钢结构厂房课程设计

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

指导教师:副专家

2023年6月

I.设计资料................................................................................1

2.荷载计算..............................................................................1

1）荷载取值计算......................................................................1

2）各部分作用的荷载标准值计算.......................................................2

3.内力分析...............................................................................3

1）在恒荷载作用下....................................................................3

2）在活荷载作用下....................................................................5

3）在风荷载作用下....................................................................7

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.............................................................18

（3）刚架梁的验算...............................................................18

（4）刚架柱的验算..............................................................21

5.3节点验算........................................................................23

（1）梁柱连接节点：.............................................................23

（2）横梁跨中节点..............................................................24

（3）柱脚设计...................................................................27

6.其他构件设计.........................................................................28

6.1楝条的设计......................................................................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......................................................................33

（1）荷载计算...................................................................33

（2）内力计算...................................................................33

（3）强度计算...................................................................34

（4）挠度计算...................................................................34

参考文献.................................................................................35

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，楝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

楝条及支撑O.lOkN/n?

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：O30KN/'m

雪荷载：基本雪压S0=0.45kN/m2。对于单跨双坡屋面，屋面坡角a=5042'

38",pz=1.0,雪荷载标准值Sk叩zS0=1.00.45kN/m2=0.45kN/m2o

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)

().5kN/m2

(4)风荷载标甚值

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。

(5)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l()m时，按10m高度处的数值采用，”=1.0。风荷载体型系数迎风面柱及屋面分

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）。

（6）地震作用

据《全国民用建筑工程设计技术措施一一结构》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c

2）各部分作用的荷载标准值计算

（1）屋面

恒荷载标准值：0.92X6kN/m2=5.52kN/m2

活荷或标准位：0.456kN/m2=2.70kN/m2

（2）柱荷载

恒荷载标准值：（0.566+5.52X13.5）kN=95.52kN

油荷找标准假：2.70X13.5kN=36.45kN

（3）风荷载标准值

迎风面：柱上qw1=0.58X6X0.25kN/m=0.87kN/m

横梁上qw2=-0.58x6x1.0kN/m=-3.48kN/m

背风面：柱上qw3=-0.586X0.55kN/m=-1.91kN/m

横梁上qw4=-0.58x6x0.65kN/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。柱脚按较接支承设计。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-广3-3）

X=l/h=27/6=4.5

KP=f7h=1.35/6=0.225

k=h/s=6/13.5673=0.4422

11=3+^（3+4^）=3+0.4422+0.225（3+0.225）=4.1678

48+5什8+水0.225

8----=----------=0.5474

4〃4x4.1678

HA=HE=处九①=5.52x27x4.5x0.5474/8kN/m=45.89kN

8

Mc=^-[1-(1+T)O]=9.181x272x[1-(1+0.225)>0.5474]/8kN/m=165.71kN-m

8

MB=MD=-①=-5.52x272x0.5474/8kN/m=-275.35kNMn

8

g=5.52kNAn

图3-1恒荷载作月下的M图

图3-2恒荷载作用下的N图

4.57kN65.02kN

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=以二2.70X27/2kN=36.45kN

2

HA=HE=必X<P=279x27x4.5x().5474kN=22.45kN

88

2770x272

Mc=^a—i[1-(l+T)①]--------x[1-(1+0.225)x0.5474]kN-m=81.05kN-m

88

MB二MD=—0=270x272x0.5474/8kN-m=-134.68kN・m

8

g=2.7(kN/m

图3-4活荷载作用下的M图

36.45kN

36.45kN

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小和竖向的分力q*

（1）在迎风面横梁上风荷载竖向分力qw2y作用下（见图3-7）

g----(-8--+5+)=--------------(8+5x0.225)=0.1368

16〃16x4.1866

VE=果=3.48X27/8kN=11.75kN;VA=(3.48X13.5-11.75)kN=35.23kN

HA=HE=变入①="lx27x4.5x0.1368kN=14.46kN

44

""夕『小3.48x272x0.1368LZQ-Z

MB=MD=--<!)=-----------------------kN・m=86.76kN・m

44

Mc=^-[a2-(l+vP)0)]

4

34Xx272

=--------x[0.52-(l+0.225)x().1368]kN-m=26.57kN-m

4

4g声48kN/m

⑵在背风面横梁上风荷载竖向分力qw4y作用下（见图3-8）

VA=更=2.26X27/8kN=7.63kN;VE=(2.26X13.5-7.63)kN=22.88kN

8

HA=HE=2Z(D=2.26x27x4.5x0.1368/4kN・m=9.39kN-m

4

MB=MD="①=2.26X272/4X0.1368kN・m=56.35kN・m

4

八、一2.26x272

Me二空"一(l+”)"x[0.52-(1+0.225)x0.1368]kN・m=33.95kN，m

口如22%N/m

图3-8风荷载q、v4y作用下M图

(3)在迎风面柱上风荷载qwi作用下(见图3-9)

a=1

0>=—[6(2+⑺+5灯=————[6x(2+0.225)+5x0.4422]=0.9334

4〃4x4.1866

VA二-VE=哈=0.87x62/(2x27)kN=-0.58kN

HE=0.58x6-3.38kN=1.84kN

MB=必夕i2-(P)=0,87X6X1x(2-0.9334)kN・m=8.35kN・m

44

Mc=[1-(1+^)0]=087X6X1X(1-(1+0.225)X0.9334)kN-m=-l.l2kN・m

44

MD=1.84X6kN,m=11.04kN*m

1.12kN-m

WI

。N

。

七

。8

9.

uO

J

图3-9风荷载q、“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=骞=-1.91x62/(2x27)kN=-1.27kN

£1.91x6x1x(2-222^)kN=8.79kN

2222

HA=(1.91X6-8.79)kN=2.67kN

MD=(8.79x6-1.91x62/2)kNm=18.36kN-m

MB=2.67x6kN*m=16.02kN*m

MC=^^[1-(1+^)(D]=1-91X6X1x[l-((l+0.225<0.9334]kN-m

44

=-2.47kN«m

2.47kN-m

图3-10风荷载q”.3作用下的M图

(5)在迎风面横梁上风荷载水平分力qw2x作用卜(见图3-11)

a=l;①(4+3〃)=0225乂(4+3x0.225)=0.0315

848x4.1678

VA=-VE=-9(24+工)=*48x1.35*(J+00315)=IJ6kN

2/2

知+。）=3.48x1.35

HA-(!+O.O315)kN=2.28kN

2

HE=(3.48X1.35-2.42)kN=2.28kN

Mc=-^[0.5^-(1+=348X135X6x[0.5x0.225-(1+0.225)x0,0315]kN-m

22

=1.04kNm

MB=2.42x6kNm=14.52kNm

MD=2.28x6kN-m=13.68kNm

图3・11风荷载q、v2、作用下的M图

（6）在背风面横梁上风荷载水平风力qmx作用下（见图3・12）

VA=-VE=-2.26X1.35/(2X27)X(2X6+1.35)kN=-0.75kN

HE=2.26x1.35(1+0.0315)/2kN=1.57kN

HA=(2.26X1.35-1.57)kN=1.48kN

Mc=2.26X1.35X6/2X(().225X0.5-1.225X0.0315)kNm=0.68kNm

MB=1.486kN-m=8.88kN-m,MD=1.576kN-m=9.42kN-m

图3-12风荷载（加小作用下的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)

q,2y34&业m

QvHy=2-26kN•in

mtttttt1tt

62.39kNm

E

、

。N

。

汪

。8

9d

、

b

图3・13左风向风荷载qw作用下的M图

必4.48<N/m

口处226kN/m

1tf1TT

62.39kN-m

26kN/mq^S.4»N/m

B/

//12O.60(Nm72.88kNm

E

N/

IX

6

AE

14.llkN

36.88kN44.3kN

图3-14右风向风荷载q”作用下的M图

30.12kN

30.12kN30.12kN

zwim

27000

图3・15风荷载q“作用下的N图

27000

图3-16左风向风荷载q、,作用下的V图

4.内力组合

(1)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，=LOo

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

①1.2X恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4X活荷载标准值计算的荷载效应；

②1.Ox恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4x风荷载标准值计算的荷载效应；

③1.2x恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4x活荷载标准值计算的荷载效应

+0.6x1.4x风荷载标准值计算的荷载效应：

④l.Ox恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4x风荷载标准值计算的荷载效应

+0.7xl.4x活荷载标准值计算的荷载效应；

⑤1.35x恒荷载标准值计算的荷载效应+0.7xl.4x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:Mmx及相应的N、V；Mmin及相应的N、Vo

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及相应的土Mmax、V；Nmin及相应

的土Mmax、Vo

内力组合见表4-1。

表4.1钢架内力组合（左半跨）

荷载组

截面内力组组合项目荷载组合项目M/kN.mN/kNV/kN

合方式

1.2x恒+1.4x

“皿及相应的N、V(1)518.97-86.5

活140.45

1.0x恒+1.4x

柱"min及相应的N、V(2)-33.312.5-22.9

风

顶

1.2X恒+1.4x

BNa及相应的士“2、V(1)518.97140.45-86.5

活

刚1.0x恒+1.4x

N.及相应的士MM、V(2)-33.312.5-22.9

架风

柱加皿及相应的N、V—————

用血及相应的N、V—————

柱

1.2x恒+1.4x

底乂_及相应的士“2、v(1)0165.65-86.5

活

A

1.0x恒+1.4x

N.及相应的±V(2)033.527.2

风

1.2x恒+1.4x

支Mnax及相应的MV(1)518.772.1125.68

活

座

刚1.0x恒+1.4x

B加向及相应的N、V(2)-33.3-12.40.89

架风

梁1.0x恒+1.4x

跨/%加及相应的MV(2)-78.4-17.93.87

风

中

1.2x恒+1.4x

cA7mhi及相应的N、V(1)-312.358.11-8.63

活

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:630XI80X17X22,

截面特性：

=180,=630,=17.0,=22.0,=179.79,

=102339,=3248.9,=23.86；

=1842.4,=204.7,=3.2()。

5.2构件验算

(1)验算刚架柱在风荷载作用下的侧移〃

==102339,=/=27000/60(X)=4.5

刚架柱顶等效水平力：

W+叱)〃=(0.87+1.91)x6kN=16.68kN

H=0.67W=0.67x16.68kN=11.18kN

11.18X103X60003

12E/J+"12x206x1()3x102339x10“(2+4.5)mm

=6.20mm<[A]=h/60=100mm

(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

抗剪验算：

梁截面最大剪力为二125.68,考虑到仅有支座加劲肋,

===0.620.8,

==586X17X125=1245=125.68kN,满足规定。

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

Mf=A”:+3f

(3042、72100

=180x22x-——+180x22x304x(310-------)

I304)17979

=820.99=518.97,取二

故=01,满足规定。

整体稳定验算：

N=72.1kN,M=518.97kN•m

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=0.4720

„:^2EAo%2x206xIO?x17979

2kN=2566.5kN,%=1.0

/K不~1.1x117.73

竺+瓦M

N、

6AZW*J外

721001.0x518.97xl06

3

0.472x179793248.9x10xfl-0.472x72.1

2566.5

=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楝条紧密连接，有蒙皮

作用，棵条可作为横梁平面外的支承点，但为安全起见，计算长度按两个楝

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。

，7=1.0,僚=1°

二43204%%I+(大丫Jo产(345)

%；叱。1汽4.4%fy

=1.269>0.6

(pb=1.07-2.82/(pbv=0.848

72.1X103,八0.85x518.97xl06

士+=--------------------F1.Ox---------------------------N/nrn3

%A0M0.593x179790.848x3248.9x103

=166.88N/mm2</=295N/mn

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:

36

_血¥72.1xIO.518.97X10X213/

-----—-±--------------------N/mm-2

皿2N/荷

-104.0

(T

%=~—^(J.=1.93

b皿

故=34.47=113.54,满足规定

梁跨中截面:

58.11xlO3.312.3X106X213

=-------------土--N---/--m--n--2----------

68.23

N/min2

-[-61.77

(T-(T-

4=吆__^=1,91

①故=34.47=112.58,满足规定

a.验算橡条集中荷载下的局部受压承载力：

b.檄条传给横梁上翼缘的集中荷载。

F=(1.2x0.42x6+1.4x0.45x6)xl.5kN=10.21kN

l.=a+5/zv+2hR=(70+5x12+0)mm=130miYi

3

于F1.0x10.21xlO2,T/2八-/.

(7=---=-----------------N/mm=4.62N/rrrrr<f=295N/mm-

,twl.17x130」

c.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,

_518.97x1()6x213

N/mm3=108.01N/mm2

T102339xlO4

VS3

125.68xlOx180x22x219N/mm2=6.26N/mm2

102339xlO4xl7

Qb"+b；-S+3-

=V1O8.O12+4.622-108.0lx4.624-3x6.262N/mm2

=106.33=354,满足规定

(4)刚架柱的验算

抗剪验算：

柱截面最大剪力为二86.5,考虑到仅有支座加劲肋，=二0.410.8.

二二58617170=693.5=86.5,满足规定。

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

(h2、

M§=A”亡+A/2用f

(2192、

=180x22x-----+180x22x219x295kN-m

I219J

=537.69.0=518.97,取=

①故二01,满足规定。

②整体稳定验算

a.构件的最大内力：=165.65,=518.97

刚架柱平面内的整体稳定性验算：

刚架柱高=6000,梁长二27135,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=2.075o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

N।0mM1

思

52.18x1O31.0x518.97xl06

352,18

0.845x17979,05x3248.9xl0xfl-0.8x

I12192.46J

b.=156.08/=295/,满足规定

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，=/二3015/32.0=94.2,b类截

面，查表得=0.593

竺她区什(必)2»)

%；叱。十人4.4%fy

=1.269>0.6

(pb=1.07・2.82/(Pby=0.848

N।及M*1165.65x103八I.0xl57.62xl06

।N/mm2

cpA、4-1.Ox------------------------------------------

x"%W-U).593x179791.Ox0.848x3248.9xlO3

=172.75N/mm2</=295N/mm2

④按《钢结构设计规范》(GB50017-2023)校核钢架柱腹板允许高厚比:

a.柱顶微面:

6

.140.45x1()3,518.97xl()XT/2167.55—9

(yf：=------------士-----------rN/mnr=<N/mm~

皿179793248.9x1()3-151.93

bmaxfnin

«0==1.91

bmax

故=34.47=128.6,满足规定

b.柱底截面:

%二°

故=34.47=117.3,满足规定

5.3节点验算

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

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=045,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：

N：=0.8P=().8x19()kN=152kN

N=&--V-f518.97x0.30572.7^kN

22

，nl<4x(0.305+0.245)8)

=99.32内VWN'；=152kN

螺栓的抗剪承载力验算：

Ny=0.9nf/JP=0.9x1x0.45x190kN

=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

①二二0.851,满足规定

端板厚度验算：

端板厚度取=20,按二边支撑类端板计算：

信力+2ekf+

6X40X46X99.32X103

mm=15.66inm

[46xl80+2x40x(40+46)]x295

梁柱节点域的剪应力验算:

dhdctc586x586x10

=151.12N/mm2</,=180TV/mm2满足规定。

螺栓处腹板强度验算：

zMy2N(518.97x0o24572.77

ZX"l4x(0.3052+0.2452)8)

0.4P=0.4x190kN=76kN

=//,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,每人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:

N；=0.8P=0.8x155kN=124kN

N_My、N_(312.3X0.30558.11]

"丁14x(0.3052+0.2452)8-J

=118.33kN<N：=124kN

螺栓的抗剪承载力验算：

N；=0.9〃/〃P=0.9x1x0.45x155kN

=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

②==0.971,满足规定

端板厚度验算：

端板厚度取=18,按二边支撑类端板计算:

-恨方+2/6+4,)]/

I6x40x46x118.33xlO?

=17--------------------------7-----------vi--------mm=17.10mm

V[46x180+2x40x(40+46)]x295

螺栓处腹板强度验算：

N(312.3x0o24558.11^1

丁一14x(0.3052+O.2452)8-JkN=57.72kN

<0.4P=0.4x155kN=62kN

/,满足规定

(3)柱脚设计(见图5-3)

图5-3刚架柱较接

①刚架柱与基础较接，采用平板式较接柱脚。

②柱脚内力设计值：=165.65,相应的=86.5；

③=33.5,相应的=27.2o

④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。

⑤柱脚底板面积和厚度计算。

a.柱脚底板面积拟定

么nin=d+2E+2c=[180+2x22+2x20]mm=224mm

Z?inax=Z?()+2r4-2c=[1804-2x224-2x50]mm=324mm

b—300mm

〃min=A+2r+2c=[630+2x224-2x20]mm=714mm

/?max=/?()4-2f4-2c=[630+2x22+2x50]mm=774mm

取〃=730mm

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：==/

=0.75N/mm2<加1=9.6N/mm2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

M=—or/：'=—xO.75x1762N•m=i1616N•m

242

对于悬臂板部分：