中南大学钢结构课程设计.docx

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1、中南大学土木工程学院土木工程专业（本科）钢结构基本原理课程设计任务书题 目：钢框架主次梁设计姓 名：班 级： 学 号：一、设计规范及参考书籍1、规范（1） 中华人民共和国建设部. 建筑结构制图标准（GB/T501052001）（2） 中华人民共和国建设部. 房屋建筑制图统一标准（GB/T500012001）（3） 中华人民共和国建设部. 建筑结构荷载规范（GB50092010）（4） 中华人民共和国建设部. 钢结构设计规范（GB500172003）（5） 中华人民共和国建设部. .钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）2、参考书籍（1） 沈祖炎等. 钢结构基本原理，中国建筑工业

2、出版社，2006（2） 毛德培. 钢结构，中国铁道出版社，1999（3） 陈绍藩. 钢结构，中国建筑工业出版社，2003（4） 李星荣等. 钢结构连接节点设计手册（第二版），中国建筑工业出版社，2005（5） 包头钢铁设计研究院 中国钢结构协会房屋建筑钢结构协. 钢结构设计与计算（第二版），机械工业出版社，2006二、设计构件某多层图书馆二楼书库楼面结构布置图如图，结构采用横向框架承重，楼面活荷载标准值 2.0 kNmm2 （单号）、5.0 kNmm2 （双号），其中 12 班竖向梁跨度取值：学号 110 为 8m、学号 1120 为 10m；学号 21为 12m；其中 13 班水平向梁跨度取

3、值：学号 110 为 9m、学号1120 为 11m；学号 21为 13m；。楼面板为 120mm 厚单向实心钢筋混凝土板，荷载传力途径为：楼面板次梁主梁柱基础。设计中仅考虑竖向荷载和活载作用，框架梁按连续梁计算，次梁按简支梁计算。其中框架柱为焊接H 型钢，截面尺寸为H6003001218，层高 3.5m。三、设计内容要求（1） 设计次梁截面 CL-1（热轧 H 型钢）。（2） 设计框架主梁截面 KL-1（焊接工字钢）。（3） 设计框架主梁短梁段与框架柱连接节点，要求采用焊缝连接，短梁段长度一般为 0.91.2m。（4） 设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点，要求采用高强螺栓连接。（5） 设高

4、计次梁与主梁工地拼接节点，要求采用强螺栓连接。（6） 绘制主梁与柱连接节点详图，次梁与主梁工地拼接节点，短梁段及主梁体连接节点详图，梁体截面详图(2#图纸一张)，KL-1 钢材用量表，设计说明等。（7） 计算说明书，包括构件截面尺寸估算、荷载计算、内力组合、主次梁截面设计、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算，节点连接计算。DLL-1LL-1LL-1LL-1000004CL-1CL-1CL-1CL-108010-1L-111L-L-L-C04KLL-1KLL-1KLL-1KLLL-1K000004CL-1CL-1CL-1CL-18B00111110-0L-4KL-LL-1KL-LL-1KL

5、LL-1KLLL-1K000004CL-1CL-1CL-1CL-18A0010-11110L-L-L-4KKKLKLKLL-1LL-1LL-1LL-1190009000900090002345图1 结构平面布置图提示：（1） 取其中一榀框架进行计算，如轴线 3，计算中要考虑活荷载的不利布置。（2） 框架梁与柱为固结，次梁与框架梁之间为铰接。（3） 绘图注意事项1、平面布置图。2、主梁施工详图.主要绘制主梁的正面图、平面图以及必要的侧面图和剖面 图， 特殊零件的大样图。比例尺：轴线方向：1:20 1:30，以免图幅太大；杆件截面、节点详图 1:101:15， 或更大（原则清楚表达节点的细部制造要

6、求）。3、要全部注明的各零件（杆件和板件）的定位尺寸，孔洞的位置，以及对 工厂加工和工地施工的所有要求。定位尺寸主要为主、次梁的轴线位置；螺栓孔位置要满足型钢线距表和螺栓容 许的排列距离要求；对加工及工地施工的其他要求包括零件切刨、孔洞直径和 焊缝尺寸等；焊缝要区分工厂焊缝和工地焊缝，以及适应运输单元的划分和拼 装。4、施工图中应注明各零件的型号和尺寸，对各零件进行详细编号，并附有材料表。型钢要注明型号和长度。钢板要注明宽、长和厚度。零件按主次、上下、 左右一定顺序逐一编号。编号与原则：完全相同的零件给予相同的零件数字编号，否则给予不同的编号。5、说明：包括钢材的标号、焊条型号、焊接方法和质量

7、要求。图中未注明 的焊缝和螺孔尺寸以及油漆、运输和加工要求等图中未表现的其它内容。如：235B说明：1：钢材用Q，焊条采用E43 型3：未注明的角焊缝尺寸为 6 4：未注明的焊缝长度为满焊5：未注明的螺栓为M20，孔经20.56：构件表面彻底除锈，涂防锈漆和醇酸磁漆各二度。图例：圆孔装配螺栓永久螺栓数量重量构件编号零件号截面长度（）正反每个共计合计1234材料表一、 设计计算简化要点：（1） 板面荷载按单向板分布；（2） 次梁与框架梁铰接连接，各次梁受力相同，可任取其中一根分析；根据荷载传力途径： 楼面板次梁主梁柱，依次计算各部分受力情况。（3） 框架梁按连续梁设计，应考虑荷载的最不利位置。1

8、、结构材料材质1、Q235 钢，f = 215 N / mm 2 , f= 125N / mm 2v2、E43 焊条， fw = 160N / mm2fA、楼面板部分楼面板为 120mm 厚单向实心钢筋混凝土板。q =45=20kN/ m楼面活载标准值：楼面板永久荷载标准值：q =43=12kN/ m楼面板自重已经包括在永久荷载里面，所以不计算。q =1.420+1.212=42.4kN/ m楼面板荷载设计值：q =20+12=32kN/ m楼面板荷载标准值：B、次梁部分1、次梁在主梁上方，按简支梁计算。2、计算最大弯矩与剪力设计值11M=ql2 = 42.4 112 = 641.3KN/mm

9、ax88V= 1 ql = 1 42.4 11 = 233.k2Nmax22次梁弯矩图：次梁剪力图：3、确定次梁的截面尺寸M641.3106W =max =2840.7c5m3xg f1.05215选用截面模量最小值：x d根据截面模量选用热轧 H 型钢 ,查附表可知：H = 488mm B = 300mmI= 71400cm4xt= 11mm1t= 18mmW= 2930cm3xS=1084.11549.c9m3x4、次梁验算2A = 164.4cm2i= 20.8cmx4、由于选择的是热轧 H 型钢，不用验算局部稳定。又混凝土板覆盖在受弯构件的受压翼缘上并与其牢固连接，能阻止受压翼缘的侧向

10、变形，故不用验算次梁的整体稳定性。综上分析可知，次梁验算需要对强度和刚度进行验算。5、抗弯强度检验（翼缘边缘的弯曲应力） ：s = Mmax641.3 106= 208 N / mm2 f = 215 N / mm2满足g W1.05 2930 103xx6、抗剪强度检验（腹板处的剪应力）：VSt =ImaxtXxw232.20 10 3 1549.9 10 3= 46.02 N / mm 2 f71400 10 4 11v= 125 N / mm 2满足7、刚度检验=kV5q l 4 =5 32110004= 41.48mm l= 11000 = 44mm8、384 EI384 2.0610

11、5 71400104x250250满足故满足刚度要求。综上所述， HM 488 300 11 18 型钢满足要求。C、主梁部分由简化力学模型得知，忽略连续梁对框架梁的荷载影响，只考虑次梁传递的荷载。而次梁的荷载又分为永久荷载和活荷载两部分，需要考虑荷载的最不利布置情况，框架梁按连续梁计算。主梁力学简化模型图：主梁截面尺寸待定，因此先不计主梁自重荷载：k集中恒载标准值：G= 20 11 = 220KN集中活载标准值：Qk = 12 11 = 132KN集中恒载设计值：G = 1.2 11 20 = 264KN集中活载设计值：Q = 1.4 12 11 = 184.8KN此结构具有对称性，仅对以下

12、五种具有代表性的荷载在形式进行分析：连续梁受满布活载1 跨受满布活载2 跨受满布活载1、2 跨受满布活载1、3 跨受满布荷载通过上图比较可知：最不利弯矩为+组合中： M max = 510.400 KN m最不利剪力为+组合中： Vmax= 247.500KN考虑计算时未计自重，出于安全考虑取 M = 1.1 510.4 = 561.44 KN m假设主梁钢板厚度 16mm， Q235 钢的抗弯强度设计值得 f =215N/ mm2 ,E=20610 3 N/ mm2 l 和 v =250。梁最大容许挠度为 L/250.所需截面模量为W= Mxgmaxf561.44106= 2487.0cm3

13、 1.05 215x d尺寸设计（1）.腹板高度1）.钢梁的最小高度（按最大挠度限值确定）h5 fl. l =5 215 11000 250 = 459.96mmmin31.2E v 31.2 206 1032）.经济高度经验公式3 wxh= 7 e-30 = 7 3 2487.0-30= 64.840cm = 648.40mm综上计算，取腹板高度hw = h 0 =700m(2). 腹板厚度1）.抗剪要求tw=1.2 Vmax= 1.2 247.5103= 3.39mmhf700125w v2）.局部稳定和构造因素ht=w =w3.57003.5= 7.56mm综上取t w=12mm，选用腹

14、板 70012。(3). 翼缘板截面尺寸（ b t）一般翼缘宽度取 10mm 的倍数，厚度取 2mm 的倍数翼缘宽度b=(1/5,1/3)h = (140,233.3)，取b = 200mmxA= Wt h- ww=2487 103- 1 700 12 = 2152.8mm2fh又：w67006tf=A=2152.8b200= 10.76mm,t = 16mm.I=W112I 200 7303 -x112 (200 - 12) 7003= 8.776 108 mm 4=x= 2.397 10 mm63xh / 2S= 200 16 358 + 3502 12 2 = 1.88 106 mm3x

15、S= 200 16 358 = 1145600mm3lI=y112 700 123 + 2 112 16 2003= 2.143 107 mm 4A = 2 200 16 + 12 700 = 14800mm2ix=I=iy=AIxyA=8.776 106148002.143 10714800= 243.51mm= 38.05mm翼缘与腹板连接焊缝计算初选截面 732 200 12 16 如图所示：fw= 160N / mm2,V = V= 247.5KNfmaxS = 200 16 358 = 1145600mm3l1V Sh 1= 1.84mmf1.4fw Ihf minf 1.5 tma

16、xx= 1.5 4 = 6mm,hf max 1.2tmin= 1.2 12 = 14.4mmh=10mm取f。钢结构在焊接时焊条采用 E43 系列，焊接方法为手工焊。主梁截面验算主梁自重标准值：q = 7.85 9.8 14800 10-6= 1.138kN / m主梁自重设计值：1.2q = 1.2 1.138 = 1.37kN / m主梁（包括自重）所承受的最大弯矩与最大剪力按照近似计算：11M max= Mmax+ql2= 510.4 + 1.37 82= 517.71kN m81211V max= Vmax+ql = 247.5 + 1.37 8 = 252.98kN 22(1) 抗

17、弯强度验算考虑部分发展塑性变形取g x = 1.05Ms= g Wxx517.71 106= 205.69N / mm2 215N / mm2 , 1.05 2.397 106所以抗弯强度满足要求(2) 抗剪强度验算xt= VS252.98 103 1.88 106= 45N / mm2 125N / mm2I t8.766 108 12x所以抗剪强度满足要求(3) 局部承压强度验算跨中集中力： F = 448.8kNl= a + 5h = 300 + 514 = 370mmz局部压应力：sF448.8 103= 176.31N / mm2 215N / mm2ct lw z12 370(4)

18、 折算应力验算hs=0 s=350 205.69 = 201.09 Nmm21h368t= V1SImaxt01xw252.98 10 3 1145600= 27.52/Nmm 28.76610 812翼缘与腹板相接处计算折算应力：s 2 +s 2 -s s+ 3t 21cc1201.092 +176.312 - 201.09 176.31+ 3 27.522s=zs=195.81N / mm 2 f（5）焊缝强度验算：= 215 Nmm2d满足s1V S252.98103 1145600fw=1.4hfI1 =x1.4108.776108= 23.5 Nmm2 16= 16 ，故需要验算整体

19、稳定性。其侧向的计算长度：l= 4 0.7 = 2.8m0y长细比:l=oxlixx=4000243.51= 16.43l=oyliyy=280028.05= 73.59fy235235235lmax = max(lx,ly) = 73.59 0.6b 73.5922.397 106 ) =0.282 235j b 应根据弹塑性方法来修正，j = min(1.0,1.07 -bjbmin (1.0,1.03) = 1.0欧拉临界力Np 2EA=p 2 2.06 105= 14800= 1.01 108Nex1.1l2x1.1 16.432mx有端弯矩和横向荷载作用且使构件产生同向弯曲b= 1.

20、0tx在构件段内有弯矩和横向荷载作用且使构件产生异向弯曲b= 0.85又主梁简化模型轴力 N = 0平面内整体稳定：NbM1.0517.71106Nf+mxmax= 0 + 1.05 2.39710 (1- 0.80)AgWxx(1- 0.8)6xNex= 205.70 Nmm2 215 Nmm2满足平面外整体稳定：N+hbM0.85 517.71610txmax = 0 +1.0 f Af Wybx1.0 2.397 106满足= 183.58 Nmm2 215 Nmm2235235局部稳定性验算：翼缘： bt= 200 - 122 16= 5.875 15= 15 满足h腹板：0 =700

21、= 58.33 80= 80 满足t12w235235刚度验算以铰接验算刚度计算知q=1.138kN mF = G+ Qkk= 220 +132 = 352kNd=5ql 4384EIx+ Fl 348EIx=51.13880004+384 2.06 105 8.776108352 103 8000348 2.06105 8.776108 满足= 21.10mm l= 8000= 32mm250250可知，当为固结时刚度增大，挠度减少，满足。D、柱子部分H 型钢不需要验算局部稳定性，且据前面分析只需运算外围柱子，当1、3 跨收到满活载时达到最大剪力弯矩M max = 517.71 KN mN=

22、 252.98KNmax框架柱为焊接 H 型钢，截面尺寸为 H6003001218，楼层层高取 3.5m。柱子截面特征： A = 56412 + 30012 2 =17568 mm211xI= 12 300 6003 - 12 288 5643 = 1.094109 mm411I=183003 2 +564123 = 8.108107mm4y12=1.094109W12= 3.647106mm3x300IxAIxA1.094 10917568i= 249.54mmi=xy= 67.94mml= l 0 =xix1750= 7.01mm l = 150249.54l= l 0 =yiy8.108

23、107175681750 = 25.76mm l = 15067.94刚度满足。强度验算：NM252.98 103517.71 106+=+= 149.50N / mm2 215N / mm2xAg W175681.05 3.647 106满足弯矩作用在平面内：l= 7.01,fxx= 0.966,gx= 1.05,bmx= 1.0p 2EAp 2 2.06 105 23550N= 6.61 108 Nex1.1l2xNbM1.1 7.012252.98 1031.0 517.71 106f A +mxN =0.996 17568 +252.98 103 bg Wx1 - 0.8NEX1.05

24、 3647000 1 - 0.8 6.6 108= 149.69N / mm2 215N / mm2满足弯矩作用在平面外：l= 25.76,fyy= 0.951,h = 1.0,bex= 1.0f= 1.07 - l2by/ 44000 = 1.07 - 57.52= 1.05544000+ hNbMex252.98 1031.0 517.71 106=+ 1.0 = 149.70N / mm2 215N / mm2f Af W0.951 175681.055 3.647 106yb满足E连接部分（一）.框架主梁短梁段与框架柱节点（焊缝连接），施加引弧板。采用焊缝连接：Q255 角焊接的的抗拉

25、强度 fw = 160 N / mm2fQ235 对接焊缝的抗拉强度 fw = 215N / mm2f在剪力和轴力作用下，焊缝应力分布为矩形。其中剪应力由腹板承担，轴力则由所有焊缝承受。由主梁在各种不利荷载组合下的内力图可知，在连接处的最大内力为：11M max= Mmax+ql2= 510.4 + 1.37 82= 517.71kN m81211V max= Vmax+ql = 247.5 + 1.37 8 = 252.98kN 22在弯矩作用下，焊缝应力分布为三角形。从应力分布来看，最危险点为“a”或者“b”点。1）.焊角尺寸t30采用手工焊角焊缝，则有焊角尺寸应满足hf 1.5(其中t为

26、较厚焊件尺寸)，取t = 30mm, hmin=1.5= 8.22mm又h= 1.2t(其中t为较薄焊件的厚度),max,t =10mm hmax取h=12mmf=1.212 =14.4mm2）.焊缝截面特征水平焊缝面积 A= 0.712 2 (200 - 212)+ (200 -12 - 212) = 4760mm2 f1竖向焊缝面积 A= 0.7122600 =10080mm2f 2焊缝总面积A = A+ Aff1f 2=14840mm21构件截面对称，焊缝也对称，因此焊缝形心至水平板顶面的距离（y ）与焊缝形心至水平板底面的距离（ y2焊缝惯性矩）等于 y= y= y2h1= 2 =31

27、6mm1I= 0.7 12 2 2003162 + 4943002 + 2 6003 = 9.22 108 mm4x12yI= 0.712 41 2003 - 2121 123 + 2600 62 = 2.677106 mm412I= I+ I= 9.223 108mm4fxy3).焊缝受力分析根据最不利荷载计算出的内力，可知在短梁段与柱连接点处的最大内力可能出现两种情况：(N = 0)(1)“a”处应力为：t V = 0fas M = My= 517.71106 316= 177.37 Nmm2faIf9.223108 s M 2fab+()tV2fafs=a= 145.39 Nmm2 f

28、w = 200 Nmm2 177.37 21.22+(0)2f结论：“a”点应力满足要求。（2）“b”处应力为：t V =fbV252.68103=A10080f 2= 25.097 Nmm2Is M = Myfbf= 517.71106 (316 -16) = 168.39 N9.223108mm2 s M 2fb +t V()2 bffbs=b= 140.290Nmm2 f w = 160 Nmm2 168.39 2 +(25.097)21.22f结论：“b“点应力满足要求。由以上计算可知采用全部双面角焊缝能满足设计的要求。（二）.框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点（高强螺栓连接）1、计算螺

29、栓连接处的内力（1）由集中荷载产生的固端弯矩取短梁段长度为 1.0m,由计算得主梁在各种不利荷载组合下的内力图可知，距柱 1.0m 的短梁处，最大内力为：mMM1v 01V 1011max梁端最大弯矩M= M= 517.71KN m ，1对应工况下支座最大剪力为V= 252.98KN弯矩： M = MV = V- V a = 264.73KN m11= 252.98 KN剪力：1截面特性毛截面惯性矩，由前已算出Ix= 8.776 108 mm4t h2I=w012 7003= 2.585 108 mm 4腹板惯性矩， xw1212翼缘惯性矩，I= I- Ixfxxw= 8.887 108- 2

30、.858 108= 5.918 108 mm4则分配到翼缘的弯矩IM=xf xfIx M=15.9188.776 517.71 = 178.52kN m分配到腹板上的弯矩IM =xw xwIx M=12.8588.776 517.71 = 86.21kN m翼缘拼接设计由于翼缘板处根据构造要求配置的螺栓数量远大于根据强度验算所需的数量，因而采用的 10.9 级摩擦型高强螺栓连接，孔径d0 = 20.5mm ，M20N b= 0.9nvfmP = 0.9 2 0.45 155 = 125.55KNn传力摩擦面数目为 2fm 摩擦面的抗滑移系数，钢材采用 Q235，喷砂m = 0.45P 每个高强

31、螺栓的预压应力，通过查阅钢结构设计规范，n梁单侧翼缘连接所需的高强度螺栓数目Fb根据翼缘所承受的弯矩，翼缘拼接板所传递的轴向力为MN =xffh= 178.52 103732= 243.88kN,其中 h 为两翼缘形心间的距离。拼接板向边传递磁力所需螺栓的个数为fn N=243.88= 1.9N b125.55v螺栓孔径取 24mm，翼缘板的净截面面积为：A= (200 - 2 20.5) 16 = 2544mm2n翼缘板所能承受的轴向力设计值为：N = A f = 2544 215 10-3n= 546.94Nn=NFbN bv= 3.53采用 6 个。 2 翼缘外侧拼接连接板的厚度：2取t

32、= 16mmt = t + 3 = 0.516 + 3 = 11mm11，翼缘外侧板的尺寸为：16 200 520mm3翼缘内侧拼接连接板的宽度和厚度：200 -12 - 212b =宽度：mm = 82mm2t bt=ff+ 4 =16 200+ 4mm = 13.76mmt= 16mm厚度： 24b4 82取 2所以，内拼接板的尺寸为:1682 520mm3螺栓强度验算上述计算表明螺栓强度满足，可不必进行验算。（3）腹板拼接设计n 1 梁腹板连接所需的高强螺栓数目wb ：采用 10.9 级摩擦型高强M20 螺栓，起孔径为 20.5mm,连接处的构件接触面的为喷砂处理方法， 抗滑移系数： m

33、 = 0.45 ，预拉力为： P =155KNN b= 0.9n mP = 0.9 2 0.45 155 = 125.55KNvf 2 腹板两侧连接板的厚度：ht= tw w +1 = 6.7mmt= 12mm32h取 3腹板两侧连接板的尺寸不妨取为： 12 360 500剪力Vo 在螺栓群形心处所引起的附加弯矩：M = V0a = 252.98 90 10-3 = 22.77 KN .m修正后的弯矩：M = M + Mw螺栓最大应力= 86.21 + 22.77 = 108.98 KN .mNM =1xMy1r2=108.98106 200= 89.62KN4 402 + 4 1202 + 4 2002 +12 402NM =1yMx1r2=108.98106 40= 17.92KN4 402 + 41202 + 4 2002 +12 402Nv =1 yV = 252.98 = 21.08KNn12(N M )2 + (N v1x1y+ NM )21y(89.62)2 + (19.92 + 21.08)2=