建筑钢结构课程设计单层单跨门式钢架厂房设计及计算书.doc

目 录
一、设计资料.....................................................4 二、结构布置.....................................................4 三、内力计算.....................................................5
3.柱截面设计...................................................33 4.柱截面验算...................................................34 六、节点设计 37
1.梁柱连接 37
2.斜梁连接 39

1.计算模型.....................................................5
2.内力计算.....................................................6 3.各荷载工况内力图.............................................23 四、内力组合.....................................................27 五、构件截面设计.................................................29 1.梁截面设计...................................................29
2.梁截面验算...................................................30
3.柱脚计算...................................................41 七、参考文件.....................................................44

一、 设计资料
1.1 设计参数
车间柱网布置为长度90m、柱距分别为6m、跨度18m、柱高6m；屋面坡度1:10；屋面材料
为压型钢板；墙面材料为彩钢板；天沟使用彩板天沟或钢板天沟。 基础混凝土为C25， fc =12.5N/mm 2。钢材采取Q235B 钢， f=215N/mm 2，fv =125N /mm 2 。
1.2 设计荷载

18000

恒载：有吊顶 0.4kN /m 2 活载：不上人 0.3kN /m 2
风载：基本风压0.55kN/m 2，地面粗糙度为B 类，风载体型系数以下列图1-1所表示。
图1-1 计算模型及风载体形系数
二、 结构布置
厂房跨度为90m，可不设置温度缝。屋面支撑、柱间支撑、拉条和墙梁布置如图2-1、2-2、
2-3、2-4所表示。
图2-1 屋面水平支撑布置图

图2-2 柱间支撑布置图
图2-3 拉条布置图
图2-4 墙梁布置图
一、内力计算
3.1 计算模型
内力计算模型如图3-1所表示。
图3-1 节点及单元编号图
3.2 内力计算 3.2.1恒载作用

恒载作用下计算简图如图3-2所表示：
图3-2 恒载计算简图
0.4´6
g==2.4kN /m cosq 采取查表法计算

f 0.9
y= = =0.15 h 6 l 18
l= = =3.00
h 6
s= 92 +12 =9.05
h I 6
设I1=I2 k=s´I1 =9.05´1=0.663
2
m=3+k+y(3+y)=3+0.663+0.15´(3+0.15)=4.136
F=8+5´0.15=0.529

4´4.136
1 1
M =M =- ql2F=- ´2.40´182 ´0.529=-51.419kN×m
1 2 8 8
1 1
M = ql2[1-(1+y)F]= ´2.40´182 ´[1-(1+0.15)´0.529]=38.08kN×m
5 8 8
M +M 1 l
M = 1 2 + q( )2 =8.76kN ×m 中 2 8 2 ql 2.4´18
V =V = ==21.600KN
A B 2 2
1 1
H =H = qllF= ´2.4´18´3´0.529=8.57KN
A B 8 8

恒载作用下弯矩图如图3-3所表示：
1
2
3
4
5
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-51.41
-51.41
38.08
38.08
-51.41
)
(
m
kN
M
×

-51.41

1
2
3
4
5
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-8.57
20.64
-0.85
0.85
-20.64
)
(
kN
V

8.57

1
2
3
4
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-21.60
-8.53
-8.53
-21.60
)
(
kN
N

-10.68 -10.68
5

图3-3 恒载作用下内力图
3.2.2活载作用

1.8

活载作用下计算简图如图3-4所表示：
图3-4 活载计算简图
0.30´6
q==1.80kNm
cosq 采取查表法计算

由屋面恒荷载计算已得出y=0.15，Φ=0.529，λ=3.00
ql 1.8´18
V =V = ==16.20kN
Α B 2 2
ql 1.8´18
H =H = λΦ=´3.00´0.529=6.43kN
A B 8 8

M = 2 [1-(1+ψ)Φ]=1.8´182 [1-(1+0.15)´0.529]=28.56kN×m ql
5 8 8
ql2 1.8´182
M =M =- Φ=-´0.529=-38.56kN×m 1 2 8 8
活载作用下弯矩图如图3-5所表示：
1
2
3
4
5
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-38.56
-38.56
28.56
28.56
-38.56
)
(
m
kN
M
×

-38.56

1
2
3
4
5
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-6.43
15.48
-0.64
0.64
-15.48
)
(
kN
V

6.43

2
3
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-16.20
-6.39
-6.39
-16.20
)
(
kN
N

4
-8.01 -8.01
1 5

图3-5 活载作用下内力图

3.2.3风载作用
3.2.3.1左风作用下（采取查表法计算）
w =0.55kN /m 2
0
柱顶：μ=1.00
z
屋顶：μ=1.00
z
w =βμμw
k z z s 0
q =w ´B =1´1´0.25´0.55´6=0.825kN /m
1 k1
q =w ´B =1´（-1）´1´0.55´6=-3.3kN /m
2 k2
q =w ´B =1´(-0.65)´1´0.55´6=-2.145kN /m
3 k3
q =w ´B =1´(-0.55)´1´0.55´6=-1.815kN/m
4 k4

风载作用下计算简图如图3-6和图3-7所表示。
图3-6 左风
图3-7 右风

(1) 左柱风载q 作用下
1
由屋面恒荷载计算已得出ψ=0.15，λ=3，μ=4.13 q =0.825kN/m
1
1 1
Φ= [6(2+ψ+k)-k]=´[6´(2+0.15+0.66)-0.66]=0.981
4μ 4´4.13
qh2 0.825´62
VA =-VB =-12l =- 2´18 =-0.825kN
qh Φ 0.825´6 0.
H A =-21 (1+1-2）=- 2 ´（2- 2 )=-3.74kN
qh Φ 0.825´6 0.981
H B =-21 (1-1-2）=- 2 ´（- 2 )=1.214kN
qh2 0.825´62
M 1=14 (1+1-Φ）= 4 ´（2-0.981)=7.566kN×m
qh2 0.825´62
M 2 =14 (1-1-Φ）= 4 ´（-0.981)=-7.284kN×m
qh2 0.825´62
M = 1 [1-(1+ψ)Φ]=´（1-(1+0.15)´0.981)=-0.952kN×m
5 4 4
M +M
左侧跨中：M 中1= 12 5 =3.307kN×m
M +M 右侧跨中: M = 2 5 =4.118kN×m 中2 2
左柱风载q 作用下计算简图和内力图，以下列图3-8，3-9所表示。
1
图3-8 q 作用下计算简图
1

2
3
4
(
1
)
(
2
)
(
3
)
7.57
8.43
-0.95
-0.95
-7.28
(
)
m
N
M
×
k

-7.28
7.57
( 4 )

1 5

2
3
4
(
1
)
(
2
)
(
3
)
3.74
-1.21
-0.94
-0.70
(
)
kN
V

( 4 )
1.21
1 5

1
2
3
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
0.83
-1.12
-1.29
-0.83
(
)
kN
N

4
5

图3-9 q 作用下内力图
1
(2) 右柱风载q 作用下
4
q =+1.815kN /m
4
1 1
Φ= [6(2+ψ+k)-k]=´[6´(2+0.15 +0.66)-0.66]=0.981
4μ 4´4.13
q h2 1.815´62
V B =-V A =- 42l =- 2´18 =-1.815kN
q h Φ 1.815´6 0.981
H B =-24 (1+1-2）=- 2 ´（2- 2 )=-8.222kN
q h Φ 1.815´6 0.981
Η =- 4 (1-1- ）=-´（- )=2.672kN A 2 2 2 2
q h2 -1.815´62
M 1= 44 (1+1-Φ）= 4 ´（-0.981)=16.025kN×m
q h2 -1.815´62
M 2 = 44 (1-1-Φ）= 4 ´（2-0.981)=-16.65kN×m
q h2 -1.815´62
M 5 = 44 [1-(1+ψ)Φ]= 4 ´（1-(1+0.15)´0.981)=2.0934kN×m
M +M
左侧跨中：M = 1 5 =9.06kN×m
中1 2
M +M
右侧跨中: M = 2 5 =-7.28kN×m
中2 2
右柱风载q 作用下计算简图和内力图，以下列图3-12，3-13所表示
4
图3-13 q 作用下计算简图
4

2
3
4
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
16.01
2.08
-16.66
2.08
(
)
m
kN
M
×

-16.66
16.01
-18.55
1 5

2
3
4
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
2.67
-1.54
-2.07
-2.67
(
)
kN
V

1 5 8.22

2
3
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
1.82
2.84
2.47
-1.82
(
)
N
N
k

4
1 5

图3-13 q 作用下内力图（M,N,V）
4
(3) q 作用下
2
分解成水平均布荷载q=3.3kN /m 后计算内力： ψ=0.15,μ=4.13,λ=3,f=0.9,h =6
ψ 0.15
Φ= (4+3ψ)=´（4+3´0.15）=0.02 8μ 8´4.13
qf 3.3´0.9
VA=-VB =-2l(2h+f)=-2´18(2´6+0.9)=-1.183kN
qf 3.3´0.9
H A =-2 (1+Φ）=- 2 ´（1+0.02)=-1.5147kN
qf 3.3´0.9
H B =-2 (-1+Φ）=- 2 ´（-1+0.02)=1.4553kN
qfh 3.3´0.9´6
M 1 = 2 (1+Φ）= 2 ´（1+0.02)=9.088kN×m
qfh 3.3´0.9´6
M 2 =2 (-1+Φ）= 2 ´（-1+0.02)=-8.732kN×m
qfh æ aö 3.3´6´0.9 (1-0.5)-(1+0.15)´0.02)=-0.463kN×m
M =- [ψç1- ÷-(1+ψ)Φ]=-´（0.15´
5 2 è 2ø 2

风载q 水平分荷载作用下计算简图和内力图，以下列图3-14、3-15所表示
2
图3-14 q 水平分荷载计算简图
2

4
2
3
(
1
)
(
2
)
(
3
)
-9.09
-9.09
0.46
0.46
8.73
(
)
m
kN
M
×

8.73
( 4 )

1 5

2
3
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-1.51
0.91
1.20
0.91
-1.46
(
)
kN
V

4
1 5

1
2
3
4
5
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-1.06
1.34
-1.61
1.55
(
)
kN
N

1.06

图3-15 q 水平分荷载内力图
2
分解成竖向均布荷载q=-3.30kN/m 后计算内力：
α=0.5
1 1
Φ= (8+5y)=´(8+5´0.15)=0.134 16m 16´4.13 ql2
M = [a2 -(1+y)F]
5 4
3.30´182
=[0.52 -(1+0.5)´0.134]=26.18kN m
4 α=0.5,l=18m,q=-3.30kNm,φ=0.134,ψ=0.175,μ=4.13,λ=3.5,f=1.05

A qlα(2-α)=-3.30´18´0.5(2-0.5)=-22.27kN V =
2 2
qlα2 -3.30´18´0.52
V B = 2 = 2 =-7.43kN
ql -3.30´18
H =H = λΦ=´3.00´0.134=-5.89kN
A B 4 4
ql2 -3.30´182
M =M =- Φ=-´0.134=35.34kN×m
1 2 4 4
M =ql2 [α2 -(1+ψ)Φ]=-3.30´182 [0.52 -(1+0.15)0.134]=-26.18kN×m
5 4 4
风载q 竖向分荷载作用下计算简图和内力图，以下列图3-16、3-17所表示 2
2
3
4
(
1
)
(
2
)
(
3
)
m
kN
q
3
.
3
2
=

( 4 )
1 5

图3-16 q 竖向分荷载作用下计算简图 2

4
2
3
(
1
)
(
2
)
(
3
)
35.34
35.34
-26.18
-35.79
-26.18
35.34
)
(
m
kN
M
×

35.34
( 4 )
1 5

2
3
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
5.89
-21.58
7.97
6.80
-5.89
)
(
kN
V

4
1 5

1
2
3
4
5
(
1
)
(
2
)
(
3
)
22.27
5.12
8.08
6.60
)
(
kN
N

( 4 )
7.43

图3-17 q 竖向分荷载作用下内力图
2
(4) q 作用下
3
分解成水平均布荷载q=2.145kN/m 后计算内力：
ψ 0.15
Φ= (4+3ψ)=´（4+3´0.15）=0.02
8μ 8´4.13
qf 2.145´0.9
-V =V =- (2h+f)=-(2´6+0.9)=-0.769kN
A B 2l 2´21 qf 2.145´0.9
H =- (-1+Φ）=- ´（-1+0.02)=0.946kN
A 2 2
qf 2.145´0.9
H =- (1+Φ）=- ´（1+0.02)=0.985kN
B 2 2
qfh 2.145´0.9´6
M = (-1+Φ）= ´（-1+0.02)=-5.976kN×m
1 2 2
qfh 2.145´0.9´6
M = (1+Φ）= ´（1+0.02)=5.907kN ×m 2 2 2
qfh æ aö 2.145´6´0.9 (1-0.5)-(1+0.15)´0.02) M =- [ψç1-÷-(1+ψ)Φ]=- ´（0.15´
5 2 è 2ø 2
=-3.012kN ×m
风载q 水平分荷载作用下计算简图和内力图，以下列图3-18、3-19所表示
3
图3-18 q 水平分荷载作用下计算简图
3
1
2
3
4
5
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
5.69
5.69
0.30
-5.92
-5.92
(
)
m
N
M
×
k

1
2
3
4
5
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
0.95
-0.60
-0.78
-0.59
(
)
N
V
k

0.99

4
2
3
(
1
)
(
2
)
(
3
)
0.69
1.01
0.87
(
)
N
N
k

-1.05
-0.69( 4 )
1 5

图3-19 q 水平分荷载作用下内力图
3
分解成竖向均布荷载q=-3.30kN/m 后计算内力：
α=0.5
1 1
Φ= (8+5y)=´(8+5´0.15)=0.134 16m 16´4.13 ql2
M = [a2 -(1+y)F]
5 4
3.30´182
=[0.52 -(1+0.5)´0.134]=26.18kN m
4 α=0.5,l=18m ,q =-3.30 kN m ,φ=0.134, ψ=0.175, μ=4.13, λ=3.5,f=1.05
VA =qlα(2-α)=-3.30´18´0.5(2-0.5)=-22.27kN
2 2
qlα2 -3.30´18´0.52
V = ==-7.43kN
B 2 2
ql -3.30´18
H =H = λΦ=´3.00´0.134=-5.89kN
A B 4 4
ql2 -3.30´182
M =M =- Φ=-´0.134=35.34kN×m
1 2 4 4
M =ql2 [α2 -(1+ψ)Φ]=-3.30´182 [0.52 -(1+0.15)0.134]=-26.18kN×m
5 4 4
风载q 竖向分荷载作用下计算简图和内力图，以下列图3-16、3-17所表示
2
2
3
4
(
1
)
(
2
)
(
3
)
m
kN
q
3
.
3
2
=

( 4 )
1 5

图3-16 q 竖向分荷载作用下计算简图
2

4
2
3
(
1
)
(
2
)
(
3
)
35.34
35.34
-26.18
-35.79
-26.18
35.34
)
(
m
kN
M
×

35.34
( 4 )
1 5

2
3
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
5.89
-21.58
7.97
6.80
-5.89
)
(
kN
V

4
1 5

1
2
3
4
5
(
1
)
(
2
)
(
3
)
22.27
5.12
8.08
6.60
)
(
kN
N

( 4 )
7.43

图3-17 q 竖向分荷载作用下内力图
2

3.2.3.2右风作用与左风作用产生内力为对称关系，步骤省略。

3.3 各荷载工况内力
计
算
项
目

计算简图及内力值
(
M
、
N
、
Q)
备
注

恒

载

作

用

1
2
3
4
5
)
1
(
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-51.41
-51.41
38.08
38.08
-51.41
-51.41

恒载下弯矩

弯
矩
图

1
2
3
4
5
(
1
)
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-8.57
20.64
-0.85
0.85
-20.64
8.57

恒载下剪力

1
2
3
4
5
1
)
(
)
(
2
)
(
3
(
4
)
-21.60
-8.53
-10.68
-10.68
-8.53
-21.60

恒载下轴力（忽略柱自重）

剪
力
图

轴
力
图

拉
正
压
负

活

荷

载

作

用

1
2
3
4
5
)
1
(
(
2
)
(
3
)
(
4
)
-38.56
-38.56
28.56
28.56
-38.56
-38.56

活荷载
(
标准值

)
弯矩图

1
2
3
4
5
(
1
)
(
)
2
3
)
(
(
4
)
-6.43
15.48
-0.64
0.64
-15.48
6.43

活荷载
(
标准值
)
剪力图

弯
矩
图

剪
力
图

1
2
3
4
5
)
1
(
(
2
)
(
3
)
)
(
4
-16.20
-6.39
-8.01
-8.01
-6.39
-16.20

活荷载
(
标准值
)
轴力图

轴
力
图

拉
正
压
负

风

荷

载

作

用

1
2
3
4
5
)
(
1
2
)
(
(
3
)
)
(
4
78.55
78.55
-41.34
-41.50
-41.34
37.24
-41.40
37.24

风荷载
(
标准值
)
弯矩图

弯
矩
图

1
2
3
4
5
)
1
(
2
(
)
)
(
3
4
(
)
15.57
10.62
-28.18
1.67
-1.04
18.41
-11.65
-0.76
.

风荷载
(
标准值
)
剪力图

1
2
3
4
5
(
1
)
)
(
2
(
3
)
4
)
(
29.38
13.49
13.55
19.67
风荷载
(
标准值
)
轴力图

剪
力
图

轴
力
图

拉

正
压
负

二、内力组合
按承载能力极限状态进行内力分析，门式钢架荷载效应通常有可变荷载控制，则荷载效应组合值从以下组合值中取最不利值确定：
A．1.2×恒荷载标准值计算荷载效应+1.4×活荷载标准值计算荷载效应
B．1.2×恒荷载标准值计算荷载效应+1.4×左风荷载标准值计算荷载效应 C．1.2×恒荷载标准值计算荷载效应+1.4×右风荷载标准值计算荷载效应 本工程不进行抗震验算。最不利内力组合计算控制截面取柱底、柱顶、梁端及梁跨中截面，对于刚架梁，截面可能最不利内力组合有： 梁端截面：(1)M max 及对应N 、V ； (2)M min 及对应N 、V 梁跨中截面：(1)M max 及对应N 、V ； (2)M min 及对应N 、V 对于刚架柱，截面可能最不利内力组合有：
(1)M max 及对应N 、V ； (2)M min 及对应N 、V (3)N max 及对应±M max 、V ； (4)N min 及对应±M max 、V

因为结构对称，取五个控制截面进行设计，以下列图：

内力组合见下表一：表一：各情况作用下截面内力表组合一 组合二 组合三 组合四
截面 内力 ①恒载 ②活载 ③左风 ④右风
M 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 一 N -21.60 -16.20 29.38 19.67 -48.60 15.21 -23.92 -0.66 V -8.57 -6.43 15.57 -0.76 -19.29 11.51 -6.21 5.21
M -51.41 -38.56 78.55 37.24 -115.68 48.28 -49.69 10.49 二 N -21.60 -16.20 29.38 19.67 -48.60 15.21 -23.92 -0.66 V -8.57 -6.43 10.62 -11.65 -19.29 4.58 -10.37 -1.72
M -51.41 -38.56 78.55 37.24 -115.68 48.28 -49.69 10.49 三 N -10.68 -8.01 13.49 13.55 -24.03 6.07 -12.70 -1.78
V 20.64 15.48 -28.18 18.41 46.44 -14.68 22.77 0.49 四 M 17.63 13.22 -15.14 -24.03 39.66 -0.04 26.95 12.92
N
-9.60

-7.20

13.49
13.56

-21.60

7.37

-10.27

0.31
V
9.89

7.42
-13.26

18.69

22.26

-6.70

11.12

0.58

五

M

38.08
28.56

-41.34
-41.34

85.68

-12.18

50.95

15.81

N

-8.53
-6.39

13.49

13.55

-19.18

8.65

-7.85

2.39

V

-0.85
-0.64

1.67

-1.04

-1.92

1.32

-0.51

0.69

备注：

组合一：1.2×①+1.4×②

组合二：1.2×①+1.4×③

组合三：1.2×①+1.4×②+1.4×0.6×③

组合四：1.2×①+1.4×0.7×②+1.4×③

五、构件截面设计
5.1 梁截面设计

cm
9
.
37
30
913
7
30
7
3
3
x
e
=
-
×
=
-
×
=
W
h

取
mm
420
=
h

翼缘宽度为
h
b
)
3
1
~
5
1
(
=
，取
mm
b
120
=
，
mm
t
10
=

腹板厚度
w
t
：
mm
h
t
w
w
86
.
1
11
=
=
，取
mm
t
w
8
=

选取
235
Q

10
8
120
420
´
´
´
H
，图
5-1
为所选截面。

截面特征：

2
5600
8
400
2
10
120
mm
A
=
´
+
´
´
=

4
8
3
3
10
44
.
1
400
112
12
1
420
120
12
1
mm
I
x
´
=
´
´
-
´
´
=

图
5-1

梁截面尺寸

梁上最不利内力值：M =-115.68KN •M N =-24.03KN V=46.44kN 按强度条件选取截面
M 115.68´106
W ³ ==6.90´105mm 3
x γ×f 1.05´215
x
初选截面：
[ω] 1 h 1 l 9045
= ，查表有 min ³ Þhmin ³24=24 =378mm l 250 l 24
1 1
Iy =12´1203´10´2+12´400´83 =2.89´106mm 4