【最新版】钢结构毕业课程设计计算书参考
设计资料
xxx市某单层工业厂房，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度21m，柱距6m，柱高6m，屋面坡度110，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，檩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Q235钢，焊条采用E43型。
（a）
（b）
一、荷载计算
1、荷载取值计算
（1）屋盖永久荷载标准值
彩色压型钢板0.15 kNm2
50 mm厚保温玻璃棉板0.05 kNm2
pvc 铝箔及不锈钢丝网0.02 kNm2
檩条及支撑0.10 kNm2
刚架斜梁自重0.20 kNm2
悬挂设备0.20 kNm2
合计0.72 kNm2
（2）屋面可变荷载标准值
屋面活荷载：对不上人屋面一般按0.5 kNm2取用。
=0.45 kNm2，对于单跨双坡屋面，屋面坡雪荷载：查《建筑结构荷载规范》哈尔滨市，S
角αμz S k=10.45 kNm2=0.45 kNm2
取屋面活荷载与雪荷载中的较大值0.5 kNm2，不考虑积灰荷载。
（3）轻质墙面及柱自重标准值
0.50 kNm2
（4）风荷载标准值
按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002附录A的规定计算。基本风压ω0=1.050.55 kNm2=0.58 kNm2，地面粗糙度类别为B类；风荷载高度变化系数按《建筑用，μz=1.0。风荷载体型系数μs：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(CECS102：2002中间区)。
2.各部分作用的荷载标准值计算
（1）屋面
恒活载标准值：0.726 kNm=4.32 kNm
活荷载标准值：0.506 kNm=3.00 kNm
（2）柱荷载
恒荷载标准值：（0.5+4.3210.5）kNm=63.36 kN
活荷载标准值：3.0010.5 kNm= 31.50 kN
（3）风荷载标准值
迎风面：柱上q w1=0.5860.25 kNm=0.87 kNm
横梁上q w2=-0.5861.0 kNm=-3.48 kNm
背风面：柱上q w3=-0.5860.55 kNm=-1.91 kNm
横梁上q w4=-0.580.65 kNm=-2.26 kNm
二．各种荷载作用下的内力分析
1.在恒荷载作用下
图2.1 恒荷载作用下的M图
图2.2 恒载作用下的N图
图2.3 恒载作用下的V图
2.在活荷载作用下
图2.4 在活荷载作用下M图
图2.5 在活荷载作用下N图
图2.6 在活荷载作用下V图
3.在风荷载作用下
图2.7 在左风向风荷载作用下M图
图2.8 在左风向风荷载作用下N图
图2.9 在左向风荷载作用下V图
刚架的内力图正负号规定：弯矩图以刚架外侧受拉为正，轴力图以杆件受拉为正，剪力以绕杆端顺时针方向为正。
三．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：。本工程结构构件安全等级为二级，。
⑴对于基本组合，荷载效应组合的设计值S从下列组合之中取最不利值确定：
①1.2×恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4×活荷载标准值计算的荷载效应；
②1.0×恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4×左风荷载标准值计算的荷载效应；
③1.0×恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4×右风荷载标准值计算的荷载效应；
④1.2×恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4×活荷载标准值计算的荷载效应+0.6×1.4×
左风荷载标准值计算的荷载效应
⑤1.2×恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4×活荷载标准值计算的荷载效应+0.6×1.4×
右风荷载标准值计算的荷载效应
⑥1.2×恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4×左风荷载标准值计算的荷载效应
+0.6×1.4×活荷载标准值计算的荷载效应
⑦1.2×恒荷载标准值计算的荷载效应+1.4×右风荷载标准值计算的荷载效应
+0.6×1.4×活荷载标准值计算的荷载效应
⑧1.35×恒荷载标准值计算的荷载效应+0.7×1.4×活荷载标准值计算的荷载效应
本工程不进行抗震验算。最不利内力组合得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，截面最不利的内力组合如下。
梁端截面：M max及相应的N、V、M min及相应的N、V。
梁跨中截面：M max及相应的N、V、M min及相应的N、V。
对于刚架柱，截面可能的最不利内力组合有：
M max及相应的N、V，M min及相应的N、V；N max及相应的±M max、V，N min相应的±M max、V。
刚架内力组合（左半跨）见表3.1。
表3.1刚架内力组合（左半跨）
截面内力组合项目荷载组合
方式
荷载组合项目M kN.m N kN V kN
刚架柱柱
顶
B
M max及相应的N、V （1） 1.2×恒+1.4
×活
278.29 -75.69 -46.38
M max及相应的N、V （2） 1.0×恒+1.4
×风
-15.08 22.67 -1.67
N max及相应的±M max、V （2） 1.0×恒+1.4
×风
15.08 22.67 -1.67
N min及相应的±M max、V （1） 1.2×恒+1.4
×活
278.29 -75.69 -46.38
柱
底
A
M max及相应的N、V —————
M max及相应的N、V —————
N max及相应的±M max、V （2） 1.0×恒+1.4
×风
0 -120.13 -46.38
N min及相应的±M max、V （1） 1.2×恒+1.4
×活
0 -14.93 6.17
刚架梁支
座
B
M max及相应的N、V （1） 1.2×恒+1.4
×活
278.29 -79.48 93.43
M max及相应的N、V （2） 1.0×恒+1.4
×风
-15.08 -20.43 -3.16
支 座 C M max 及相应的N 、V （2） 1.0×恒+1.4×风 -14.82 3.68 3.116 M max 及相应的N 、V
（1）
1.2×恒+1.4×活
-190.31
-46.15
-4.62
四．刚架设计
1. 截面设计
初选梁柱截面均用焊接工字钢。截面特性： 2．构件验算： （1）构件宽厚比验算 翼缘部分： =12012=10< 腹板部分： =57610=57.6<
（2）刚架梁的验算
A.抗剪验算
梁截面最大剪力为=93.43 kN ，考虑到仅有支座加劲肋，， =57610125720KN w w v h t f =??=>V max=93.43 kN ，满足要求。 B.弯、剪、压共同作用下的验算
取梁段截面进行验算，N=79.48 kN ，V=93.43 kN ，M=278.29 kNm 。 因V<0.5，取V=0.5，按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）验算
2
294(2501225012294)215294
=??+??? 379.26 kNm>M=278.29 kNm,取M=
故 2
(1)010.5f u eu f M M V V M M --+=<-,满足要求。
C.整体稳定性验算
N=79.48 kN ， M=278.29 kNm 。
梁平面内的整体稳定性验算：计算长度取横梁长度=21105 mm ， ==87.94<[]=150，b 类截面，查表得0.728。
22'
eo 0
22
20611760
1.1 1.187.94
Ex x EA N
ππλ?==?kN=2808 kN 。 631'
1.0278.29107948079.480.72811760(1)2259.810(10.728)
2808mx x x x x Ex M N N A W N β????+=+?-??-?
=135.02，满足要求。
梁平面外的整体稳定性验算：计算长度取=3015mm 。对于等截面构件，
0,1,/58.43s w y oy y l i γμμλ=====，b 类截面，查表得=0.701。
1422223432023543201176057658.4312235
[()()()]1()()
4.458.432259.810 4.4576235
y s b y x w y t Ah W h f λμ?λμ???=+=+???
=3.93〉0.6 取0.998≤1.0。
6'31278.291079480
0.701117602259.8100.998
t x y b x M N A W β???+=+
??? 133.04<，满足要求。
D.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：
36max 22
min
4
79.4810278.2910288125.416.76118.64N/mm N/mm 1176067794.0510111.88σ
???=±=±=?-
故
0023557.6(480.526.2)108.49w y
h t f αλ=<+-=，满足要求。 梁跨中截面：
36max 22
min
4
46.1510190.311028884.773.9280.85N/mm N/mm 1176067794.051076.93
σ
???=±=±=?-
故
0023557.6(480.526.2)109.45w y
h t f αλ=<+-=，满足要求。 E.验算檩条集中荷载下的局部受压承载力 a ．檩条传给横梁上翼缘的集中荷载
(1.20.276 1.4 3.00) 1.5KN 9.21KN F =??+??=
52(70512)130mm z y R l a h h =++=+?= <
b ．验算腹板上边缘处的折算应力
取梁端截面处的内力M=278.29 kNm ，N=79.48 kN ，V=93.43 kN 。
62
14
278.2910288118.22N /m m 67794.0510x My I σ??===? 324
93.4
3102501229412.15N /m m 67794.051010
x w VS I t τ????===?? 2222223118.227.087.08118.22312.15c c σσσστ+-+=+-?+?
<，满足要求。 （3）刚架柱的验算
A.抗剪验算
柱截面的最大剪力是=46.38kN ，考虑到仅有支座加劲肋，， =57610125720KN w w v h t f =??=>，满足要求。 B.弯、剪、压共同作用下的验算
取柱端截面进行验算N=75.69 kN ，V=46.38 kN ，M=278.29 kN ?m 。 因V <0.5，取V =0.5，按《钢结构设计规范》（GB50017—2003）验算
2
294(2501225012294)215294
=??+??? 379.26 kN ?m >M=278.29 kN ?m 取M= 故 2(1)010.5f u eu f
M M V
V M M --+=<-,满足要求。 C.整体稳定验算
构件的最大内力：N=120.13 kN ，M=278.29 kN ?m a.刚架柱平面内的整体稳定性验算 刚架柱高
H=6000mm ，梁长
L=21105
mm ，柱的线刚度
453
1/67794.0510/6000 1.129910C k I h mm ==?=?，
梁
的
线
刚
度
4432/67794.510/210552.5 3.21210b k I l mm ==??=?， 0.284，查表得柱的计算长度系数。
刚架柱的计算长度
0.85 3.0766********ox l h mm mm
αμ==??=。
[]/10681/24065.36150x ox x l i λλ===<=，b 类截面，查表得。
223'
22
20610117601.1 1.165.36Ex x EA N
N ππλ??==?=5082.96kN ， 631'0 1.0278.2910120130120.130.77211760(1)2259.810(10.772)5082.96
mx x x x x Ex M N N A W N β????+=+?-??-?
=138.67，满足要求。 b.刚架柱作用平面外的整体稳定性验算 计算长度。
对等截面构件，0,1,/58.43s w y oy y l i γμμλ=====，b 类截面，查表得=0.701。 142
22234320
23543201176057658.4312235[()()()]1()()
4.458.432259.8104.4576235
y s b y x w y t Ah W h
f λμ?λμ???
=
+=+???
=3.89>0.6
取0.998≤1.0。 2
''
00
1.00.75()0.977t Ex Ex N N N N β=-
+= 6310.977278.2910120130
135.130.701117602259.8100.998
t x y b x M N A W β????+=+=???< 满足要求！
（4）验算刚架在风荷载作用下的侧移
14/21000/6000 3.5,=+18.78kN t c b I l I h W h ξωω====（），
刚架柱顶等效水平力：0.670.6718.7812.58kN H W ==?=
333
34
12.58106000(2)(2 3.5)12122061067794.0510t c Hh EI μξ??=+=?+???? <[]=
3．节点验算： （1）梁柱连接节点 A.螺栓强度验算
梁柱节点采用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=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=79.48kN ，V=93.43kN ，M=278.29kN m 。
图5.1 刚架柱与刚架梁的连接节点
螺栓抗拉承载力验算：
·
12222278.290.3679.48
115.564(0.360.2280.153)12
t i My N N y n ?=
-=-=∑?++kN < 152 kN 螺栓抗剪承载力验算：
0.90.910.4519076.95KN b v f N n P μ==???=>，满足。
最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算：
7.79115.5676.95152v t b b
v t N N N N +=+=0.861<1，满足要求。 B.端板厚度验算
端板厚度取t=30 mm ，按二边支撑类端板计算:
3666060115.561029.00[2()]60250260(6060)205
f w t
w f f w e e N t mm e b e e e f ????≥==++?+??+?
C.梁柱节点域的剪应力验算
62278.291083.88N/mm 57657610b c c M d d t τ?===??< 125，满足要求。
D.螺栓处腹板强度验算
[]222222278.290.22879.48
kN 70.76kN 4(0.360.2280.153)12
t i My N N y n ?=
-=-=∑?++<0.4P=76.0kN 。
3276100.4126.67N/mm 6010w w P e t ?==?<，满足要求。 （2）横梁跨中节点 A.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=0.45，每个高强螺栓的预拉力是155 kN ，连接处传递内力设计值：N=46.15 kN ，V=4.62 kN ，M=190.31 kN ?m 。
（a ） （b ）
图5.2 刚架梁跨中节点
螺栓抗拉承载力验算：
12222
190.310.3646.15
79.714(0.360.2280.153)12
t i My N N y n ?=
-=-=∑?++kN< 螺栓抗剪承载力验算：
0.90.910.45155kN 62.76kN b
v f N n P μ==???=>，满足
最外排一个螺栓的抗剪、抗拉承载力验算 0.649<1，满足要求。
B.端板厚度验算
端板厚度取t=25 mm ，按二边支撑类端板计算
3
126606079.711024.09mm [5()][60250260(6060)]205
f w t
w f f w e e N t e b e e e f ????≥==++?+??+?
C.螺栓处腹板强度验算
22222190.310.22846.15
49.074(0.360.2280.153)12
t i My N N y n ?=
-=-=∑?++kN<0.4P=62 kN 。 3262100.4103.33N/mm 6010w w P e t ?==?<，满足要求。 （3）柱脚设计
刚架柱与基础铰接，采用平板式铰接柱脚。 a.柱脚内力设计值：,;。
b.由于柱脚剪力较小， <，故一般不考虑剪力键；但经计算在设置柱间支撑的开间必须设置剪力键。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，按构造要求设置锚栓即可，采用4M27。
c.柱脚底板面积和厚度计算。
图5.3 刚架柱铰接
A.柱脚底板面积确定
022502(20
50)b b c =+=+?-=290—350mm ，取b=320mm 026002(20
50)h h c =+=+?-=640—700mm ，取h=660mm 底板布置如图，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：3
120.13100.57320660
N bh σ?===?<，满足要求。 B.底板厚度的确定
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：21/120/5760.2080.3b b ==<
按悬臂板计算：2
24
110.57155N m 6832.68N m 22M a σ==???=? 对于悬臂板部分：2
24
110.5730N m 256.5N m 22
M a σ==???=? 底板厚度：max 6/66832.68/21513.81mm t M f ==?=，取t=20 mm 。
五．其他构件设计
1.檩条设计
檩条选用冷弯薄壁卷边槽型钢（见图5.1），按单跨简支构件设计。屋面坡度110， 檩条跨度6m,于跨中设一道拉条，水平檩距1.5m ，材质为刚才Q235。
图5.1 冷弯薄壁卷槽型钢截 （1）荷载及内力
考虑永久荷载与屋面荷载的组合为控制效应。 檩条线荷载标准值：
()0.270.5 1.5kN m 1.155kN m k p =+?= 檩条线荷载设计值：
()1.20.27 1.40.5 1.5kN m 1.536kN m p =?+??= sin 0.153kN m,cos 1.528kN m x y p p p p αα==== 弯矩设计值：
22/8 1.5286/8kN m 6.88kN m x y M p l ==??=?
22/320.1536/32kN m 0.17kN m y x M p l ==??=? （2）截面选择及截面特性
①选用444x max 374.90cm ,41.66cm ,7.06cm;48.97cm ,x x y y I W i I W ====
33min 023.19cm ,10.02cm , 2.55cm,x 2.11cm y y W i ===。 先按毛截面计算的截面应力为
6622
133
max 6.88100.1710=N mm 172.48N mm ()41.661023.1910y x x y M M W W σ????+=+= ?????压 6622
233min 6.88100.1710=N mm 148.18N mm 41.661010.0210y x x y M M W W σ????+=-= ?????（压） 6622
333max 6.88100.1710=N mm 157.82N mm 41.661023.1910y x x y M M W W σ????+=-= ?????（拉） ②受压腹板的稳定系数
腹板: min max =/157.82/172.480.9151?σσ=-=->-
227.8 6.299.787.8 6.290.1959.780.91521.743k ??=-+=+?+?= 上翼缘板: 上翼缘板为最大压力作用于部分加劲板件的支承边,
m i n m a x =/148.18/172.480.8591
?σσ=-=
->- 225.8911.59 6.68 5.8911.590.859 6.680.8590.863c k ??=-+=-?+?= ③受压板件的有效宽度
腹板:2121.743,0.863,180mm,70mm,t=2.2mm,172.48N mm c k k b c σ===== 7021.743
1.952 1.11800.863
c c k b k ξ=
==> 板组约束系数2210.110.93/(0.05)0.110.93(1.9520.05)0.367k ξ=+-=+-= 11=2052050.36721.743/172.48 3.080k k ρσ=??= 由于,取 1.15,/(1)180/(10.915)mm 93.99mm c b b α?==-=+=
/180/2.281.82,1818 1.15 3.08063.763838 1.15 3.080134.60b t αραρ===??=<=??=,则截
面有效宽度21.821.8 1.15 3.0600.10.193.99mm 81.62mm /81.82e c b b b t αρ????
??=-=-?= ? ? ? ????? 10.40.481.62mm 32.65mm e e b b ==?=, 20.60.681.62mm 48.97mm e e b b ==?=
上翼缘板: 210.863,21.743,70mm,180mm,172.48N mm c k k b c σ===== 1800.8630.152 1.17021.743
c c k b k ξ=
==< 板组约束系数:11/1/0.152 1.398k ξ===
11=205205 1.3980.863/172.48 1.197k k ρσ=??= 由于,则 1.150.15 1.150.150.859 1.021α?=-=-?=, ,
/70/2.231.82,1818 1.0211.19722.00,3838 1.0211.19746.44b t αραρ===??==??=
所以
则截面有效高度21.821.8 1.021 1.1970.10.170mm 57.05mm /31.82e c b b b t αρ????
??=-=-?= ? ? ? ????? 10.40.457.05mm 22.82mm e e b b ==?=, 20.60.657.05mm 34.23mm e e b b ==?=
下翼缘板:下翼缘板全截面受拉,全部有效。
④有效净截面模量
上翼缘板的扣除面积宽度为；腹板的扣除面积宽度为
，同时在腹板的计算截面有一直径13mm 拉条连接孔（距上翼缘板边缘35mm ），孔位置与扣除位置基本相同。所以腹板的扣除面积按直径13mm 拉条连接孔计算（见图 ）。有效净截面模量为
422343374.91012.95 2.29013 2.2(9035)mm 3.81310mm 90
enx
W ?-??-??-==?
()2
42
3max 48.971012.95 2.212.95/222.8221.113 2.2(21.1 2.2/2)mm 21.1eny W ?-??+--??-=
()2
42
3min 48.971012.95 2.212.95/222.8221.113 2.2(21.1 2.2/2)mm 7021.1eny W ?-??+--??-=-
max max min min /0.915,/0.973,/0.972enx x eny y eny y W W W W W W === （3）强度验算
按屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转考虑
66222
144
max 6.88100.1710=N mm 187.97N mm 205N mm 3.18310 2.25710y x enx eny M M f W W σ????+=+=<= ????? 66222
244min 6.88100.1710=N mm 162.99N mm 205N mm 3.183100.97410y x enx eny M M f W W σ??
??+=-=<= ?????
（4）
挠度验算
[]4
34
5 1.155cos542386000mm 25.11mm /20030mm 38420610374.910
y v v l ??'''?=?=<==???，满足要求。 （5）
构造要求
[]600/7.0685.0200x λλ==<=，满足要求；
[]300/2.55117.6200y λλ==<=，满足要求。
2.隅撑设计
隅撑（见图 5.2）按轴心受压构件设计，轴心力为 25012215
14.7kN
60cos 235
60cos 42.99y f Af
N θ
??==
=??
图5.2 刚架梁跨隅撑布置
连接螺栓采用普通C 级螺栓M12.隅撑的计算长度取两端连接螺栓中心的距离。 选用，截面特性：2433.90cm 14.69cm , 4.16cm , 1.94cm,0.99cm u u u v A I W i i =====，，
[]0/806.6/19.441.58200u u l i λλ===<=，B 类截面，查附录D-2得。单面连接的角钢强度
设计值乘以折减系数,806.6/9.981.47,0.60.00150.722y y αλαλ===+=。
3
22214.7010N mm 58.46N mm 215N mm 0.7220.893390
y u N f A σα??===<=??，满足要求。
3.墙梁设计
本工程为单层厂房，刚架柱距为6m ，外墙高6.15m,标高1.200m 以上采用单层彩板，墙梁间距1.6m ，跨中设一道拉条，钢材为Q235。 (1)
荷载计算
墙梁采用冷弯薄壁卷边C 型钢，自重7.42kgm,墙重；
基本风压: 220 1.050.55kN/m 0.578kN/m ω=?= 风荷载标准值按CECS102:2002中的围护结构计算 ，
本工程外墙为落地墙，计算墙梁时不计墙重，另因墙梁先安装故不计拉条作用。
1.20.0742kN m 0.089kN m x q =?=， 1.4( 1.1)0.578 1.5kN m 1.335kN m y q =?-??=- （2）内力计算
21.3356/8kN m 6.008kN m x M =??=?，20.0896/8kN m 0.401kN m y M =??=? （3）强度验算
墙梁C ，平放，开口朝上，34max 46.71cm ,373.64cm ,x x y W I W ===
334min 27.17cm ,12.65cm ,373.64cm y y W I ==。参考屋面檩条的计算结果及工程实践经验，取
66222336.008100.40110=N mm 178.4N mm 205N mm 0.946.71100.912.5610y x enx eny M M f W W σ????+=+=<= ???????在风吸力下拉条位置设在墙梁内侧，并在柱底设斜拉条。此时单层彩板与墙梁外侧牢固相连，可不验算墙梁的整体稳定性。 （4） 挠度验算
[]4
4
3455 1.10.578 1.56000mm 22.1mm /20030mm 38438420610373.6410ky x q l v v l EI ????===<==????；
满足要求。
参考文献
[1] 中华人民共和国建设部，钢结构设计规范GB50017—2003. 北京：中国建设工业出版
社，2003.
[2] 陈树华，钢结构设计[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2007.
[3] 陈志华，钢结构原理[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2007.
[4] CECS102：2002.门式刚架轻型房屋刚结构技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，
2003.
[5] GB50018—2002.冷弯薄壁型刚结构技术规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.