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1、第七章 轻型门式刚架结构设计,本章内容,第一节 结构形式和布置第二节 檩条设计第三节 结构设计第四节 围护结构第五节 设计实例,了解轻型门式刚架的特点、应用现状和发展前景，熟悉门式刚架的结构体系、维护结构及设计方法。,学习目标,学习难点,理解轻型钢结构和普通钢结构的区别。,第一节 结构形式和布置,一、门式刚架特点及适用范围（一）结构特点（1）刚架梁、柱采用轻型H型钢（等截面或变截面）组成；（2）刚架梁与柱刚接，柱脚与基础宜采用铰接；当设有桥式吊车、檐口标高较高或对刚度要求较高时，柱脚和基础可采用刚接；（3）构件单元可根据运输条件划分，单元之间在现场用螺栓连接，安装方便快捷，土建工作量小。（4）
2、在非地震区可采用张紧的圆钢作为支撑；（5）用C形、Z形薄壁型钢做檩条、墙梁，以彩钢板或夹芯板做屋面、墙面。,门式刚架结构示意,厂房内部,厂房外立面,（二）适用范围 跨度936m、柱距6m9m、柱高4.512m、设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑（潮湿、车站候车室、码头建筑等）。目前国内单跨刚架的跨度已达到72m。（三）优点 和屋架结构相比，整个构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，降低房屋的高度，减小建筑体积，在建筑造型上也较简洁美观。,屋架结构,(一)结构形式与布置1 结构形式：分为单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的刚架等形式。,二、结构形式与布置,（a）单跨刚架（b
3、）双跨刚架（c）多跨刚架,（d）带挑檐刚架（e）带毗屋刚架（f）单坡刚架,跨度：横向刚架柱轴线间的距离；高度：地坪至柱轴线与横梁轴线交点的高度，根据使用要求的室内净高确定。无吊车时，高度一般为4.59m；有吊车时应根据轨顶标高和吊车净空要求确定，一般为912m。柱距：宜为6m，通常介于4.59m之间。檐口高度：地坪至房屋外侧檩条上缘的高度；最大高度：地坪至房屋顶部檩条上缘的高度；房屋宽度：房屋侧墙墙梁外皮之间的距离；房屋长度：房屋两端山墙墙梁外皮之间的距离；屋面坡度：宜取1/81/20，在雨水较多地区可取较大值。,2门式刚架的尺寸,（1）温度区段布置（2）伸缩缝设置 可通过设置双柱，或搭接檩条
4、及吊车梁的螺拴连接处采用长圆孔进行调节。,3结构布置,温度区段长度,4实腹屋面梁和托梁,（1）实腹屋面梁实腹屋面梁结构体系是在钢筋混凝土结构上用钢梁、檩条、屋面支撑和屋面板搭建而成。屋面钢梁采用人字钢梁，按简支梁设计，可根据受力情况分段采用变截面，钢梁对混凝土柱有推力。,实腹梁钢屋架形式,（2）托梁当因建筑或工艺要求门式刚架柱被抽除时，应沿纵向柱列布置托梁以支承已抽位置上的中间榀刚架上的斜梁。托梁一般采用焊接工字形截面，当屋面荷载偏心产生较大扭矩时，可采用箱型截面。,托梁的形式和尺寸,1柱间支撑（1）无吊车时柱间支撑的间距宜取3045m；当有吊车时宜设设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在
5、三分点处，且间距不宜大于60m；（2）当建筑物宽度大于60m时，内柱列宜适当增加柱间支撑；（3）支撑与构件的夹角应在3060范围内，宜接近45；（4）柱间支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑，当桥式吊车起重量大于5时，宜采用型钢支撑；（5）柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向荷载（如风、吊车制动力）按支承于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算；,三、支撑体系布置,柱间支撑布置,（6）对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑间可按均匀分布考虑；（7）在每一伸缩缝区段，沿每一纵向柱列均应设置柱间垂直支撑。,2屋面水平支撑,（1）屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二
6、个开间；（2）在刚架转折处（柱顶和屋脊）应沿房屋全长设置刚性系杆；,（a）（b）屋面水平支撑布置,（3）柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内，形成抵抗纵向荷载的支撑桁架；（4）屋面交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆应按压杆设计；（5）刚性系杆可由檩条兼作，此时檩条应满足对压弯构件的刚度和承载力要求；（6）屋盖横向水平支撑可仅设在靠近上翼缘处；（7）交叉支撑可采用圆钢，按拉杆设计；（8）屋面横向水平支撑内力，应根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，对于交叉支撑可不计压杆的受力。,为保证刚架梁下翼缘和柱内翼缘的平面外稳定性，可在梁与檩条或柱与墙梁之间增设隅撑。,
7、隅撑应按轴心受压构件设计，轴压力按下式计算,3 隅撑布置,隅撑构造,A 实腹式横梁被支承翼缘的截面面积；f 实腹式横梁钢材的强度设计值；fy 实腹式横梁钢材的屈服强度；隅撑与檩条轴线间的夹角。,第二节 檩条设计,（a）（b）（c）（d）（e）（f）实腹式檩条,（一）截面形式 檩条一般设计成单跨简支构件，有实腹式和桁架式两大类，实腹式檩条也可以设计成连续构件。,一、檩条布置和连接,桁架式檩条,（1）檩条承受弯曲和扭转的共同作用；（2）C形和Z形檩条，宜将上翼缘肢尖（或卷边）朝向屋脊方向；（3）屋脊檩条应采用双檩条方案，并应在高度1/3处用圆钢或钢管相互拉结；（4）檩条跨度由主刚架柱距决定；（5）
8、檩条间距应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、天沟、屋面材料、檩条规格等因素，一般应等间距布置，但在屋脊和檐口处，为便于屋脊盖板和天沟收边，檩条布置应做局部调整。,（二）布置和连接,（三）连接（1）檩条可设计为单跨简支构件或连续构件；（2）简支檩条和连续檩条一般通过搭接方式不同实现。连续C形檩条可通过采用稍大一点足够长的C形槽钢套在屋面檩条外后用螺栓锁紧实现，直卷边或带斜卷边的Z形连续檩条可采用叠置搭接来实现。,（a）钢板檩托（b）角钢檩托,檩条连接构造,拉条（图（a）（c）和撑杆（图（d）是提高檩条侧向稳定性的重要构造措施，拉条仅传递拉力，撑杆主要承受压力，和拉条共同作用，将檩条沿屋面坡度方向的
9、分力传给梁或柱。拉条和撑杆的截面应按计算确定，拉条一般采用直径816mm的圆钢，撑杆可采用钢管、方管或角钢做成，也可采用钢管内设拉条的做法，其长细比按压杆要求不能大于200。,（四）拉条与撑杆,（a）直拉条（b）斜拉条,（c）剪刀拉条（d）撑杆,拉条和撑杆的布置原则：（1）当檩条跨度l4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条；（2）当屋面坡度i1/10或檩条跨度l4m时，应在檩条跨中受压翼缘设置一道拉条；当跨度大于6m时，宜在檩条三分点处各设一道拉条（图3-13）；,（3）当屋盖有天窗时，应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆；撑杆处应同时设置斜拉条，将檩条沿屋面坡度方向的分力传到钢梁或钢柱上
10、。,（4）拉条一般设置在离檩条上翼缘1/3高度处，当檩条在风吸力作用下，受力反号且平面外稳定不满足要求时，宜在檩条的上下翼缘1/3腹板高度处设剪刀式拉条。,（一）荷载1.永久荷载屋面材料重量（包括防水、保温、隔热层等）、支撑和檩条自重；2.可变荷载屋面均布活荷载、屋面雪荷载、积灰荷载和风荷载、施工及检修荷载。对轻型屋面，檩条设计的风荷载要考虑向上的吸力和向下的风压力两种情况。采用双檩条兼做刚性系杆时，应考虑檩条作为纵向支撑体系的一部分而产生的轴向附加内力；对设有隅撑的檩条，尚应考虑作为刚架梁受压翼缘侧向支承产生的附加轴力和弯矩。,二、檩条计算,3.荷载组合原则（1）屋面均布活荷载不与雪荷载同时
11、考虑，应取两者中较大值；（2）积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；（3）施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；（4）当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。,（二）计算,（a）C型截面（b）Z型截面檩条计算示意图,1.内力分析垂直于主轴x和y的分荷载按下式计算：,式中p 檩条竖向荷载设计值；0 p与主轴y的夹角：对C形、槽形和工字型截面 0=，为屋面坡角；对Z形截面，为主轴x与平行于屋面轴x1的夹角。,2.强度计算,Mx、My 刚度最大主平面（由py引起）的弯矩和刚度 最小主平面（由px引起）的弯矩；Wenx、Weny 对主轴x、y的有效净
12、截面模量；x、y 截面塑性发展系数；f 钢材的强度设计值。,（1）当屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可不计算檩条的整体稳定性。（2）当屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可按下式计算檩条的稳定性,3.稳定计算,Wex、Wey 对主轴x、y的毛截面模量；bx 受弯构件绕强轴的整体稳定性；f 钢材的强度设计值。,两端简支檩条的挠度验算公式为,Ix截面对主轴x-x的毛截面惯性矩；v 容许挠度，对无积灰的瓦楞铁、石棉瓦等屋面为 1/150；对压型钢板、积灰的瓦楞铁、石棉瓦等屋 面为1/200；其他屋面为1/200；Pky 沿y轴荷载的标准值。,4.变形计算,一、荷载及荷载组合（一）荷载1永久荷载 结构自
13、重，一般为0.250.35kN/m2，屋面悬挂荷重按实际取值。2可变荷载 包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载、悬挂或桥式吊车荷载。,第三节 刚架设计,3地震作用 一般采用基底剪力法，对无吊车且高度不大的刚架可采用单质点简图；当有吊车荷载时，可采用2质点简图。,（a）单质点（b）两质点,竖向荷载的传力过程示意图,水平荷载的传力过程示意图,恒载（柱距6m）,活载（柱距6m）,左风（柱距6m，基本风压0.55）,右风（柱距6m，基本风压0.55）,1不考虑地震作用时荷载组合 永久荷载1.2+0.9（竖向可变荷载1.4+风荷载1.4+吊车竖向可变荷载1.4+吊车水平可变荷载1.4）；永久荷载
14、1.0+0.9（风荷载1.4+邻跨吊车水平可变荷载1.4）；永久荷载1.0+风荷载（吸力）1.4；永久荷载1.2+竖向可变荷载1.4。上述1、4项组合用于计算最大弯矩及最大轴力的内力组合以进行刚架截面强度的计算；2、3项组合主要用于计算轴力最小而相应弯矩最大内力组合进行柱脚及锚栓的计算。,（二）荷载组合,2考虑地震作用时荷载组合 计算刚架地震作用及自振特性时，永久荷载+竖向可变 荷载0.5+悬挂吊车或桥式吊车自重。计算刚架考虑地震作用组合的内力时，（永久荷载+竖 向可变荷载0.5+悬挂吊车或桥式吊车竖向轮压）1.2+地震作用1.3。实际经验表明，当地震设防烈度为7度而相应风荷载大于0.35kN
15、/m2（标准值）或为8度（、类场地上）而风荷载大于0.45kN/m2时，地震作用组合一般不起控制作用，可只进行基本的内力计算。,二、构件截面设计,门式刚架计算简图,变截面门式刚架应采用弹性分析方法，按平面结构确定各种内力，仅当构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。计算控制性截面的内力组合时一般应计算以下四种组合：Nmax情况下Mmax及相应V；Nmax情况下Mmin(即负弯矩最大)及相应V；Nmin情况下Mmax及相应V；Nmin情况下Mmin及相应V。内力计算原则：根据不同荷载组合下内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。,（
16、一）刚架的内力计算,边柱和梁以受弯为主，中柱以受压为主。梁柱截面采用焊接工字形截面并利用腹板的屈曲后强度，截面绕弱轴抗弯性能较差，构件的平面外稳定为结构设计的控制性因素。1变截面柱（1）平面内稳定计算,（二）构件的稳定设计,（3-13）,（2）平面外稳定计算,N0为小头的轴向压力设计值M1为大头的弯矩设计值；Ae0为小头的有效截面面积；We1为大头的有效面积最大受压纤维截面模量；xy杆件轴心受压稳定系数，楔形柱轴心受压稳定系数，计算长细比时取小头的回转半径；y为轴心受压构件弯矩作用平面外的稳定系数，以小头 为准；by为均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数；mx、t为等效弯矩系数；计算时回转半径i
17、0以小头为准。,对双轴对称、均匀弯曲的工字形楔形截面杆件,式中A0、h0、Wx0、t0 分别为构件小头的截面面积、截面高度、截面模量、受压翼缘截面厚度；Af 受压翼缘截面面积；iy0 受压翼缘与受压区腹板高度组成的截面绕轴的回转半径；l 楔形构件计算区段的平面外计算长度，取支撑点间的距离。,（1）水平横梁可不考虑轴力的影响，只需按截面受弯构件进行验算，一般应验算强度、整体稳定、局部稳定和挠度。（2）等截面折线型横梁，坡度不大于1/3时，可不考虑横梁内轴力的影响，仅需按受压、受弯构件进行验算；当坡度大于1/3时，应按压弯构件进行验算。（3）横梁不需计算整体稳定的侧向支承点间最大长度，可取横梁上下
18、翼缘宽度的 倍。当横梁上翼缘承受集中荷载处不设横向加劲肋时，除按下式验算该处的折算应力外,2水平横梁,腹板计算边缘同一点上同时产生的正应力、剪应力和局部压应力。,尚应满足下列要求,式中F 上翼缘所受的集中荷载；tf、tw 横梁翼缘和腹板的厚度；m 参数，m 1.0，在横梁负弯矩区取零；M 集中荷载作用处的弯矩；We 有效截面最大受压纤维的截面模量。,3变截面刚架斜梁（1）实腹式斜梁在平面内按压弯构件计算强度，在平面外按压弯构件计算稳定；（2）实腹式刚架横梁的平面外计算长度，应取侧向支承点间的距离；（3）当横梁两翼缘侧向支承点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支承点间的距离。（4）当实腹式刚架
19、横梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘的两侧布置隅撑作为横梁的侧向支承，隅撑的另一端连接在檩条上。,（三）局部稳定,1.板件最大宽厚比和利用屈曲后强度：工字形截面（采用三块板焊成）受弯构件中腹板以受剪为主，翼缘以抗弯为主；增大腹板的高度，可使翼缘的抗弯能力发挥更为充分；增大腹板厚度，可利用板件屈曲后的强度。,2.工字形截面构件受压翼缘自由外伸宽度b与其厚度t之比，应符合下式要求,3.工字形截面梁、柱构件腹板的计算高度hw与其厚度tw之比，不应大于。,当单跨变截面刚架横梁上缘坡度不大于1：5时，在柱顶水平力作用下的侧移u，可按下列公式估算：柱脚铰接刚架,柱脚刚接刚架,h、L 刚架柱高度和刚架跨度，当
20、坡度大于1：10时，L 应取横梁沿破折线的总长度L=2s；Ic、Ib 柱和横梁的平均惯性矩；H 刚架柱顶等效水平力。,三、单跨刚架侧移计算,变截面柱和横梁的平均惯性矩，可按下式计算：对于楔形柱,对于双楔形横梁,刚架柱顶等效水平力可按下列公式计算：当估算刚架在沿柱高度均布的水平风荷载作用下的侧移时,柱脚铰接刚架,柱脚刚接刚架,其中,当估算刚架在吊车水平荷载Pc作用下的侧移时，柱脚铰接刚架,柱脚刚接刚架,式中W 均布风荷载的总值；吊车水平荷载Pc作用高度与柱高度之比；Pc 吊车水平荷载；w1、w2 风荷载的均值。,两跨刚架：中间柱为摇摆柱的两跨刚架，柱顶侧移计算同单跨刚架，但L的应以2s代替，s为
21、单坡面长度。,中间柱与横梁刚接时：可将多跨刚架视为多个单跨刚架的组合体（每个中柱分为两半，惯性矩各为I/2），按下列公式计算整个刚架在柱顶水平荷载作用下的侧移：,式中 Ki 柱脚铰接时各跨刚架的侧向刚度之和；hi 所计算跨两柱的平均高度；li 与所计算柱相连接的单跨刚架梁的长度；Iei 两柱惯性矩不同时的等效惯性矩；Il、Ir 左、右两柱的惯性矩。,当刚架侧移不满足要求，需要采用下列措施之一进行调整：放大柱或梁的截面尺寸；改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的摇摆柱改为上端和梁刚接的节点连接形式。,（一）梁柱连接及梁拼接节点（1）门式刚架横梁与柱的连接，可采用端板竖放、平放和斜放三种形式。（2）
22、主刚架构件的连接可采用承压型或摩擦型高强螺栓连接。高强度螺栓直径通常采用M16M24。（3）斜梁拼接处，应采用外伸式连接，并使得翼缘内外的螺栓中心与翼缘的中心重合或接近。与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。,四、节点设计,（a）端板竖放 b）端板横放（c）端板斜放（d）斜梁拼接梁柱连接节点,端板支承条件,端板的厚度应根据支承条件确定，但不应小于16mm。（1）伸臂类端板,（2）无加劲肋类端板,（3）两边支承类端板当端板外伸时,1端板厚度确定,当端板平齐时,（4）三边支承类端板,Nt一个高强螺栓的受拉承载力设计值；ew、ef分别为螺栓中心至腹板和翼缘板表面的距离；b、bs螺栓的间距；a分别
23、为端板和加劲肋板的宽度；f端板钢材的抗拉强度设计值。,2节点域剪应力验算门式刚架斜梁与柱相交的节点域，应验算剪应力。,dc、tc分别为节点域的宽度和厚度；db斜梁端部高度或节点域高度；M节点承受的弯矩，对多跨刚架中间柱处，应取两侧斜 梁端弯矩的代数和或柱端弯矩；fv节点域钢材的抗剪强度设计值。,3端板螺栓处构件腹板强度验算,Nt2翼缘内第二排一个螺栓的轴向拉力设计值；P高强度螺栓的预拉力；ew螺栓中心至腹板表面的距离；tw腹板厚度；f腹板钢材的抗拉强度设计值。,（二）柱脚（1）多用平板式铰接柱脚或刚接柱脚；（2）水平剪力由底板与混凝土基础间的 摩擦力（摩擦系数取或设置抗剪键 承受；（3）计算带
24、有柱间支撑的柱脚锚栓在风 荷载作用下的上拔力时，应计入柱 间支撑产生的最大竖向分力。,地脚螺栓,加劲板,铰接柱脚,露出式刚接柱脚,一、屋面和墙面板屋面常见作法：一种采用夹芯钢板作为屋面的保温防水层；一种采用压型钢板防水并承受屋面荷载，钢板下铺设超细玻璃纤维棉保温。墙面系统也分为两种：一种为压型钢板内加玻璃纤维棉保温，如对外观要求较高，可在玻璃棉内侧增设彩钢平板；一种情况为采用具有保温功能的夹芯板。按构造作法屋面和墙面板可分为三大类即螺钉外露式、暗扣式和锁缝式。,第四节 围护结构,屋面构造作法,（a）压型钢板（b）夹芯板屋面板作法,墙梁一般采用C型和Z型冷弯薄壁型钢，最大刚度平面在水平方向。（一
25、）纵墙结构布置（1）墙梁的间距取决于墙板的材料强度、尺寸、所受荷载的大小、门窗洞口等（一般不大于2.5m）；（2）墙梁跨度为46m时，宜在跨中设一道拉条；当墙梁跨度大于6m时，宜在跨间三分点处各设一道拉条。当墙粱单侧挂墙板时，拉条应连接在墙梁挂墙板的一侧1/3处；当墙梁两侧均挂有墙板时，拉条宜连接在墙梁重心点处。（3）在最上层墙梁处宜设拉条将拉力传至承重柱或墙架柱。,二、墙面布置和连接,纵墙结构布置,（二）山墙结构布置,山墙结构布置,1荷载墙梁主要承受墙面板传来的风压力、风吸力和竖向自重荷载。计算墙梁的荷载组合有两种：竖向荷载+水平荷载（风压）；竖向荷载+水平荷载（风吸）。2计算单侧挂墙板的墙
26、梁，应按下列公式计算其强度和稳定：（1）在承受朝向面板的风压时，墙梁的强度可按下式计,（三）墙梁计算,Mx、My分别为水平荷载和竖向荷载产生的弯矩；Vx、Vy分别为水平荷载和竖向荷载产生的剪力；Wenx、Weny分别为绕主轴x和主轴y的有效净截面模量；b0、h0分别为墙梁在竖向和水平向的计算高度，取型 钢板件连接处两圆弧起点之间的距离；t 墙梁壁厚。（2）外侧设有压型钢板的墙梁在风吸力作用下的稳定性 可按轻钢规程附录E的规定计算。（3）当外侧设有压型钢板的实腹式刚架柱的内侧翼缘受压时，可沿内侧翼缘设置成对的隅撑，作为柱的侧向支承。隅撑的另一端连接在墙梁上。,第五节 设计实例,（一）设计参数：（
27、1）单层房屋采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度24m，长度60m，柱距6m，檐口标高7m，屋面坡度1/10。（2）屋面和墙面均采用夹芯板，天沟为彩钢板天沟。（3）钢材材质为Q345，f=310N/mm2，fv=180N/mm2。（二）设计荷载屋面恒载为0.25kN/m2，活载为0.5kN/m2；雪载为0.2kN/m2，基本风压为0.55kN/m2，地面粗糙度为B类。,一、设计资料,计算模型及风载体型系数,1.2恒载+1.4活载；1.2恒载+1.4风载；1.2恒载+1.4活载+1.40.6风载；1.2恒载+1.40.7活载+1.4风载；,（三）荷载组合,（四）设计要求1.确定屋面结构布置（包括支撑体
28、系布置）2.计算门式刚架内力和变形（1）确定梁、柱截面形式，并初步估截面尺寸（2）梁、柱线刚度计算及梁、柱计算长度确定（3）荷载计算（4）计算各工况下的内力、柱顶水平位移及横梁挠度（5）荷载组合和内力组合（不考虑抗震情况）,（四）控制指标柱顶水平位移：横梁挠度：无吊顶 有吊顶（五）构件及连接节点设计1.柱脚设计2.梁、柱连接节点设计3.屋面梁拼接节点设计,节点及单元编号图,二、计算模型,设计中应注意的问题,刚架拼接点的设置（受运输长度限制）拼接处截面（两侧截面高度相等）梁柱截面宽度（柱宽度梁宽度）梁柱翼缘与腹板厚度檩条截面形式（C型和Z型）屋面水平撑 刚性：角钢；柔性：圆钢刚性系杆（钢管）,三、荷载工况,（a）恒载,qD=0.25x6=1.5,（b）活载,qL=0.5x6=3,（c）左风,（d）右风,四、各工况内力,（a）弯矩（b）剪力,（c）轴力恒载作用下刚架内力图,（a）弯矩（b）剪力,（c）轴力活载作用下刚架内力图,（a）弯矩（b）剪力,（c）轴力左风作用下刚架内力图,选取荷载组合1.2恒载+1.4活载对构件内力值进行验算。,五、组合内力,六、构件截面验算,谢谢！,
