+1.4×0.6风工况7：1.35恒+1.4（0.7×活+0.6×风）正常使用极限状态工况8：1.0×恒+1.0×活工况9：1.0×恒+1.0×风工况10：1.0×恒+1.0×活+0.6×风注：因为风荷载的分布比较复杂，在有的面上表现为风压力，有的表面表现为风吸力，所以恒载有利和不利的情况都要考虑。雪压力有不均匀分布的情况，这里不单独将其作为一种荷载组合进行考虑，在檩条的设计时，适当考虑雪压不均匀分布导致的局部荷载增加。为了验算中间柱的稳定性，需要考虑活载的不利布置，即一跨上布置了活载而另一跨没有布置活载的情况。内力分布工况1：1.2×恒+1.4×活弯矩图剪力图轴力图工况2：1.2×恒+1.4×风弯矩图剪力图轴力图工况3：1.0×恒+1.4×风弯矩图剪力图轴力图工况4：1.2×恒+1.4×活+1.4×0.6×风弯矩图剪力图轴力图工况5：1.35恒+1.4×0.7活弯矩图剪力图轴力图工况6：1.35恒+1.4×0.6风弯矩图剪力图轴力图工况7：1.35恒+1.4（0.7×活+0.6×风）弯矩图剪力图轴力图考虑控制截面的内力（轴力P，剪力V2的单位是kN，弯矩M3的单位是kN·m）左侧柱顶截面：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3101.2恒1.4活-135.02648.873425.1966101.2恒1.4风-5.33718.655-24.4368101.2恒1.4活0.84风-100.83746.533292.7999101.35恒0.98活-121.00343.797381.0329101.35恒0.84风-35.91923.03488.3557101.35恒0.98活0.84风-86.81541.457248.6363101恒1.4风5.04914.896-57.1409左侧边梁梁端：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3801.2恒1.4活-55.555-132.417-425.1966801.2恒1.4风-18.898-4.39924.4368801.2恒1.4活0.84风-51.511-98.388-292.7999801.35恒0.98活-49.785-118.665-381.0329801.35恒0.84风-24.799-34.724-88.3557801.35恒0.98活0.84风-41.704-83.496-248.6363801恒1.4风-12.1195.73757.1409左侧中梁梁端：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3915.018741.2恒1.4活-57.669174.702-1060.2751915.018741.2恒1.4风-19.4225.134-209.6162915.018741.2恒1.4活0.84风-53.352141.402-892.4026915.018741.35恒0.98活-51.68156.561-950.1892915.018741.35恒0.84风-25.62457.414-382.7067915.018741.35恒0.98活0.84风-47.363123.261-782.3166915.018741恒1.4风-14.98411.695-128.0489右侧柱顶截面：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3401.2恒1.4活-135.026-48.873-425.1966401.2恒1.4风-32.526-6.353-148.6387401.2恒1.4活0.84风-117.151-39.152-396.6452401.35恒0.98活-121.003-43.797-381.0329401.35恒0.84风-52.232-15.653-192.201401.35恒0.98活0.84风-103.128-34.076-352.4816401恒1.4风-22.139-2.594-115.9346右侧边梁梁端：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3201.2恒1.4活-55.555-132.417-425.1966201.2恒1.4风-7.97-32.168-148.6387201.2恒1.4活0.84风-44.954-115.049-396.6452201.35恒0.98活-49.785-118.665-381.0329201.35恒0.84风-18.242-51.385-192.201201.35恒0.98活0.84风-39.184-101.297-352.4816201恒1.4风-3.696-21.982-115.9346右侧中梁梁端：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3615.018741.2恒1.4活-57.669174.702-1060.2751615.018741.2恒1.4风-7.83129.4-107.0698615.018741.2恒1.4活0.84风-46.399143.962-830.8748615.018741.35恒0.98活-51.68156.561-950.1892615.018741.35恒0.84风-18.67159.973-321.1788615.018741.35恒0.98活0.84风-40.41125.821-720.7888615.018741恒1.4风-3.39515.961-25.5025可以看出，起控制作用的荷载组合是工况1（1.2×恒+1.4×活），在这种情况下，控制截面上的轴力，剪力弯矩同时都达到了最大。变形验算位移形状工况8：1.0×恒+1.0×活工况9：1.0×恒+1.0×风工况10：1.0×恒+1.0×活+0.6×风挠度计算根据sap2000的计算结果，挠度值汇总如下表所示：工况恒载活载风载斜梁最大挠度柱顶最大位移工况81.01.090.8mm8.6mm工况91.01.026.3mm30.0mm工况101.01.00.679.3mm24.0mm限值：166.7mm145mm挠度校验从表中我们可以看出，斜梁的最大挠度出现在工况9中，柱顶的最大位移出现在工况8中。因为风荷载在很多面上的作用都是向外的，所以可以减小斜梁的挠度。柱顶的最大位移出现在工况9中，受到风荷载的影响，柱顶侧移较大。工况10中风荷载小于工况9，同时有竖向活载限制侧向位移。斜梁的最大挠度和柱顶的最大位移都没有超过限值。构件验算钢柱截面校核柱截面基本信息柱顶5503001212135126.67×1082.42×106柱底5003001212129125.37×1082.15×106控制截面内力计算控制组合轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kN·m）边柱柱顶工况1：1.2×恒+1.4×活-135.048.9425.2中柱柱顶活载不利布置：1.2×恒+1.4×活+1.4×0.6×风-194.538.4-334.1柱的计算长度根据《门规》第6.1.3条规定，对于无摇摆柱的多跨刚架，采用铰接柱脚的柱，其计算长度系数为： 在立柱顶部施加1kN的水平集中荷载，在sap2000中的得到的侧向位移为1.3mm，因此柱顶在水平荷载作用下的侧移刚度为： 起控制作用的荷载组合（1.2×恒+1.4×活）对应的两个边柱的轴向压力最大值为159.0kN，中柱的轴力为358.6kN。柱底（小头）的截面惯性矩为： Q235钢的弹性模量取200GPa，则：带入公式，得边柱的计算长度系数为：相应的柱的计算长度为： 同理，中柱的计算系数为：相应的柱的计算长度为： 总结如下表所示：计算长度系数计算长度边柱2.7225.23m中柱1.7915.57m强度验算边柱柱顶截面基于弹性理论《门规》第5.1.3条规定，变截面门式刚架应采用弹性分析方法确定各种内力。仅在构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。因此，可以使用材料力学中的第四强度准则进行验算。在起控制作用的荷载组合（1.2×恒+1.4×活）下，柱顶截面的轴力，弯矩，剪力比其它组合都要大，因此需要进行强度验算。 应力比为： 基于腹板屈曲后的强度验算在进行刚架梁、柱构件的截面设计时，为了节省钢材，允许腹板发生局部屈曲，并利用屈曲后强度。在《钢结构设计规范》GB50017中给出了关于梁腹板屈曲后强度计算公式。由于简支梁和刚架梁受力情况不同，《门规》中的计算方式不同于《钢规》。受剪承载力设计值腹板的高度变化为：，其受剪承载力的设计值为： 不设置加劲肋的情况下，腹板在纯剪切荷载作用下的屈曲系数因此显然，考虑腹板屈曲后满足抗剪承载力的要求。腹板有效宽度 板件在正应力作用下的屈曲系数为： 因为腹板边缘最大正应力因此计算时可以用代替，取1.1，计算结果为0.32。，因此全截面有效，。We的计算如图所示，中和轴不再位于截面的正中位置。 剪力，弯矩和轴力共同作用下的强度验算，因此需要满足： 带入数据： 满足：应力比为： 中柱柱顶截面中柱在基本荷载组合中，柱顶的弯矩非常小，虽然其轴力比边柱大，但是柱通常是压弯控制的，而不是轴压控制的，所以中柱的验算需要考虑活荷载的不利布置，即一跨上布满雪荷载，另一跨上没有雪荷载。在荷载组合为1.2×恒+1.4×活+1.4×0.6×风时，中柱柱顶截面最危险。此时的截面内力为： 应力比为： 因此，从强度的角度来看，中柱的安全储备要比边柱的安全储备更足，因为之前已经做了边柱的验算，所以不再对中柱进行考虑腹板屈曲后的强度验算。受压区的高度和边柱相差很小，所以仍然取。稳定性验算边柱平面内稳定性验算《门规》第6.1.3条规定，变截面柱在刚架平面内的整体稳定性按下列公式计算： 因为是有侧移框架柱，因此等效弯矩系数回转半径偏保守的以小头的回转半径为准。 由于这个是焊接H型钢截面，边缘为焰切边，在平面内，平面外均属于b类截面。经过查表可得： 代入上式：，与之对应的应力比为0.95。该公式是在《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018中双轴对称截面压弯构件平面内整体稳定计算公式的基础上，考虑变截面压弯构件的受力特点，经过适当修正后得到的。它没有包括塑性发展系数。平面外稳定性验算根据《门规》第6.1.4条规定，变截面柱的平面外整体稳定应分段按下式进行计算： 等效弯矩系数为： 刚架柱平面外的计算长度取支撑之间的距离。框架柱与墙梁相连接，每隔一道墙梁设置一道隅撑，支撑间距取为1200mm。查表知： 均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数的计算： 因此，需要根据《钢规》进行修正： 直接取。带入公式进行验算： 对应的应力比为0.77。局部稳定性验算工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比验算： 工字形截面腹板宽厚比验算： 满足局部稳定性的要求。中柱平面内稳定性验算《门规》第6.1.3条规定，变截面柱在刚架平面内的整体稳定性按下列公式计算： 因为是有侧移框架柱，因此等效弯矩系数回转半径偏保守的以小头的回转半径为准。 由于这个是焊接H型钢截面，边缘为焰切边，在平面内，平面外均属于b类截面。经过查表可得： 代入上式：，与之对应的应力比为0.71。平面外稳定性验算根据《门规》第6.1.4条规定，变截面柱的平面外整体稳定应分段按下式进行计算： 等效弯矩系数为： 中柱上没有墙梁，因此计算长度取为柱的高度8700mm。查表知： 均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数的计算： 因此，需要根据《钢规》进行修正： 带入公式进行验算： 对应的应力比为0.90。变截面斜梁截面校核梁截面基本信息截面15402601212124325.72×1082.12×106截面24802601212117124.37×1081.82×106截面38002601212155521.43×1093.59×106截面3’8002601616206081.88×1094.71×106截面47002601616190081.37×1093.92×106截面58602601616215682.24×1095.21×106控制截面内力计算对于梁的各个截面来说，其控制作用的荷载组合都是工况1（1.2×恒+1.4×活），内力值如下表所示：轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kN·m）截面155.6132.4425.2截面252.470.0182.9截面347.823.6392.1截面3’49.918.7392.1截面454.9120.1285.4截面557.7174.71060.3梁的强度验算截面1基于弹性理论因为梁截面上的轴力非常小，起不到控制作用，但是还是按照压弯构件进行验算。 应力比为： 基于腹板屈曲后的强度验算受剪承载力设计值腹板的高度变化为：，其受剪承载力的设计值为： 不设置加劲肋的情况下，腹板在纯剪切荷载作用下的屈曲系数因此显然，考虑腹板屈曲后满足抗剪承载力的要求。腹板有效宽度 板件在正应力作用下的屈曲系数为： ，因此全截面有效，因为，所以可以取，。剪力，弯矩和轴力共同作用下的强度验算，因此需要满足： 带入数据： 满足：对应的应力比为：截面2基于弹性理论 应力比为： 基于腹板屈曲后的强度验算等截面构件的设计计算仍然可以按照《门规》6.1节的内容进行。受剪承载力设计值 不设置加劲肋的情况下，腹板在纯剪切荷载作用下的屈曲系数因此显然，考虑腹板屈曲后满足抗剪承载力的要求。腹板有效宽度 板件在正应力作用下的屈曲系数为： ，因此全截面有效，因为，所以可以取，。剪力，弯矩和轴力共同作用下的强度验算，因此需要满足： 带入数据： 满足：对应的应力比为：截面3，截面3’基于弹性理论 应力比为： 基于腹板屈曲后的强度验算受剪承载力设计值腹板的高度变化为：，其受剪承载力的设计值为： 不设置加劲肋的情况下，腹板在纯剪切荷载作用下的屈曲系数因此显然，考虑腹板屈曲后满足抗剪承载力的要求。腹板有效宽度 板件在正应力作用下的屈曲系数为： ，因此全截面有效，因为，所以可以取，。剪力，弯矩和轴力共同作用下的强度验算，因此需要满足： 带入数据： 满足：对应的应力比为：截面4基于弹性理论 应力比为： 基于腹板屈曲后的强度验算截面4位于等截面段上。受剪承载力设计值受剪承载力的设计值为： 不设置加劲肋的情况下，腹板在纯剪切荷载作用下的屈曲系数因此显然，考虑腹板屈曲后满足抗剪承载力的要求。腹板有效宽度 板件在正应力作用下的屈曲系数为： ，因此全截面有效，因为，所以可以取，。剪力，弯矩和轴力共同作用下的强度验算，因此需要满足： 带入数据： 满足：对应的应力比为：截面5基于弹性理论 应力比为： 基于腹板屈曲后的强度验算受剪承载力设计值腹板的高度变化为：，其受剪承载力的设计值为： 不设置加劲肋的情况下，腹板在纯剪切荷载作用下的屈曲系数因此显然，考虑腹板屈曲后满足抗剪承载力的要求。腹板有效宽度 板件在正应力作用下的屈曲系数为： ，因此全截面有效，因为，所以可以取，。剪力，弯矩和轴力共同作用下的强度验算，因此需要满足： 带入数据： 满足：对应的应力比为：总结根据两种方法算出的应力比大小非常接近，因为考虑腹板屈曲后强度时，判定出是全截面有效的。梁的局部稳定性边梁工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比验算： 工字形截面腹板宽厚比验算： 满足局部稳定性的要求。中梁工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比验算： 工字形截面腹板宽厚比验算： 满足局部稳定性的要求。梁的平面外稳定性根据《门规》条目6.1.6刚架设计相关规定，对于实腹式斜梁，其在平面内可按压弯构件计算强度，在平面外按压弯构件计算稳定，故此处无需对平面内稳定进行验算，直接套用之前强度计算结果可得，刚架斜梁满足平面内稳定性要求。由于墙梁、隅撑以及檩条的存在对平面外稳定性起到正面作用，此时平面外计算长度取檩条（隅撑）间距，即2000mm。I段根据《门规》第6.1.4条规定，变截面柱的平面外整体稳定应分段按下式进行计算： 因为檩条间距不算很大，所以计算长度两端的弯曲应力基本相等，等效弯矩系数取1。查表知： 均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数的计算： 因此，需要根据《钢规》进行修正： 取带入公式进行验算： 对应的应力比为0.95。II段根据《门规》第6.1.4条规定，变截面柱的平面外整体稳定应分段按下式进行计算： 因为檩条间距不算很大，所以计算长度两端的弯曲应力基本相等，等效弯矩系数取1。查表知： 均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数的计算： 因此，需要根据《钢规》进行修正： 取带入公式进行验算： 对应的应力比为0.49。III段根据《门规》第6.1.4条规定，变截面柱的平面外整体稳定应分段按下式进行计算： 因为檩条间距不算很大，所以计算长度两端的弯曲应力基本相等，等效弯矩系数取1。查表知： 均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数的计算： 因此，需要根据《钢规》进行修正： 取带入公式进行验算： 对应的应力比为0.52。IV段根据《门规》第6.1.4条规定，变截面柱的平面外整体稳定应分段按下式进行计算： 因为檩条间距不算很大，所以计算长度两端的弯曲应力基本相等，等效弯矩系数取1。查表知： 均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数的计算： 因此，需要根据《钢规》进行修正： 取带入公式进行验算： 对应的应力比为0.40。V段根据《门规》第6.1.4条规定，变截面柱的平面外整体稳定应分段按下式进行计算： 因为檩条间距不算很大，所以计算长度两端的弯曲应力基本相等，等效弯矩系数取1。查表知： 均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数的计算： 因此，需要根据《钢规》进行修正： 取带入公式进行验算： 对应的应力比为0.35。VI段根据《门规》第6.1.4条规定，变截面柱的平面外整体稳定应分段按下式进行计算： 因为檩条间距不算很大，所以计算长度两端的弯曲应力基本相等，等效弯矩系数取1。查表知： 均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数的计算： 因此，需要根据《钢规》进行修正： 取带入公式进行验算： 对应的应力比为0.96。总结安装了檩条之后，梁被分成了很多段，有变截面的，也有等截面的。逐段验算的工作量太大，于是我们选择了邻接控制截面的梁端进行了平面外稳定性验算。从验算公式来看，由于梁上的轴力很小，所以弯矩其主要作用，弯矩大的区段也容易出现平面外失稳，与此同时，这些面的截面高度也相应的较大，提供了较大的抵抗矩。梁柱连接节点设计梁柱边节点梁柱节点处构件截面特性对梁柱节点设计中涉及的两个构件截面性质列出如下：柱顶5503001212135126.67×1082.42×106梁边截面5402601212124325.72×1082.12×106根据之前的验算，柱截面和梁截面都是全截面有效的。梁柱节点设计概述设计内力值的选择端板连接的内力应当按照前述计算的设计值来进行计算，当设计值较小时需要按照截面承载力的一半设计。考虑到前面计算已经将各个构件压弯应力比调至0.8以上，此处弯矩可以直接按照设计值进行计算。对于剪应力直接按照构件腹板承载力的一半进行设计。高强螺栓选择与端板处理对于主刚架构件，在剪力较小时可以不对端板进行专门处理。但考虑到本设计按照八度设防进行设计，为了统一地实现强节点弱构件，在此处采用接触面采用硼砂后生赤锈处理，摩擦面抗滑移系数为μ=0.45，每个高强螺栓的预拉力为采用端板橫放的形式，采用10.9级M24高强度摩擦性螺栓连接，高强螺栓的预拉力设计值采用225kN。，高强螺栓传力摩擦面数量为1。高强螺栓的抗剪承载力和抗拉承载力分别为： 构造要求根据《门规》第7.2.5-7.2.6条规定：螺栓中心至翼缘板表面距离不应小于35mm，螺栓端距不应小于两倍螺栓孔径。在翼缘内部增设螺栓时，其间距可取为75mm，且不应超过3倍螺孔孔径。节点处控制内力控制组合轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kN·m）工况1：1.2×恒+1.4×活-135.048.9425.2因为剪力的设计值比较小，应该取为腹板抗剪承载力的一半，即394kN。螺栓布置示意图高强螺栓承载力验算 强度符合要求。端板厚度计算根据《门规》第7.2.9条规定，分别按照伸臂类端板、无加劲肋类端板、两边支承外伸类端板进行计算端板厚度计算。75mm104mm75mm500mm180kN200kN/m2注：因为端板的厚度比较大，所以Q235钢的强度要取小一些。按照板厚40-60mm来取。伸臂类端板 无加劲肋类端板 两边支承类端板 偏保守的取端板厚度为46mm。因为端板处会设置加劲肋，考虑无加劲肋类端板是比较保守的。节点域计算考虑到梁有5%的坡度，节点域的面积近似按照矩形来算，长和宽分别取为梁和柱的截面高度，则：节点域满足抗剪承载力的要求。焊缝验算根据《门规》条目7.2.11，刚架构件的翼缘与端板的连接采用全熔透对接焊缝，腹板与端板的连接采用与腹板等强的双面角焊缝，焊缝均为二级焊缝。坡口形式符合现行国家标准《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》GB/T985的规定。翼缘内第二排一个螺栓拉力的轴向设计值为： 腹板强度满足要求，不需要设置加劲肋。翼缘角焊缝的尺寸需要满足： 不妨取。当作用力平行于焊缝轴线方向时，需要满足： ，由于是二级焊缝，抗剪强度与连接的钢材一样，。带入： 梁柱中节点梁柱节点处构件截面特性对梁柱节点设计中涉及的两个构件截面性质列出如下：柱顶5503001212135126.67×1082.42×106梁边截面8602601616215682.24×1095.21×106根据之前的验算，柱截面和梁截面都是全截面有效的。梁柱节点设计概述设计内力值的选择端板连接的内力应当按照前述计算的设计值来进行计算，当设计值较小时需要按照截面承载力的一半设计。考虑到前面计算已经将各个构件压弯应力比调至0.8以上，此处弯矩可以直接按照设计值进行计算。对于剪应力直接按照构件腹板承载力的一半进行设计。高强螺栓选择与端板处理对于主刚架构件，在剪力较小时可以不对端板进行专门处理。但考虑到本设计按照八度设防进行设计，为了统一地实现强节点弱构件，在此处采用接触面采用硼砂后生赤锈处理，摩擦面抗滑移系数为μ=0.45，每个高强螺栓的预拉力为两根梁采用端板连接的方式，梁柱连接采用端板橫放的形式，采用10.9级M24高强度摩擦性螺栓连接，高强螺栓的预拉力设计值采用225kN。，高强螺栓传力摩擦面数量为1。高强螺栓的抗剪承载力和抗拉承载力分别为： 构造要求根据《门规》第7.2.5-7.2.6条规定：螺栓中心至翼缘板表面距离不应小于35mm，螺栓端距不应小于两倍螺栓孔径。在翼缘内部增设螺栓时，其间距可取为75mm，且不应超过3倍螺孔孔径。节点处控制内力控制组合轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kN·m）梁端工况1：1.2×恒+1.4×活-57.7174.7-1060.3柱顶活载不利布置-259.2-31.3-272.5因为剪力的设计值比较小，应该取为腹板抗剪承载力的一半，即813kN。螺栓布置示意图柱顶柱顶的端板构造和边柱一样，因为中柱顶面的弯矩比边柱顶面的弯矩小，做成一样的便于加工和管理。不用进行验算。但是考虑到螺栓排布的问题，端板的宽度需要加大。梁端高强螺栓承载力验算 强度符合要求。端板厚度计算根据《门规》第7.2.9条规定，分别按照伸臂类端板、无加劲肋类端板、两边支承外伸类端板进行计算端板厚度计算。75mm104mm75mm500mm180kN200kN/m2注：因为端板的厚度比较大，所以Q235钢的强度要取小一些。按照板厚40-60mm来取。伸臂类端板 无加劲肋类端板 两边支承类端板 偏保守的取端板厚度为46mm。因为端板处会设置加劲肋，考虑无加劲肋类端板是比较保守的。焊缝验算根据《门规》条目7.2.11，刚架构件的翼缘与端板的连接采用全熔透对接焊缝，腹板与端板的连接采用与腹板等强的双面角焊缝，焊缝均为二级焊缝。坡口形式符合现行国家标准《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》GB/T985的规定。翼缘内第二排一个螺栓拉力的轴向设计值为： 腹板强度满足要求，不需要设置加劲肋。翼缘角焊缝的尺寸需要满足： 不妨取。当作用力平行于焊缝轴线方向时，需要满足： ，由于是二级焊缝，抗剪强度与连接的钢材一样，。带入： 梁拼接节点设计梁拼接概述梁拼接截面特性对斜梁拼接节点设计中涉及的多个构件截面性质列出如下：节点14802601212117124.37×1081.82×106节点2左8002601212155521.43×1093.59×106右8002601616206081.88×1094.71×106节点37002601616190081.37×1093.92×106控制内力控制截面内力如下表所示：轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kN·m）节点152.470.0（342）182.9节点249.918.7（582）392.1节点354.9120.1（668）285.4注：因为控制剪力太小，按照受剪承载力的一半进行设计，修正为括号中的值。高强螺栓与端板处理和梁柱节点一样，采用接触面采用硼砂后生赤锈处理，摩擦面抗滑移系数为μ=0.45，每个高强螺栓的预拉力为采用10.9级M24高强度摩擦性螺栓连接，高强螺栓的预拉力设计值采用225kN。，高强螺栓传力摩擦面数量为1。高强螺栓的抗剪承载力和抗拉承载力分别为： 拼接节点1设计节点示意图高强螺栓承载力验算 强度符合要求。端板厚度计算根据《门规》第7.2.9条规定，分别按照伸臂类端板、无加劲肋类端板、两边支承外伸类端板进行计算端板厚度计算。90mm188mm75mm400mm180kN200kN/m2注：因为端板的厚度比较大，所以Q235钢的强度要取小一些。按照板厚40-60mm来取。伸臂类端板 无加劲肋类端板 两边支承类端板 偏保守的取端板厚度为48mm。因为端板处会设置加劲肋，考虑无加劲肋类端板是比较保守的。焊缝验算根据《门规》条目7.2.11，刚架构件的翼缘与端板的连接采用全熔透对接焊缝，腹板与端板的连接采用与腹板等强的双面角焊缝，焊缝均为二级焊缝。坡口形式符合现行国家标准《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》GB/T985的规定。翼缘内第二排一个螺栓拉力的轴向设计值为： 腹板强度满足要求，不需要设置加劲肋。翼缘角焊缝的尺寸需要满足： 不妨取。当作用力平行于焊缝轴线方向时，需要满足： ，由于是二级焊缝，抗剪强度与连接的钢材一样，。带入： 拼接节点2设计节点示意图高强螺栓承载力验算 强度符合要求。端板厚度计算根据《门规》第7.2.9条规定，分别按照伸臂类端板、无加劲肋类端板、两边支承外伸类端板进行计算端板厚度计算。50mm67mm75mm400mm180kN200kN/m2注：因为端板的厚度比较大，所以Q235钢的强度要取小一些。按照板厚40-60mm来取。伸臂类端板 无加劲肋类端板 两边支承类端板 偏保守的取端板厚度为42mm。因为端板处会设置加劲肋，考虑无加劲肋类端板是比较保守的。焊缝验算根据《门规》条目7.2.11，刚架构件的翼缘与端板的连接采用全熔透对接焊缝，腹板与端板的连接采用与腹板等强的双面角焊缝，焊缝均为二级焊缝。坡口形式符合现行国家标准《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》GB/T985的规定。翼缘内第二排一个螺栓拉力的轴向设计值为： 腹板强度满足要求，不需要设置加劲肋。翼缘角焊缝的尺寸需要满足： 不妨取。当作用力平行于焊缝轴线方向时，需要满足： ，由于是二级焊缝，抗剪强度与连接的钢材一样，。带入： 拼接节点3设计节点示意图高强螺栓承载力验算 强度符合要求。端板厚度计算根据《门规》第7.2.9条规定，分别按照伸臂类端板、无加劲肋类端板、两边支承外伸类端板进行计算端板厚度计算。50mm67mm75mm400mm180kN200kN/m2注：因为端板的厚度比较大，所以Q235钢的强度要取小一些。按照板厚40-60mm来取。伸臂类端板 无加劲肋类端板 两边支承类端板 偏保守的取端板厚度为42mm。因为端板处会设置加劲肋，考虑无加劲肋类端板是比较保守的。焊缝验算根据《门规》条目7.2.11，刚架构件的翼缘与端板的连接采用全熔透对接焊缝，腹板与端板的连接采用与腹板等强的双面角焊缝，焊缝均为二级焊缝。坡口形式符合现行国家标准《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》GB/T985的规定。翼缘内第二排一个螺栓拉力的轴向设计值为： 腹板强度满足要求，不需要设置加劲肋。翼缘角焊缝的尺寸需要满足： 不妨取。当作用力平行于焊缝轴线方向时，需要满足： ，由于是二级焊缝，抗剪强度与连接的钢材一样，。带入： 柱脚设计根据《门规》第7.2.17条，宜采用平板式铰接柱脚。本次设计采用一对锚栓的铰接柱脚。基本设计参数柱脚轴力设计值为： 基础混凝土标号为C20，焊条为E43系列，采用Q235钢进行制作。考虑局部受压的有利作用，取C20混凝土的抗压强度设计值为： 底板所需净面积： 取： 则所需底板宽度： 从构造角度，取 安装孔两个，每个孔径40mm，削弱面积取40mm×40mm。底板承受的均布压力： 柱脚与基础的连接按构造用直径为24mm的锚栓两个。按构造，取底板厚20mm。锚栓强度验算根据门规第7.2.19条规定，计算有柱间支撑的柱脚锚栓在风荷载作用下的上拔力时。应计入柱间支撑产生的最大竖向分力，且不考虑活荷载(或雪荷载）、积灰荷载和附加荷载的影响，恒荷载分项系数应取1.0在荷载组合为1.0×恒+1.4×活时，在柱底产生的轴力为-16.5kN，柱间支撑产生的竖向分力为55.90kN，则每个螺栓分担的上拔力为：N强度验算为：N满足要求。第三章刚架计算（《钢规》）构件截面初估刚架斜梁采用如下图所示的工字型截面梁：根据经验，刚架斜梁的高度取，，故： 为了节省材料，斜梁需要采用变截面，根据弯矩的分布情况，需要采用“两边大，中间小”的截面形式，但是考虑到《钢规》对于变形的限制更加严格，故暂时取梁的两端截面高度为，中间的高度为。整根梁的截面宽度，腹板和翼缘的厚度不做变化。按照经验估计尺寸。 因此： 暂时取。，取，取刚架柱边柱：根据经验，刚架柱的高度取故：由于柱脚采用的铰接，考虑弯矩分布情况，为了节省材料，刚架柱宜采用变截面，选用“上大下小”的截面形式。但是柱底的轴力值较大，如果柱底截面尺寸过小对于柱的稳定性不利。考虑到《钢规》中的稳定性验算公式都是针对等截面构件的情形，所以综合考虑，选用等截面柱。同样，考虑变形限值，取值需要偏大一些，暂时取柱的截面高度为。按照经验估计其余尺寸 因此： 暂时取。，暂时取，暂时取中柱：从荷载组合的情况来看，中柱柱顶的弯矩远小于边柱柱顶，但是因为要考虑活荷载的不利布置，同时从加工、施工方便的角度，把中柱和边柱做成一样的尺寸。变截面梁本次涉及中，同一根刚架梁上既有承受正弯矩的部分，也有承受负弯矩的部分，变截面的位置应该包含弯矩图的反弯点。在弯矩图位置的情况下，先初步把变截面设在梁长的1/3~1/4处，根据弯矩分布情况逐步调整。截面尺寸调整《钢规》对于变形的控制更为严格，需要采用的更高的截面来满足变形限值，但是这对于应力比的控制室不利的。调整应力比时需要综合进行考虑，超静定结构需要考虑变形协调，因此刚度大的部分往往承担的力也越大，单纯提高截面尺寸有时也不一定能达到理想的应力比，所以需要综合调整。除了截面尺寸，还可以适当的调整板厚以及变截面的长度。应力比的调整需要同时顾及挠度和应力比，不断优化。应力比既包括强度应力比，也包括稳定性应力比，在初步调整时重点考虑强度应力比，对于柱而言往往是稳定性应力比控制的，因此，大约需要把柱的强度应力比调整到0.8左右，这样通常来说稳定性应力比会满足要求。截面尺寸变截面位置布置截面调整尺寸高度（mm）宽度（mm）翼缘厚度（mm）腹板厚度（mm）边梁截面16002801010截面25502801010截面39002801010中梁截面3’9002801616截面48502801616截面59502801616柱6002801010梁截面示意图柱截面示意图结构计算简图如下图所示，计算简图为一两跨的钢架，三个柱脚均为铰接。荷载计算荷载大小《钢规》中没有关于荷载计算条文，需要按照荷载规范进行计算。大小（kN/m）方向屋面恒载4.0竖直向下墙面恒载3.6竖直向下屋面活载3.6竖直向下雪荷载4.0竖直向下迎风面1风荷载3.90指向墙面斜梁2风荷载2.93垂直斜梁向上斜梁3风荷载2.44垂直斜梁向上斜梁4风荷载1.95垂直斜梁向上斜梁5风荷载1.95垂直斜梁向上背风面6风荷载1.95远离墙面屋面活载和雪荷载取较大的值带入组合中，荷载示意图如下：恒载：活载：风荷载：活载不利布置：荷载组合相关说明根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第7.1.5条和第8.1.4条规定，雪荷载和风荷载的组合值系数分别取为0.7和0.6。因为建筑物设计使用年限为50年，所以活荷载的设计使用年限调整系数为1.0。屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应该取其中最大值。荷载组合情况（1）承载力极限状态可变荷载控制：可变荷载控制没有采用排架、框架结构的简化，用的是荷载规范的基本公式。工况1：1.2×恒+1.4×活工况2：1.2×恒+1.4×风工况3：1.0×恒+1.4×风工况4：1.2×恒+1.4×活+1.4×0.6×风永久荷载控制：工况5：1.35恒+1.4×0.7活工况6：1.35恒+1.4×0.6风工况7：1.35恒+1.4（0.7×活+0.6×风）（2）正常使用极限状态工况8：1.0×恒+1.0×活工况9：1.0×恒+1.0×风工况10：1.0×恒+1.0×活+0.6×风注：因为风荷载的分布比较复杂，在有的面上表现为风压力，有的表面表现为风吸力，所以恒载有利和不利的情况都要考虑。雪压力有不均匀分布的情况，这里不单独将其作为一种荷载组合进行考虑，在檩条的设计时，适当考虑雪压不均匀分布导致的局部荷载增加。为了验算中间柱的稳定性，需要考虑活载的不利布置，即一跨上布置了活载而另一跨没有布置活载的情况。内力分布工况1：1.2×恒+1.4×活弯矩图剪力图轴力图工况2：1.2×恒+1.4×风弯矩图剪力图轴力图工况3：1.0×恒+1.4×风弯矩图剪力图轴力图工况4：1.2×恒+1.4×活+1.4×0.6×风弯矩图剪力图轴力图工况5：1.35恒+1.4×0.7活弯矩图剪力图轴力图工况6：1.35恒+1.4×0.6风弯矩图剪力图轴力图工况7：1.35恒+1.4（0.7×活+0.6×风）弯矩图剪力图轴力图考虑控制截面的内力（轴力P，剪力V2的单位是kN，弯矩M3的单位是kN·m）左侧柱顶截面：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3101.2恒1.4活-130.84144.686388.77101.2恒1.4风-4.78318.428-26.408101.2恒1.4活0.84风-97.4843.37265.2834101.35恒0.98活-117.25240.044348.3853101.35恒0.84风-34.57221.88378.3418101.35恒0.98活0.84风-83.89138.728224.8987101恒1.4风5.28114.991-56.3085左侧边梁梁端：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3801.2恒1.4活-51.164-128.446-388.77801.2恒1.4风-18.644-3.85726.408801.2恒1.4活0.84风-48.184-95.193-265.2834801.35恒0.98活-45.85-115.106-348.3853801.35恒0.84风-23.582-33.436-78.3418801.35恒0.98活0.84风-42.869-81.853-224.8987801恒1.4风-14.7096.02356.3085左侧中梁梁端：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3915.018741.2恒1.4活-53.697179.091-1149.3955915.018741.2恒1.4风-19.22125.699-224.2594915.018741.2恒1.4活0.84风-50.361144.914-965.6103915.018741.35恒0.98活-48.119160.495-1030.0683915.018741.35恒0.84风-24.54258.816-413.104915.018741.35恒0.98活0.84风-44.784126.317-846.2831915.018741恒1.4风-15.09111.922-135.8314右侧柱顶截面：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3401.2恒1.4活-130.841-44.686-388.77401.2恒1.4风-31.972-5.466-140.9207401.2恒1.4活0.84风-113.793-35.593-365.6806401.35恒0.98活-117.252-40.044-348.3853401.35恒0.84风-50.885-14.106-178.739401.35恒0.98活0.84风-100.204-30.951-325.2959401恒1.4风-21.908-2.029-111.0202右侧边梁梁端：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3201.2恒1.4活-51.164-128.446-388.77201.2恒1.4风-7.056-31.659-140.9207201.2恒1.4活0.84风-41.231-111.874-365.6806201.35恒0.98活-45.85-115.106-348.3853201.35恒0.84风-16.629-50.117-178.739201.35恒0.98活0.84风-35.917-98.534-325.2959201恒1.4风-3.121-21.779-111.0202右侧中梁梁端：TABLE:ElementForces-FramesFrameStationOutputCasePV2M3615.018741.2恒1.4活-53.697179.091-1149.3955615.018741.2恒1.4风-6.97329.997-115.9663615.018741.2恒1.4活0.84风-43.012147.493-900.6344615.018741.35恒0.98活-48.119160.495-1030.0683615.018741.35恒0.84风-17.19361.396-348.1281615.018741.35恒0.98活0.84风-37.435128.896-781.3072615.018741恒1.4风-2.84316.22-27.5383可以看出，起控制作用的荷载组合是工况1（1.2×恒+1.4×活），在这种情况下，控制截面上的轴力，剪力弯矩同时都达到了最大。变形验算位移形状工况8：1.0×恒+1.0×活工况9：1.0×恒+1.0×风工况10：1.0×恒+1.0×活+0.6×风挠度计算根据sap2000的计算结果，挠度值汇总如下表所示：工况恒载活载风载斜梁最大挠度柱顶最大位移工况81.01.071.5mm6.7mm工况91.01.026.3mm20.6mm工况101.01.00.662.4mm20.3mm限值：75mm58mm挠度校验从表中我们可以看出，斜梁的最大挠度出现在工况9中，柱顶的最大位移出现在工况8中。因为风荷载在很多面上的作用都是向外的，所以可以减小斜梁的挠度。柱顶的最大位移出现在工况9中，受到风荷载的影响，柱顶侧移较大。工况10中风荷载小于工况9，同时有竖向活载限制侧向位移。斜梁的最大挠度和柱顶的最大位移都没有超过限值。构件验算钢柱截面校核柱截面基本信息6002801010114006.50×1082.17×106控制截面内力计算控制组合轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kN·m）边柱柱顶工况1：1.2×恒+1.4×活-130.844.7388.8中柱柱顶活载不利布置：1.2×恒+1.4×活+1.4×0.6×风-199.036.5-317.1柱的计算长度当采用一阶线弹性的方法计算内力时，有侧移框架柱的计算长度按照《钢规》附录D表D-2确定。这种方法适用于梁柱相互垂直且为等截面的情形。这里采用这种方法进行近似计算。柱的线刚度为： 边梁的线刚度为：中梁的线刚度为： 对于边柱： 查表知。对于中柱： 查表知注：采用的是平板铰接柱脚，因此可以取0.1。总结如下表所示：计算长度系数计算长度边柱2.0317.66m中柱1.7315.05m强度验算边柱柱顶截面在起控制作用的荷载组合（1.2×恒+1.4×活）下，柱顶截面的轴力，弯矩，剪力比其它组合都要大，因此需要进行强度验算。 应力比为： 中柱柱顶截面中柱在基本荷载组合中，柱顶的弯矩非常小，虽然其轴力比边柱大，但是柱通常是压弯控制的，而不是轴压控制的，所以中柱的验算需要考虑活荷载的不利布置，即一跨上布满雪荷载，另一跨上没有雪荷载。在荷载组合为1.2×恒+1.4×活+1.4×0.6×风时，中柱柱顶截面最危险。此时的截面内力为： 应力比为： 稳定性验算边柱平面内稳定性验算《门规》第5.2.2条规定，压弯构件平面内的整体稳定性按下列公式计算： 因为既有端弯矩又有横向荷载，产生相同方向的曲率，因此等效弯矩系数 由于这个是焊接H型钢截面，边缘为焰切边，在平面内，平面外均属于b类截面。经过查表可得： 代入上式：，与之对应的应力比为0.95。平面外稳定性验算根据《钢规》第5.2.2条规定，压弯构件的平面外整体稳定按下式进行计算： 有端弯矩和横向荷载，产生同方向的曲率，等效弯矩系数取为1。对于非闭口截面，。刚架柱平面外的计算长度取支撑之间的距离。框架柱与墙梁相连接，每隔一道墙梁设置一道隅撑，支撑间距取为1200mm。查表知： 整体稳定系数的计算： 直接取为1.带入公式进行验算： 对应的应力比为0.89。局部稳定性验算工字形截面构件受压翼缘板的宽厚比验算： 钢规中规定的限制是，在塑性发展系数取为1.0时可以放宽到，根据之前的验算，塑性发展系数取1.05时应力比都在0.8-0.9之间，取1.0时也不会超出，所以可以放宽。 工字形截面腹板宽厚比验算： 满足局部稳定性的要求。中柱平面内稳定性验算《门规》第5.2.2条规定，压弯构件平面内的整体稳定性按下列公式计算： 因为既有端弯矩又有横向荷载，产生相同方向的曲率，