钢结构设计计算书

钢结构课程设计报告

单层购物超市设计

指导老师：施刚

设计者：洪隽天

学号：2011010151

目录

第一章设计概况 (4)

1.1设计要求 (4)

1.2设计条件 (4)

1.2.1设计原则 (4)

1.2.2场地条件 (4)

1.2.3荷载条件 (4)

1.2.4材料规格 (4)

1.2.5施工与安装条件 (5)

1.3 抗震设计方法 (5)

1.3.1地震效应计算 (5)

第二章刚架计算（门规） (7)

2.1 构件截面初估 (7)

2.1.1刚架柱 (7)

2.1.2 刚架斜梁 (7)

2.1.3截面汇总 (8)

2.2 结构计算简图 (9)

2.3 荷载计算 (9)

1.4.1恒载 (9)

1.4.2活载 (9)

1.4.3雪载 (9)

1.4.4风载 (9)

1.4.5 荷载总结 (11)

2.3 内力分布 (12)

2.5变形验算 (15)

2.6 构件验算 (16)

2.6.1钢柱截面校核 (16)

2.6.2变截面斜梁截面校核 (20)

2.6.3设计总结 (23)

2.7 梁柱连接节点设计 (23)

2.7.1 概述 (23)

2.7.2 斜梁与边柱连接节点验算 (24)

2.7.3 斜梁与摇摆柱拼接 (27)

2.8 梁拼接节点设计 (28)

2.8.1节点形式 (28)

2.8.2内力设计值 (28)

2.8.3最外排螺栓轴向强度验算 (28)

2.8.4螺栓部位腹板强度计算 (29)

2.8.5端板厚度验算 (29)

2.8.6焊缝验算 (29)

2.9 柱脚设计 (30)

2.9.1边柱底部柱脚设计 (30)

第三章刚架计算（钢规） (34)

3.1 构件截面初估 (34)

3.2 结构计算简图 (35)

3.3 荷载计算 (35)

3.4 内力分布 (35)

3.5 变形验算 (38)

3.6 构件验算 (39)

3.6.1 钢柱截面校核 (39)

3.6.2 变截面斜梁截面校核 (42)

3.6.3设计总结 (44)

3.7 梁柱连接节点设计 (45)

3.7.1 概述 (45)

3.7.2梁柱节点强度验算 (45)

3.7.3立柱加劲肋设置： (46)

3.7.4梁柱节点节点域抗剪验算 (46)

3.7.5 斜梁与摇摆柱拼接 (47)

3.8梁拼接节点设计 (47)

3.8.1强度验算：翼缘焊缝计算 (47)

3.9 柱脚设计（基本与《门规》方案相同） (48)

3.9.1边柱底部柱脚设计 (48)

3.9.1中柱底部柱脚设计 (50)

第四章檩条设计 (51)

4.1 檩条布置 (51)

4.2 荷载计算 (52)

4.3 内力计算 (53)

4.3.1恒载+活载 (53)

4.3.2恒载+风载 (53)

4.3.3荷载组合的比较 (53)

4.3.4内力计算（恒载+活载） (53)

4.4 檩条验算 (54)

4.4.1 檩条截面特性 (54)

4.4.2有效截面计算 (55)

4.5拉条设计 (58)

4.6 撑杆设计 (58)

4.7 构造说明 (58)

第五章墙梁设计 (59)

5.1 墙粱布置 (59)

5.2 荷载计算 (59)

5.2.1荷载标准值 (59)

5.3 内力计算 (60)

5.4 墙梁验算 (61)

5.4.1墙梁截面选取 (61)

5.4.2有效截面计算 (61)

5.4.4 整体稳定验算 (63)

5.4.6挠度验算 (64)

5.5拉条设计 (64)

第六章支撑设计 (66)

6.1屋面支撑设计 (66)

6.1.1 屋面支撑布置 (67)

6.1.2 荷载计算 (67)

6.1.3 内力计算 (68)

6.1.4构件验算 (68)

6.2柱间支撑设计 (69)

6.2.1柱间支撑布置 (69)

6.2.2 荷载计算 (69)

6.2.3 内力计算 (69)

6.2.4 构件验算 (70)

第七章抗风柱设计 (70)

7.1 抗风柱布置 (70)

7.2 荷载计算 (70)

7.3 内力计算 (71)

7.4 构件验算 (72)

7.4.1强度验算 (72)

7.4.2稳定性验算 (73)

7.4.3挠度验算 (73)

7.5 抗风柱顶节点设计 (74)

7.6 抗风柱柱脚设计 (75)

第八章隅撑设计 (77)

第九章两种方案对比分析 (78)

9.1 经济指标计算 (78)

9.2 方案对比分析 (81)

附录（图表目录） (82)

第一章设计概况

1.1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4000~6000 平方米，柱网间距6.5~9m，建筑平立剖面如附图所示，要求采用两跨门式刚架结构，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: 2012）和《钢结构设计规范》（GB50017-2003）分别设计两套方案，以进行比较。

1.2设计条件

1.2.1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。

1.2.2场地条件

建筑物场地地势平坦，地表高程38.44～39.15m，地下水位标高33.6m，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170kN/m2。地基土容重23kN/m3。

建筑场地类别为II类，基本地震烈度8度，设计地震分组为第二组。

1.2.3荷载条件

1.2.4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，基础和楼板混凝土≥C20，垫层混凝土≥C15；

钢筋：本项目除了基础之外不使用钢筋。

1.2.5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。

1.3 抗震设计方法

下面基于建筑抗抗震设计规范GB50011—2010水平抗震分析。这里仅对地震力进行粗略估计。

1.3.1地震效应计算

规范5.1.2：“对于高度不超过40米，以剪切变形为主且刚度、质量沿着高度分布均匀的结构体系，可以近似于单质点体系，因而可以采用底层剪力法进行设计。”

在计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应当选取结构、配件自重标准值与可变荷载组合值之和。由于尚未计算荷载，这里对建筑中立荷载代表值初估为：

G=500kN

对于单质点体系，重力等效重力荷载即为G：

G eq=G=500kN

已知该建筑的场地类别为第二类，设计地震分组为第二组，因此特征周期值为:

T g=0.40s

用SAP在立柱顶部分别施加一半的水平方向的重力荷载值，得出的柱顶位移为

1365mm。通过顶点位移法可得相应的结构基本周期为：

T1=1.7ψT T

其中，ψT为考虑非承重墙的刚度对于结构自振周期影响系数，由于本次设计中，对应的砌体墙体仅仅位于1.2米以下，且荷载可以很好地传递至基础，因而不再考虑这一项目的影响。

T1=1.7×√1.365=1.99s

图4：地震影响系数曲线

可见，这一结构的自振周期介于T g 与5T g 之间，对于本次设计的门规、钢规两个方案计算得出的自振周期也均落在这一区间内，因而在后面的计算中直接选取地震响应曲线的最大值。这样设计得出的结果也是相应较保守，偏于安全的。 查表可得，该设计所对应频遇地震影响系数最大值为αmax =0.16。 对于这一钢结构，按照门规可得结构阻尼比应当为0.05。

阻尼调整系数为：20.05ζ

1 1.00.08 1.6ζ

η-=+

=+，0.9γ=

由此可得地震影响系数为：2max T =()=0.04g T

γαηα

钢结构总剪力为：

F Ek =α

G eq =0.04×500KN =20KN

由于本次设计仅仅为一层钢结构，故不存在顶层与其他楼层之间的分配问题，可以直接认为地震荷载是在两个立柱顶部分别施加水平向右的20KN 的荷载。这个值很小，基本不起控制作用，因此，在下面的计忽略地震作用的影响。

第二章 刚架计算（门规）

2.1 构件截面初估

钢材选用Q235

图2- 1构件截面示意图

2.1.1刚架柱

假设基础底面设计标高为室外地面以下1.6m ，基础高度600mm ，因此，基础顶面设计标高在室外地面以下1m 。

则边柱长度为： 7200300+10008500H mm =+=

中柱： 27000*0.05300+7200+10009850H mm =+= 由于 (

,)

1520

H H

h = 对于边柱： 取为变截面柱，底部h=428mm 顶部 h=728mm 截面宽度为 b= 240mm

考虑局部稳定性对腹板，翼缘进行设计，选取：t f =14mm t w =14mm 。

对于中柱： 取为等截面柱 h=178mm ， 截面宽度为 b= 200mm

考虑局部稳定性对腹板，翼缘进行设计，选取：t f =14mm t w =14mm 。

2.1.2 刚架斜梁

h =(

L 30,L

40

)=(675mm,900mm) 设计钢架斜梁为2段变截面，斜梁从与边柱连接位置开始至水平位置16200mm 为常截面段，梁高 h=478mm ，从水平位置16200mm 至于中柱连接位置为变截面段，与中柱连接位置

梁高为h=1078mm。

h b=-

/23

取刚架斜梁的梁宽均为b=300mm。

最后，考虑到局部稳定性问题初步估计腹板、翼缘厚度：由于这一构件为受弯破坏为主导的模式，依据受弯状态下的局部稳定性限制来初估截面尺寸。

我们选取为：t f=14mm,t w=14mm

在上述截面初估的基础上，我们对于各个荷载工况下按照门规计算构件的应力信息与位移信息，反复调整直至各个构件应力比基本落在0.8至1.0区间内，对应的截面参数列举如下：

2.1.3截面汇总

图2- 2构件截面汇总

表2- 1构件截面汇总

2.2 结构计算简图

图2- 3 SAP模型图

2.3 荷载计算

1.4.1恒载

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：0.50Kpa×9m=4.5KN/m

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。所以在SAP2000中输入荷载时考虑墙面恒载为标高1.2m至女儿墙顶面，墙面恒载值为：0.3Kpa×9m=2.7KN/m

1.4.2活载

屋面活载：斜梁上的均布活载为：0.55Kpa×9m=4.95KN/m，

1.4.3雪载

此处屋面倾斜角度仅仅为5度，小于荷载规范中所给出的25度。

S k=S0×μr=0.4KN/m2×1=0.4KN/m2

斜梁上的均布雪荷载标准值为：0.4KN/m2×9m=3.6KN/m

可以看到，斜梁上均布雪荷载大于均布活载。

本工业厂房采用不上人屋面，根据《建筑结构荷载规范》5.3.3 “不上人屋面均布活荷载，可不与雪荷载和风荷载同时组合。”由上面的计算可以看出，活载明显大于雪载（大于雪载。所以后面将选择较大值的屋面活荷载作为设计与校核的依据，而不需要再考虑雪荷载的作用。

1.4.4风载

（根据荷载规范）

垂直于建筑表面的风荷载标准值：

w k =βz μs μz w 0

（1） 基本风压：w 0=0.35KN/m 2 （2） 风振系数βz ：

由于此处我们的设计仅仅为一层钢结构，对应的建筑总高度不超过10米，可以看到这一高度的建筑自振频率应当不会与风发生共振，故此处风振系数直接取为1.0。

（3） 风载体型系数μs ：

对于封闭式双坡屋面，迎风面10.8s μ=+，背风面20.5s μ=-. 屋面顶部还存在着风荷载的吸力，分别为：10.6sv μ=-，20.5sv μ=-

（4） 风压高度系数μz ：

荷载规范8.2.1：对于田野、乡村、丛林、丘陵以及建筑物比较稀疏的乡镇，地面粗糙程度为B 类。考虑到购物超市一般建在城市近郊。

由于建筑物离地面高度不到10米，故风压高度变化系数为1.0。

风荷载的作用高度选取：由于我们建筑墙面的1.2米高度以下，采用的是砖墙砌筑，我们认为此处的风荷载就是直接通过砖墙传递至基础，并不作用于钢结构部分。因此，对应的风荷载作用部位为标高1.2m 至女儿墙顶面。

表2- 2风荷载计算（根据荷载规范）

（根据门规）

门规所给出的设计风荷载标准值计算方法如下：通过比选也可以发现门规的计算风荷载略微小于钢规的计算结果，下面统一地使用荷载规范给出的风荷载定义。

表2- 3风荷载计算（根据门规）1.4.5 荷载总结

表2- 4荷载总结（根据荷载规范）

表2- 5荷载总结（根据门规）

2.3 内力分布

考虑下述集中具有代表性的荷载组合，输入sap2000中计算得到内力，依次列举如下：A：1.2恒载+1.4活载

B：1.2恒载+1.4风载

C：1.2恒载+1.4活载+0.7*1.4风载

D：1.2恒载+1.4风载+0.7*1.4活载

E：1.0恒载+1.4风载

F：1.35恒载+0.7*1.4活载

G：1.35恒载+1.4*0.6风载

H：1.35恒载+1.4*0.6风载+0.7*1.4活载

图2- 4荷载组合A弯矩图

图2- 5荷载组合A剪力图

图2- 6荷载组合A轴力图

注：进行内力校核时由荷载组合A起控制作用，其他荷载组合的内力图省略。

表2- 6不同荷载组合危险截面边缘应力

表2- 7不同荷载组合下梁内力

2.5变形验算

对于变形验算这样的正常使用极限状态验算，采用荷载的标准组合进行。

I（恒载+活载）,J（恒载+风荷载）,K（恒载+0.7活载+风荷载），L（恒载+活载+0.6风荷载）

图2- 7荷载组合I变形图

图2- 8荷载组合j变形图

图2- 9荷载组合K变形图

图2- 10荷载组合L变形图

斜梁挠度和柱顶侧移验算：

1.对于无吊车、采用轻型钢墙板时，对应的柱顶层位移限制值为h/60。所以我们整体采用

h/60的侧移量限值。此处，由于建筑的高度为7400，对应的立柱最大侧移量限制值为123mm。

2.对于受弯构件的竖向挠度，本方案中仅仅需要用梁来支撑压型钢板屋面以及冷弯型钢檩

条，所以构件挠度的限制值为L/180，考虑到跨度为27000mm，计算可得相应的构件挠度限制值为150mm。这一作用主要是对于竖向荷载的作用结果。

表2- 8变形验算

经计算斜梁挠度和柱顶侧移满足要求。

2.6 构件验算

2.6.1钢柱截面校核

2.6.1.1单元截面几何参数：

表2- 9柱截面参数

注1：上述参数的荷载单位为KN，几何尺寸单位为mm。材料采用Q235钢材。拉压强度为215Mpa。

注2：由于最大弯矩和最大轴力同时出现（均出现在荷载组合A情况下），因此控制截面内力组合只需计算一种情况，V为最大弯矩和最大轴力同时出现时的剪力值。

2.6.1.2腹板的有效宽度计算 大头截面：

腹板边缘最大应力

21=

128/x M N

y N mm I A σ+= 22=-

111/x M N

y N mm I A

σ+=- 腹板边缘正应力比值 ：

2

1

=

=-0.87σβσ 腹板在正应力下的凸曲系数：

21k σ=

=

与板件受弯、受压有关系数

0.300ρλ=

因此，大头截面腹板全部有效。

小头截面： 腹板压应力

20=13/N mm σ，=1β

，4k σ=

=

0.13ρλ= 因此，小头截面腹板全部有效。

2.6.1.3单元计算长度

边柱的计算长度：（一阶分析法） 平面内计算长度：

首先在SAP 2000中，在两个立柱顶部分别施加1KN 荷载，得到相应立柱顶侧移为6.8mm 。由此可得相应的结构抗侧刚度： 2KN

K 294/6.8mm

N mm =

=

考虑到立柱柱脚铰结，可得：

2.67γμ== 由于中间摇摆柱的影响：

' 1.43η=

=

因此，实际上

3.81

γμ=

相应的计算长度为： 0μ32220mm h h ==

平面外计算长度：理论上这一参数应当选取为墙梁间距，粗略地取03000y h mm = 中柱的计算长度：中柱为摇摆柱计算长度系数为1.0，计算长度等于原长9850mm 2.6.1.4强度验算

大头截面

本次设计中，由于立柱并没有受集中荷载，因而可以仅仅在支座、梁柱节点处设置横向加劲肋，而在其他部位不设置加劲肋： 5.34K τ=

0.590.8w λ=

=<

可见，这一情形下抗剪强度并不需要折减：

'1225KN d w w v V h t f ==

设计荷载为V 52KN 0.5613d V KN =<=。

216520e A m A m ==，633.8810e W m W m =?= 430713e e e

N

M kN M W kNm A =≤-

= 大头强度满足要求。

小头截面弯矩为0，强度很容易满足要求。 2.6.1.5平面内稳定性

需要校核的公式为：

01

'

x 00Ex0xy 1

[1(/)]mx e e N M f A N N W γβ??+≤- 其中mx β对于有侧移框架可以直接选取为1.0。

N 0为轴向压力设计值212kN

17539

188162

x λ=

= 2'0Ex0

2

646KN 1.1e EA N

πλ

== 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：x =0.208γ?

代入上述公式计算可得：

01

'

x 00Ex0xy 1

=195[1(/)]mx e e N M MPa A N N W γβ??+- 2.6.1.6平面外稳定性

需要校核的公式为:

011

o t y e b e N M

f A W γβ??+≤

需要对柱上，下段分别计算。假定分段处的内力为大头和小头截面的平均值，即

215M kNm =，N 151kN =，腹板高度也是大小头的平均值500mm ，受压区腹板高度也近

似取为大小头受压区腹板高度的平均值700+400

=550mm 2

，

可以算得分段处截面的几何特性，2

14420mm A =，7

4

3.2310y I mm =?，47y i mm =，63

2.5210x W mm =?。

对于上段的平面外稳定性，此段小头在分段处

00

3000

6339

y y y l i λ=

=

=，0.791y ?=， y0i '=60mm ，10=(d /d )10.26γ-=

，10.023 1.1s μ=+=，

10.003851w μ=+=，5'

7s yo yo l

i μλ==，

5.80.6b γ?==> 需要调整

1.070.282/3.37.'1021b ?=-=>

因上柱两段弯曲 应力差不多，取 1.0t β=

0135Mpa 215o t l y e by el

N M

Mpa A W β??+=< 平面外稳定性上段满足要求。

对于下段的平面外稳定性，此段小头在分段处

00

3000

5942

y y y l i λ=

=

=，0.831y ?= y0i '=56mm ，10=(d /d )10.35γ-=

，10.023 1.19s μ=+=，

10.003851w μγ=+=，90.8'

6s yo yo l

i μλ=

=，