鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計計算示例：從理論到實踐的完整指南》是一本極具實用性的專業(yè)書籍，該書系統(tǒng)地闡述了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論知識，包括鋼材性能、受力分析等基礎(chǔ)原理，為后續(xù)計算奠定堅實基礎(chǔ)，通過大量豐富且典型的實際計算示例，詳細展示了如何在具體工程中運用理論知識進行精確計算，涵蓋梁、柱、桁架等多種鋼結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計計算，這些示例從簡單到復(fù)雜逐步推進，讓讀者能清晰地理解計算過程和方法，書中還對計算結(jié)果進行了深入分析和討論，幫助讀者掌握設(shè)計中的關(guān)鍵點和注意事項。

鋼結(jié)構(gòu)因其高強度、輕質(zhì)、施工速度快等優(yōu)點，在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及復(fù)雜的力學(xué)計算和規(guī)范要求，對于初學(xué)者而言往往難以掌握，本文將通過一個完整的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計計算示例，帶領(lǐng)讀者了解從荷載計算到構(gòu)件設(shè)計的全過程,幫助工程師和學(xué)生們更好地理解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心要點。

工程概況

假設(shè)我們設(shè)計一座單層工業(yè)廠房的鋼框架結(jié)構(gòu)，跨度18m，柱距6m，檐口高度8m，屋面采用壓型鋼板復(fù)合保溫屋面，墻面為壓型鋼板，基本風(fēng)壓0.45kN/m2，基本雪壓0.40kN/m2，抗震設(shè)防烈度7度(0.10g)，場地類別Ⅱ類。

荷載計算

永久荷載(恒載)

屋面系統(tǒng)自重：

• 壓型鋼板+保溫層：0.25 kN/m2
• 檁條及支撐：0.10 kN/m2
• 屋架自重估算：0.15 kN/m2 總計：0.50 kN/m2

可變荷載(活載)

屋面活荷載：0.50 kN/m2 (按規(guī)范取不小于0.5kN/m2) 雪荷載：0.40 kN/m2 (不與活載同時組合)

風(fēng)荷載計算

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值： wk = βz·μs·μz·w0

式中：

• βz = 1.0 (高度<10m)
• μs: 體型系數(shù)，迎風(fēng)面+0.8，背風(fēng)面-0.5
• μz: 風(fēng)壓高度變化系數(shù)，8m高取1.0
• w0 = 0.45 kN/m2

迎風(fēng)面風(fēng)壓：wk1 = 1.0×0.8×1.0×0.45 = 0.36 kN/m2 背風(fēng)面風(fēng)壓：wk2 = 1.0×(-0.5)×1.0×0.45 = -0.225 kN/m2

荷載組合

按承載能力極限狀態(tài)進行組合：

1. 2恒載 + 1.4活載
2. 2恒載 + 1.4風(fēng)載
3. 2恒載 + 1.4×0.7活載 + 1.4×0.6風(fēng)載
4. 0恒載 + 1.4風(fēng)載

經(jīng)計算,組合1控制設(shè)計。

主鋼架設(shè)計

屋面梁設(shè)計

采用焊接H型鋼，計算跨度18m,間距6m。

荷載計算： q = (1.2×0.5 + 1.4×0.5)×6 = 7.8 kN/m

彎矩設(shè)計值： Mmax = qL2/8 = 7.8×182/8 = 315.9 kN·m

剪力設(shè)計值： Vmax = qL/2 = 7.8×18/2 = 70.2 kN

初選截面HN500×200×10×16：

• A = 112.4 cm2
• Ix = 47,920 cm?
• Wx = 1,917 cm3
• Sx = 1,097 cm3
• tw = 10 mm
• tf = 16 mm

強度驗算： σ = M/γxWx = 315.9×10?/(1.05×1,917×103) = 156.8 N/mm2 < 310 N/mm2 (滿足) τ = VS/Itw = 70.2×103×1,097×103/(47,920×10?×10) = 16.1 N/mm2 < 180 N/mm2 (滿足)

穩(wěn)定性驗算： λy = 6000/43.1 = 139 < [λ] = 150 (滿足) φb = 0.73 (查表) σ = M/φbWx = 315.9×10?/(0.73×1,917×103) = 225.7 N/mm2 < 310 N/mm2 (滿足)

撓度驗算(按標(biāo)準(zhǔn)組合)： qk = (0.5+0.5)×6 = 6 kN/m v = 5qkL?/384EI = 5×6×18?×1012/(384×206×103×47,920×10?) = 71.3 mm ≈ L/252 < L/250 (滿足)

鋼柱設(shè)計

采用焊接H型鋼,計算高度8m。

荷載計算：

• 屋面?zhèn)髦林數(shù)募辛Γ篘 = 7.8×18/2 = 70.2 kN
• 柱自重估算：1.5 kN/m
• 風(fēng)荷載產(chǎn)生的柱底彎矩：M = 0.36×6×8×4 = 69.1 kN·m

初選截面HW400×400×13×21：

• A = 218.7 cm2
• Ix = 71,100 cm?
• Wx = 3,550 cm3
• ix = 17.7 cm
• iy = 10.2 cm

強度驗算： N/A + M/γxWx = 70.2×103/218.7×102 + 69.1×10?/1.05×3,550×103 = 3.2 + 18.5 = 21.7 N/mm2 < 310 N/mm2 (滿足)

穩(wěn)定性驗算： λx = 800/17.7 = 45.2，查表φx = 0.878 λy = 800/10.2 = 78.4，查表φy = 0.700 取φmin = 0.700

N/φA + βmxMx/γxWx(1-0.8N/NEx) NEx = π2EA/(1.1λx2) = π2×206×103×218.7×102/(1.1×45.22) = 19,850 kN βmx = 1.0

σ = 70.2×103/(0.700×218.7×102) + 1.0×69.1×10?/[1.05×3,550×103×(1-0.8×70.2/19,850)] = 4.6 + 18.6 = 23.2 N/mm2 < 310 N/mm2 (滿足)

節(jié)點設(shè)計

梁柱連接節(jié)點

采用端板連接，螺栓采用10.9級M24高強螺栓。

螺栓抗剪承載力： Nvb = 0.9nfμP = 0.9×1×0.45×225 = 91.1 kN 需要螺栓數(shù)量：n = 70.2/91.1 ≈ 1個,實際布置4個。

端板厚度計算： 按塑性鉸線法計算，取tp = 20 mm。

柱腳設(shè)計

采用外露式柱腳,基礎(chǔ)混凝土C30。

底板尺寸取500×500 mm，厚度30 mm。 錨栓采用4M30,驗算抗拉承載力滿足要求。

抗震設(shè)計

按7度(0.10g)進行抗震驗算：

1. 計算結(jié)構(gòu)自振周期，估算T1=0.4s
2. 水平地震影響系數(shù)α1=0.08
3. 計算地震作用標(biāo)準(zhǔn)值FEK=α1Geq=0.08×0.85×(70.2×2+1.5×8×2)=11.2 kN
4. 進行地震作用組合驗算,本例中不起控制作用。

防腐防火設(shè)計

1. 防腐：噴砂除銹Sa2.5級，環(huán)氧富鋅底漆80μm，環(huán)氧云鐵中間漆100μm，丙烯酸聚氨酯面漆60μm。
2. 防火：鋼柱耐火極限2.0h，采用厚型防火涂料25mm；鋼梁耐火極限1.5h，采用薄型防火涂料3.5mm。

通過上述計算示例可以看出，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個系統(tǒng)的過程，需要綜合考慮荷載計算、構(gòu)件設(shè)計、節(jié)點連接、抗震設(shè)防等多方面因素，實際工程中還需考慮施工可行性、經(jīng)濟性等因素，進行多方案比較優(yōu)化，建議設(shè)計人員熟練掌握相關(guān)規(guī)范要求,并借助專業(yè)設(shè)計軟件提高工作效率和準(zhǔn)確性。