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1、.中南大学土木工程学院土木工程专业（本科）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钢结构基本原理课程设计任务书题题 目：目：钢框架主次梁设计姓姓 名：名：班班 级：级：学学 号：号：.目录一设计条件 3二设计内容和要求 4三设计次梁截面 CL-1 53.1 次梁截面内力计算（不含次梁的自重）3.2 次梁截面选取3.3 次梁截面的验算四、设计框架主梁截面 KL-1 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1 框架主梁截面内力计算4.2 主梁截面选取4.3 主梁截面的验算五、设计框架主梁短梁段与框架柱连接节点 错误错误!未定义书签。未定义书签。5.1 连接处内力计算5.
2、2 设计焊缝尺寸六设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点 错误错误!未定义书签。未定义书签。6.1 连接处内力计算6.2 高强螺栓的选择以及孔距的确定6.3 截面特性6.4翼缘的拼接设计.6.5腹板拼接计算6.6验算钢板净截面强度七设计体会 27八设计规范及参考书籍 291、规范2、参考书籍一设计条件一设计条件某多层钢框架结构三楼楼面结构布置如图 1 所示，结构采用横向框架承重，楼面活荷载标准值 8kN m2，楼面板为 150mm 厚单向实心钢筋混凝土板，楼层装修从下至上具体如下：轻钢龙骨吊顶(0.2kN m2)框架钢梁 150mm 厚实心钢筋混凝土板(25kN m3)水磨石面层(包括 20mm
3、 厚水泥砂浆找平，0.65kN m2)。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作用，框架主梁按连续梁计算，次梁按简支梁计算。.LL-1LL-1CL-1LL-1CL-1LL-1CL-1D40004000KL-18000CL-1KL-1KL-1KL-1KL-150040004000KL-18000CL-1CL-1CL-1CL-1KL-1KL-1KL-140004000KL-18000CL-1CL-1CL-1CL-1KL-1KL-1KL-1KL-1ALL-19000LL-19000LL-19000LL-1900012以下设计中钢材选用 Q235。345图2 框架柱截面图图1 结构
4、平面布置图二设计内容和要求（1）进行次梁 CL-1 截面设计。（2）进行框架主梁 KL-1 截面设计，并绘制施工图。（3）进行框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点设计，短梁段长度一般为 0.91.2m，要求采用高强螺栓连接，并绘制施工图。（4）进行框架主梁短梁段与框架柱连接节点设计，要求采用焊缝连接，并绘制施工图。要求：提交设计计算说明书一份，框架主梁 KL-1 施工图（一号图）一张。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（包括截面板件连接焊缝设计）、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算。计算书按中南大学课程设计统一格式编制，要求书写认真、字迹.30540BLL-
5、1LL-1LL-1LL-1KL-130CLL-1LL-1LL-1LL-1.工整，并按以下顺序装订成册：封面、设计任务书、目录（应标明页码）、设计计算正文文本、设计体会、参考文献（按规范格式书写）、封底。施工图绘制包括：绘制框架主梁短梁段与梁体制作详图、框架主梁短梁段与柱连接节点详图、短梁段与主梁梁体连接节点详图，KL-1 钢材用量表，设计说明(1#图纸一张)。施工图图面布置合理，比例适当，图面整洁，线条清楚，文字采用宋体或仿宋体，符合制图标准，达到施工图要求。三设计次梁截面设计次梁截面 CL-1CL-13.13.1 次梁截面内力计算（不含次梁的自重）次梁截面内力计算（不含次梁的自重）由于次梁可
6、以看作是两端铰接的，为了简化计算，只将次梁两侧的楼面荷载以及楼面板自重加入计算，荷载的标准值入下：楼面活载：qk 84 32KN/m；根据楼面板的构造可知，楼面混凝土自重：gk 250.1540.6540.24 18.4KN/m；荷载设计值：qd1.432 44.8KN/m（楼面活载大于4.0KN/mm2）gd1.218.4 22.08KN/m则其计算简图如下图 3 所示：.图 3次梁荷载分布图由此可知其弯矩最大值出现在跨中，其弯矩剪力图 4 如下所示:.图 4次梁弯矩剪力图最大弯矩设计值（跨中截面处）1M(22.0844.8)9.02677.16KNm81V(22.0844.8)9.0300
7、.96KN23.2.2 次梁截面选取次梁截面选取根据抗弯强度要求，考虑截面部分塑性发展系数，此时Mx677.16106Wx 4199441.86mm3bf0.75215腹板高度腹板高度1.钢梁的最小高度（按最大挠度限值确定）hminxfL1.05215L=4009000=60.69cm36.5Ev6.520610上式中取 Q235 钢的抗弯强度设计值得f=215N/mm2,E=206103N/mm2和L=400。v2.经济高度经验公式he=73Wx30cm今需要的截面模量为Mx677.16106Wx 2999.6cm3xf1.05215he=73Wx30cm=732999.6 30=71.0c
8、m.取腹板高度hw=h0=750mm，加翼缘厚度可使梁高度满足上述要求。2)2)腹板厚度腹板厚度1、抗剪要求t1.2Vmax1.2300.96103w=h=wfv750125=3.85mm式中取 Q235 钢的fv=125N/mm2。2、局部稳定和构造要求（式中hw以 mm 计）t=27h2w1w=7750=7.8mmtw2=70.003hw=7.80.003750=10.1mm综上取tw=12mm，选用腹板75012。3)3)翼缘板截面尺寸（翼缘板截面尺寸（bt）根据抗剪强度和整体稳定性要求btWxh1hwtww6抗弯强度要求WMx677.16106x 2999.6cm3（见前）xf1.05
9、215整体稳定性要求（试取整体稳定性系数b=0.70）WMx=X=677.16106bf0.70215103=4499.4cm32999.6cm3bt4499.41606751.2=59.9（a）.cm2.在确定b和t时，应考虑翼缘板的局部稳定性和构造要求，近似取b2352351313=132tfy235tbb=（b）21326由式（a）及（b）得b=59.926 39.4cm,取b=400mmtb400=15.4mm，即取t=16mm2626供给bt=401.6=64cm2（需要bt=59.9cm2是在假设b=0.70时提出来的，因具体b值还不确定，故供给的bt值不一定大于或等于 59.9c
10、m2。所选bt是否恰当，要在进行验算后才知道，故这里采用的都是初选的尺寸）。初选截面如下图 5 所示：图 5次梁初选截面3.3.3 次梁截面的验算次梁截面的验算1)1)截面的几何特性截面的几何特性截面积Af=2401.6751.2=218cm2惯性矩40078231947503Ix2 229976.727cm41212164003750123Iy217077.467 cm41212.截面模量Ix2229976.73=5881.76cm3Wx=h/278.2对 y 轴的回转半径iy=IyA=17077.467=8.85cm218梁的侧向长细比y=l1900=101.7iy8.85半截面对中和轴x
11、的面积矩Sx37.51.218.75401.638.33294.95cm32)2)整体稳定验算整体稳定验算受压翼缘自由长度l1=9.0m，宽度b=400mml19.0 103=22.513400b1需要验算整体稳定性双轴对称焊接工字形等截面简支梁的整体稳定性系数yt122354320Ah1()b=b2fy4.4hyWx令b=1.15那 么 有b=1.15 21878.2432025881.76101.7101.7 1.621()4.478.2235=1.540.6，显然地，梁已经进入了弹塑性工作阶段，其临界弯235矩值有明显的降低，应该下式对b进行修正.=1.070.282/bb那么b=1.0
12、70.282/1.54=0.8871.0Mx677.16106103129.8N/mm2 f 215N/mm2=bWx0.8875881.76满足要求3 3）抗弯强度验算）抗弯强度验算MxxWx=677.16106103109.65N/mm2 f 215N/mm21.055881.76满足要求4 4）抗剪强度验算）抗剪强度验算VmaxSx300.961033294.95103 35.93 N/mm2fv125 N/mm2=4229976.72710 12Ixtw满足要求支座处局部压应力验算支座处局部压应力验算由于未知主梁的截面尺寸，故先假设a 100mm，则lz a 2.5hy100 2.51
13、6 140mm。F300.96103即c179.14N/mm2 f 215N/mm2lztw14012满足要求，且不需要设置支承加劲肋。.6 6）翼缘板的局部稳定性验算）翼缘板的局部稳定性验算btw40012235235=12.12513=13=132tfy216235满足要求7 7）腹板的局部稳定性验算）腹板的局部稳定性验算hw75023523562.5848484tw12fy235满足要求，因此不必设置加劲肋。8 8）挠度验算）挠度验算5MKL5338.68810 9.010=11.8mmvmax=48206103102461.710448EIx2632vmax11.8L11.4103=L
14、v4008400满足要求，综上所选的次梁截面合适。4 4.1 框架主梁截面内力计算由于框架主梁可以看作是刚接框架的，为了简化计算，只将次梁的支座反力当作集中荷载作用再主梁上，主梁的自重再以后检算时再考虑，即其计算简图如下图 6 所示：1Fm 21.218.49.0198.72KN21Fk 21.4 32 9.0 403.2 KN2.图 6框架主梁荷载分布图由等跨梁的最不利荷载布置规律可知：（1）求某跨跨内的最大正弯矩时，应在本跨内布置荷载，然后隔跨布置；（2）求某跨跨内的最大负弯矩时，应在本跨不布置荷载，然后在左右邻跨布置，然后隔跨布置；（3）求支座的最大剪力时，应在该支座左右邻跨布置，然后隔
15、跨布置。荷载分析：a 次梁恒载集中力.b 连续梁满布活载c 左跨满布活载.d 中跨满布活载e 左、中跨满布活载.f 左、右跨满布活载内力计算结果M1M2MB6-213.6MC6VA.（1）（2）（3）（4）（5）（6）213.66403.2456.96-67.2389.76470.4213.66403.2-67.2537.6407.4134.4-213.6-403.26-403.253.76-268.84252106.83201.6241.92-50.4191.52-188.1-268.86-215.0134.4-456.9134.4.-106.8VD3-106.8VB 左3-201.68-1
16、61.2-50.4800640.32151.2-211.6-151.2-201.6-10.0850.440.32-252VB 右106.83201.630.24201.6231.84-106.8VC 左3VC 右106.83201.6-10.0850.4内力组合及最不利荷载（1）+（2）（3）（4）（5）（6）（1）+（1）+（1）+（1）+-201.630.24-201.6-171.3最不利荷载M1616.86670.62146.46603.42684.06684.06M2616.86146.46751.26621.06348.06751.26-616.8MB6-616.8MC6-159.9
17、626-482.4-428.7-79.26-616.862-401.8-482.4-670.6-79.26-670.62VA308.43348.7556.43298.35358.83358.83-308.4VD3VB.-116.9-56.43-66.511-268.1-157.2-318.5-358.8-358.833-258.0-318.51-308.4.左VB31313308.43137.07308.43338.67106.83338.67右VC左VC308.4396.75157.23147.15258.03308.43右所以：Mmax 751.26kN mVmax 358.83kN2.2
18、.主梁截面设计主梁截面设计假设钢板厚度16mm，取 Q345 钢的抗弯强度设计值得f 310N/mm2,E 2.06105N/mm2，梁最大容许挠度为L/250，6假设WxMmaxf751.26101.052153327841mm3。xd-308.4-76.593-308.43-278.19-106.8308.433（1）腹板高度 1）钢梁的最小高度（按挠度限值计算）hmin5 fll 52159000250 376.3mm3 31.2Ev31.220610 2）经济高度经验公式he 73Wx300 745.1mm综合上述，h 750mm（2）腹板厚度tw.he745.1 7.8mm3.53.
19、5.取腹板厚度tw14mm（3）翼缘宽度及厚度1 1翼缘宽度b,h (150mm,250mm),取b 240mm5 3翼缘厚度取t 16mmbt AfWxtwh332784114750 2687.1mm2h67506则bt 24016 3840mm2 2687.1mm2，满足（4）截面特征112407503(24014)71831466412631mm41212Ix1466412631Wx 3910434mm3h7502271816718718Sx16240()14 2311447mm3222411Iy7181432162403 37028183mm41212A 24016271814 177
20、32mm2IxixIxA 1466412631 17732 287.6mmiyIyA 37028183/17732 45.7mm（5）焊缝尺寸ffw160N/mm2,Vmax358.83kN16718S1 24016()1409280mm3221VS11385.831031409280hf1.66mm1.4 ffwIx1.41601466412631hf min1.5 tmax1.5 16 6mm,hf max1.2tmin1.214 16.8mm取hf10mm,钢结构在焊接时采用 E43系列焊条，手工焊。.3.3.主梁截面验算主梁截面验算主梁自重标准值：（此处采用Q235钢材）q自(2401
21、6271814)1067.859.81.36kN/m主梁自重设计值：q 1.2q自1.21.39 1.632kN/m主梁（包含自重）所承担的最大弯矩值与最大剪力近似按下式计算：11 Mmaxql2 751.261.63282 764.32kN mMmax8811Vmaxql 358.831.6328 365.36kNVmax22（1）强度验算1）抗弯强度Mx764.32106186.1N/mm2 215N/mm2xWx1.0539104342）抗剪强度VySx365.361032311447 41.1N/mm2125N/mm2Ixt1466412631143）局部承压强度lz a 5hy180
22、 516 260mmF213.66 403.21000 169.5N/mm2 215N/mm2twlz142604)折算应力f22cc32186.12169.52186.1169.5341.12192.1N/mm2 215N/mm2满足强度条件（2）整体稳定验算.查表取b1.75,b 0,yl400087.5iy45.7bbyt14320 Ah235(1)4.008 0.6，则b2yWx4.4hfy0.282b 1.07 b 0.9996 1.0Mx751.26106192.2N/mm2 fd 215N/mm2bWx0.99963910434故整体稳定性满足（3）局部稳定验算b(24014)2
23、235 7.061515t16fyhw718235 51.38484tw14fy故局部稳定性满足（4）刚度验算5ql4Fl351.3680004466.051038000316.7mm384EIx48EIx3842.061051466412631482.061051466412631l 25032mm16.7mm满足刚度要求（5）翼缘与腹板焊缝计算VS1365.3610314092801.6mm hf10mmw1.4 ffIx1.41601466412631满足要求.五五 框架主梁短梁段与梁体工地拼接结点设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接结点设计1.1.计算拼接点荷载计算拼接点荷载由于工地拼接时
24、，预先将长为 1.0m 的主梁与柱子焊接，利用结构力学求解器得到各种不利荷载组合下的内力图如下弯矩图：剪力图：由求解器求得在为距柱子 1.0m 处的最大内力为：M 334.44KN mV 342.75KNN 0KN2.2.螺栓连接设计螺栓连接设计采用精确设计的方法，即弯矩由翼缘和腹板共同承担，剪力仅由腹板承担，翼缘承担的弯矩MF和腹板承担的弯矩Mw，二者按刚度成比例分配：b 240mm h 750mm t 16mmtw14mm11bIFbt(ht)2bt31034575360mm4261bIWtw(h2t)3 431837271mm412bbbIO IW IF1466412631mm4则按比例
25、分配得.bIFMFbM0 236.0kN mIOMW M0MF 98.44kN mV0 342.75kN（1）翼缘拼接设计a 梁单侧翼缘连接所需的高强度螺栓数目nFb采用 10.9 级的 M20 螺栓：NvbH0.9nfP 0.920.45155125.55kNnFbMF236.0 2.6bbHhONv0.734125.55螺栓孔径取20.5mm，翼缘板的净截面面积为：An(240220.5)16 3184mm2翼缘板所能承受的轴向力设计值为：N Anf 3344215 684560NnFbN684.56 5.45NvbH125.55采用6个b 翼缘外侧拼接连接板的厚度：t3 10mm,取t1
26、12mm2翼缘外侧板的尺寸：112240450t1c 翼缘内侧拼接连接板的厚度：b btw2hf224014210103mm2取b100mmt2bt4 13.6mm4b如果考虑内外侧拼接板截面面积相等，则有：.2401214.4mm2100取t216mm,内拼接板的尺寸为：216100450t2翼缘拼接采用 6 个 M20 螺栓，拼接板尺寸为：外拼接板：112240500内拼接板：216100500（2）腹板拼接设计 1）梁腹板连接所需的高强螺栓数目nwb：采用10.9级的M20螺栓：nwbbAnwfv718120.85125bbH 4.9732h0Nv20.734125.5510考虑到弯矩作
27、用的影响，采用10个M20螺栓，并成两排布置。2）腹板两侧连接板的厚度：t3twhw1 7.7mm取t312mm2h腹板两侧连接板的尺寸不妨取为：2-12500600 3)螺栓强度验算单个螺栓的抗剪承载力设计值：.Nvb 0.9nfP 0.920.45155 125.55kN剪力V0在螺栓群型心处所引起的附加弯矩：M V0a 342.750.13 44.557kN m修正后的弯矩：Mw M 98.4444.557 142.997kN mMw螺栓最大应力NNM1x y1Mw142.997106240105.92kN2222r1060 4120 4240 x1Mw 26.48kN2r342.75
28、34.275kN10M1yN1Vy2MV2b(N1Mx)(N1y N1y)122.1kN Nv125.55kN故螺栓的连接强度满足要求，腹板采用 10M20 螺栓，拼接板尺寸为：212500600（3）螺栓的净截面强度验算：选截面 11 讨论（详见施工图）M1 M0V0a1 334.44342.750.19 399.5625kN mV1342.75kN1420.53Inx Ix(521420.5120221420.52402)121425034376mm4WnxInx 4071527mm3h 2Sn Sx20.51212020.5122401220.52/4 2221626.25mm3最大正应
29、力maxM1399.562510693.50N/mm2 215N/mm2xWnx1.054071527最大剪应力.max342.751032221626.25 38.2N/mm2125N/mm2142503437614交接处折算应力nbM135989.47N/mm2xWnx375342.751031409280b 24.2N/mm21425034376142nb3b2 98.80N/mm2 Nvb125.55N/mm2综上，螺栓选择和布置符合要求。六、六、框架主梁短梁段与框架柱连接节点设计框架主梁短梁段与框架柱连接节点设计1.1.确定焊角尺寸确定焊角尺寸手工焊角焊缝满足hf1.5 t另t 30
30、mm，hmin1.5 30 8.22mm又hmax1.2t(其中t为较薄焊件的厚度),取t 14mm，hmax1.214 16.8mm取hf12mm2.2.焊缝截面特征焊缝截面特征2水平焊缝面积Af 1 0.7122 240212 24014212 7022.4mm 竖向焊缝面积Af 20.712271812062.4mm2总面积Af Af1 Af 27022.412062.419084.8mm2焊缝对称，因此形心至水平板顶面的距离y1与至水平板底面的距离y2相等即y1 y2 375mm焊缝惯性矩.h2.If10.721271831494088993mm41210.712(421632143)
31、22160.71237522123.3.焊缝受力焊缝受力(1)a 点应力分析My751.261063752188.6N/mmIf1494088993Vfa 0Mfaa 点应力为M188.622a(fa)2(V)()(0)2154.6N/mm2 ffw160N/mm2faf1.22结论：a 点应力满足要求。（2）b 处受力为：V365.36103 30.3N/mm2Af 212062.4VfbMfbMy751.2610(37516)180.5N/mm2If14940889936b 点应力为M180.52222w2b(fb)2(V)()(30.3)151.0N/mm f 200N/mmfbff1.
32、22b 点应力满足要求。七七 设计体会设计体会通过此次课程设计，我更加扎实地掌握了有关钢结构设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一遍遍的思考和审视终于发现了问题的关键所在，同时也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，只有自己真.正动手去做，才能明白这其中的奥妙。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的验算环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在同学们的共同努力下，也都终于游逆而解。在今后社会的发展和学习时间过程中，我们
33、一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，而应积极主动地去面对问题，并发现症结，然后一一进行解决，只有这样，才能有所收获，才能从这精心安排的课程设计中学到一些知识。课程设计虽说是一门专业性很强的课程，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，但其同时又是一门哲学课，让我明白了许多道理。通过此次课程设计，我掌握了钢结构的几种受力类型及相应的破坏形式；了解了验算每种破坏形式的原理及步骤；同时对钢结构的螺栓和焊缝连接也有了更深一步的认识。回顾此次课程设计，至今让感慨颇多，从理论到时间，在这短短几天的日子里，可以说是苦多于甜，但是我们也真的学到了很多东西，不仅巩固了之前的知识，还获得了许多书本之外的宝贵财
34、富。这次课程设计让我明白了理论纤细实际的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从理论中得出结论，并以实践验证，才是真正的有所收获，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计过程中遇到问题是必然的，但在解决问题中始终保持一颗求学的心却是我们的学海无涯的心态使然。.八设计规范及参考书籍八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S（GB/T501052001）（2）中华人民共和国建设部.房屋建筑制图统一标准S（GB/T500012001）（3）中华人民共和国建设部.建筑结构荷载规范S（GB50092001）（4）中华人民共和国建设部.钢结构设计规范S（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S（GB50205-2001）2、参考书籍（1）沈祖炎等.钢结构基本原理M.中国建筑工业出版社，2006（2）毛德培.钢结构M.中国铁道出版社，1999（3）陈绍藩.钢结构M.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）M.中国建筑工业出版社，2005.