单层平面钢框架结构分析与设计--完整版
此情不移-
单层平面钢框架结构分析与设计
姓
名：朱锐（组长）、杨肖、马健、
徐耀、戴雅倩、候胜鲁、项彦
、李海星
课程分工或贡献：朱锐：轴心受压柱
戴雅倩：受弯梁
杨肖：压弯柱
项彦：铰接柱脚
马健、候胜鲁：铰接柱头
徐耀、李海星：刚性柱脚
指
导
教
师
：周洪彬、王兆强
2014
年
10
月
单层平面钢框架结构分析与设计
<
/p>
——李海星、
项彦、
候胜鲁、徐耀、
马健、杨肖、
戴雅倩、
朱锐
摘要：在熟练掌握《钢结构基本原理》的前提下，
通过对单层单跨钢框架的结构方案的选用，
首先进行截面的估算（初选截面
，假设长细比等），
其次进行钢结构的主要设计：连接的构造
和设计、轴心受力构件的选择与设计（包括强度、刚度、整体与局部稳定）、受弯构件截
面的
选择与设计（包括强度、刚度、整体与局部稳定）、压弯或拉弯构件截面的选择与设
计，设计
的同时在设计计算书里详细论述以上内容。
前言：在大学生动手能力较弱的今天，各高校纷纷进行课程改
革，我校领导也积极行动起来，
安排了钢结构课程研究三级项目。实施此项精心准备的设
计项目，旨在使学生在熟练掌握《钢
结构基本原理》的基础上，结合结构力学分析方法和
钢结构规范深入了解并掌握一种单层平面
钢框架的相关知识、分析和设计方法，掌握钢结
构设计计算书的撰写方法，使学生具备独立设
计结构构件的基本能力，
< br>提高综合应用已有知识解决工程实际问题的能力，
培养资料留存意识、
团队合作精神、项目组织与管理、交流表达能力，更好地培养土木工程专业学生的专业技术能
力和综合素质。
相关领域所做的工作和特色
：在钢结构设计方面，逐步发展高强度低合金钢材，新增
Q420
钢。
钢材质轻，便于制造和安装，良好、丰富的建筑艺术表现力使钢结构受到广大建筑
师的青睐。
改进钢结构设计方法和结构的革新是本领域今后值得研究的课题。
项目切入点：①大前提是有良好的《钢结构基本原理》理论知识。②钢结
构方案的选择及截面
估算：方案选择是概念设计，即根据内力进行迅速构思，之后便是截
面初步估算。主要是梁柱
断面尺寸的估算（柱按长细比估算，梁高跨度的一般比值）。③
构件设计与节点设计：首先是
材料选择，其次是确定节点形式。
前期概况：我们组抽到的单层平面钢框架从结构上说是一个静
定结构，受集中荷载和均布荷载
的作用。我们组先进行了小组讨论，分析课程研究项目说
明书的内容，然后进行结构内力与结
构形式的分析，通过结构各部件所受荷载形式分为轴
压构件、受弯构件、压弯构件、铰接柱脚、
铰接柱头和刚接柱头。根据组内成员特点进行
分工，各自就自己的内容进行设计。之后小组讨
论成员进行成果展示，相互检查，提出问
题，进行修正。
项目预期结果：通
过设计，同学们对课本知识有更深入的理解，熟练了相关设计计算。组长严
格控制进度和
质量，组员们团结合作、积极认真完成任务，最终项目圆满成功。
目
一、结构内力图的计算
二、轴心受压柱的设计
三、梁的设计
四、压弯柱的设计
五、柱头设计（左）
六、柱头设计（右）
七、铰接柱脚
八、刚性柱脚
九、心得体会
录
1.
结构内力图的计算
对整体方程得：
< br>
x
1
3
4
x
4
600
18
6<
/p>
y
1
y
4
6
y
24
600
6
18
6
3
M
1
单独考虑左边柱：
单独考虑梁：
单独考虑右边柱：
联立方程得：
y
1
y
2
<
/p>
600
x<
/p>
1
x
2
x
4
0
1
x
2
x
3
y
2
y
3<
/p>
18
6
x
3
12
x
4
y
3
y
4
4
x
24
M
3
x
1
0
x
12
kN
2
y
1
654
kN
y
54
kN
2
M
24
kN
m
图
1.1
图
1.2
受力分析图
图
1.3
弯矩图
图
1.4
轴力图
图
1.5
剪力图
2.
轴心受压柱的设计
定柱的截面形式为热轧
H
型钢
2.1
初选截面如右图所示
由于热轧
H
型钢可以选用宽翼缘的形式，截
面的宽度较大，因此长细比的假
设值可适当减小，
假设
λ
=60
。
对宽翼缘<
/p>
H
型钢，
因
b/
H>0.8,
所以无论对
X
轴还是
Y
轴都属于
b
类截
面，查表得
错误！未找到引用源。
=0.807
。
所需的几何量为：
N
654
10<
/p>
3
A
37
.
7
cm
2
2
f
0
.
807
215
10
i
x
l
ox
l
oy
400
6
.
7
cm
60
i
y
< br>
400
< br>
6
.
7
cm
60
由附表选型钢
HW
175
175
7
.
5
11
A
51
.
43
cm
2
,
i
x
7
.
< br>53
cm
,
i
< br>y
4
.
73
cm
腹板的高度比
图
2.1
轴心受压柱截面
h
< br>0
175
235
23
80
80
,
满足构造要求。<
/p>
t
w
7
.
5
235
2.2
截面验算
< br>因截面无孔眼削弱，可不验算强度。又因为热轧
H
型钢，
亦可不必验算局部稳定，
只需进行验算整体稳定。
x
l
ox
400
53
[
]
150
i
x
7
.
53
y
l
oy
i
y
400
85
[
]
150
4
.
73
因对
X
、
Y
轴均属
b
类
截面，故由长细比较大值
y
85
查表得
0
.
655
N
654
10<
/p>
3
194<
/p>
N
/
mm
2
f
215
N
/
mm
2
2
A
0
.
655
51
.
43
10
∴满足整体稳定
3.
梁的设计
根据
M
图计算，最大弯矩设计值：
M
x
1
2
ql
81
KN<
/p>
m
8
M
81
10
6
则截面模量：
W
n
x
35
9
10
3
m
m
3
x<
/p>
f
1
.
05
215
根据附表
7.2
查得
选用
HN350
×
175
×
7
×
11
，
W
x
741
.
7
cm
其他参数：
A
62
.
91
cm
i
y
3
.
95
cm
由于型钢截面翼缘和腹板厚度较大，不必验算局部稳定；
端部无大的削弱时，也不必验算剪应力。
因此，只需进行整体稳定的验算：
参
数：
2
3
l
1
t
1
6000
7<
/p>
0
.
686
b
1
h
350
175<
/p>
等效弯矩系数：
b
0
.
69
0
.
13
0
.
77
9
图
3.1
受弯梁截面
Y
轴的长细比：
y
整体稳定系数：
∴整体稳定满足
l
< br>1
600
< br>152
i
y
< br>3
.
95
2
y
t
1
4320
Ah
b
b
2
1<
/p>
4
.
4
h
y
W
x
4320
62
.
9
35
152
0
.
7
< br>
0
.
799
< br>
1
2
152
741
.
7
4
.
4
3
5
0
.<
/p>
53
0
.
6
2
M
x
81
10
6
206
MPa
215
MPa
b
W
x
0
.
53
741
.
7
10
3
4.
压弯柱的设计
柱所承受的最大轴力和弯矩分别为
N
=
54
kN
M
=
24
kN
•
m
150
×
7
×
10
试选热轧
H
型钢
HW
15
0
×
4.1
截面几何特性
A
=
39
.
65
cm
2
I
x
=
< br>1620
cm
4
I
y
=
563
cm
4
i
x
=
6
.
39
cm
i
y
=
3
.
< br>77
cm
W
< br>x
=
216
cm
3
W
y
< br>=
75
.
1
cm
3
4.2
验算强度
N
M
54
×
10
3
24
×
10
6
+
=
+
=
119
.
4
MPa
<
f
=
215
MPa
A
γ
x
W
X
39
< br>.
65
×
10
< br>2
1
.
05
×
216
×
10
< br>3
4.3
验算弯矩作用平面内的稳定
l
0
x
=
μ
l
=
2<
/p>
.
03
×
400
=
812
cm
λ
x
=
812
=
127
.
1
b
类截面，查表得
φ
x
=
0
.
4015
6
.
39
π
2
EA
π
2
×
206000
×
39
.
56
×
10
2
′
=
N
Ex
=
=
452
.
6
kN
2
2
1
.
1
λ
x
1
.
< br>1
×
127
.
< br>1
β
mx
M
N
54
×
10
3
1
.
0
×
24
×
10
6
+
=
+
2<
/p>
N
φ
x
A
γ
W
(
1
－
0
.
8
39
.
56
×
10
1
.
05
×
216000
×
1
－
0
.
8
×
54
÷
452
.
6
)
0
.
4015
×
x
x
′
N
< br>Ex
(
)
=
151
MPa
<
f
=
215
MPa
4.4
验算弯矩作用平面外的稳定
λ
y
=
400
=
106
.
1
b
类截面，查表得
φ
y
=
0
.
< br>517
3
.
< br>77
φ
b
=
1
.
07
－
λ
2
y
44000
< br>=
0
.
814
< br>
β
1
x
M
N
54
×
10
3
24
×
10
6
+
η
< br>=
+
=
162
< br>.
8
MPa
<
< br>f
=
215
MPa
φ
y
A
< br>φ
b
W
x
0
.
517
×
39
.
65
×
10
2
0
.
814
×
216
×
10
3
4.5
局部稳定验算
由于是热轧型钢，因此不需要验算局部稳定。
图
4.1
压弯柱截面
5.
柱头设计（左）
H
形截面柱采用
HW 175
×
175
×
7.5
×
11
H
形截面梁采用
HN 350
×
175
×
7
×
11
梁柱、顶板、突缘及加劲肋均采用
Q235
钢
连接点不受弯矩，采用铰接
5.1<
/p>
梁端设置加劲肋，梁端加劲肋尺寸
375
×
50
×
10
，采用
h
f
=6mm
< br>，
计算长度
<
/p>
l
w
350<
/p>
2
11
2
6
316
mm
1
54
KN
w
N
20
N
满足要求
2
f
t
16
0
mm
mm
2
2
0
.
7<
/p>
6
316<
/p>
8
h
f
l
w
60
h
f
满足要求
因此，梁端加劲肋尺寸为<
/p>
375
×
50
×
10
5.2
柱端设置加劲肋
a=80mm
h
0
262
mm
计算长度
l
w
h
0
2
h
f
250
mm
弯矩
：
M
Ne
327
40
13
.
08
kN
m
弯
矩引起的应力：
f
6
M
2
h
e
l
w
2
24
.
91
N
mm
2
剪
力引起的应力：
1
焊缝的强度：
(
327
KN<
/p>
w
N
155<
/p>
N
2
f
t
160
mm
mm
2
2
0
.
7
6
250
f
2
2
w
N
)
1
156
N
满足要求
2
f
t
160
mm
mm
2
f
8
h
f
l
w
60
h
f
满足要求
因此，柱端加劲肋尺寸为<
/p>
262
×
80
×
10
螺栓采用
M
20
（粗制）
顶板尺寸
185
×
185
×
18
垫板尺寸
185
×
50
×
10
图
5.1
柱头左截面