《钢结构基本原理》课程设计计算书--钢框架主次梁设计.docx

钢结构基本原理课程设计计算书题目：麻)板架豆次梁微行一、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S(GB/T50105-2010)(2)中华人民共和国建设部.房屋建筑制图统一标准S(GB/T50001-2010)(3)中华人民共和国建设部.建筑结构荷载规范S(GB5009-2012)(4)中华人民共和国建设部.钢结构设计规范S(GB50017-2003)(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(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)M.机械工业出版社，2006二、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,柱网布置尺寸及楼面活载大小详见“五附图”。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（0.2kNm2标准值）一框架钢梁一150mm厚实心钢筋混凝土板（25kNv标准值）一水磨石面层（包括20mm厚水泥砂浆找平，0.651/1112标准值）。荷载传力途径为：楼面板一次梁一主梁一柱一基础。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。三、设计内容和要求（1）进行次梁CL-I截面设计。（2）进行框架主梁KL-I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-I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，要求文本规范、层次分明、字体工整，图表准确，并按以下顺序装订成册：封面、设计任务书、目录（应标明各章节页码）、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,一根KL-I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。四、进度安排周一：构件尺寸估算和楼盖荷载计算；周二：楼盖内力计算及内力组合；周三：主梁截面设计及连接设计计算；周四：施工图绘制；周五：计算文本整理。五、附图©1©戈SZ运gZ运LL-1CL-ILL-ICL-I.LL-1CL-ILL1CL-I)00架.LL-1.CL-II白,LL-ICL-ITLL-1CL-I.LL-I.CL-I三I.LL-1SLL-I,LL-I.LL-I.J、图2框D柱截面图§CL-ICL-ICL-ICL-ILL-I.L2.LL-IL，LL-I.L，LL-I.LQ，C图1结构平面布置图结构布置柱网尺寸及楼面活荷载大小组别1主梁跨度5(mm)8000次梁跨度£(mm)8400楼面活载标准值(kNm2)9.02800084008.03840090007.04840090006.05800090008.0目录一、设计说明1二、次梁CLT截面设计11.1 次梁荷载和内力的计算（不含次梁自重）11.2 次梁截面的选取22. 3次梁截面的验算2三、框架主梁KL-L截面设计32.1 主梁荷载计算及内力组合33. 2主梁截面的选取93.1 主梁截面的验算113.2 翼缘与腹板连接焊缝计算14四、框架主梁短梁段与梁体工地拼接点设计154.1 梁翼缘板的拼接154.2 梁腹板的拼接164.3 翼缘与腹板净截面的强度验算19五、框架主梁短梁段与框架柱连接节点设计205.1框架主梁短梁段与柱的连接焊缝计算20六、设计体会22七、参考文献23一、设计说明在本次钢结构设计过程中，钢材均采用Q235钢。设计任务书图1中，取B=8400un,L=9000mm,楼面活载标准值为7KNm20二、次梁CL-I截面设计2.1 次梁荷载和内力的计算(不含次梁自重)2.1.1 荷载的计算由于设计中，次梁可按简支梁计算，所以为了简化计算，只将次梁两侧楼面板的自重和楼面板所受的活载加入计算，具体计算结果如下：(1)荷载标准值楼面板所受活载的标准值为：1qk=-×7×8A=29.4KNm根据楼面板的构造，计算得楼面板自重的标准值为：1、gc=2X(0.2X8.4+25×0.15X8.4+0.65X8.4)=19.3KNm(2)荷载设计值楼面板所受活载的设计值为：1qd=-×7×8.4×1.4=41.2KNm楼面板自重的设计值：9d=×(0.2X8.4+25×0.15X8.4+0.65X8.4)X1.2=23.2KNm2.1.2截面内力的计算根据设计要求，次梁的计算简图如下：次梁截面的最大弯矩值为：MmaX=IX(41.2+23.2)×92=652.1KNm8次梁截面的最大剪力值为：Fsmax=×(41.2+23.2)×9=289.8KN2.2次梁截面的选取次梁所需的净截面模量为：Wnx=X：=2.8886×106mm3=2888.6cm3nxxf1.05×215所以，根据次梁所需的净截面模量，选用热轧普通工字型刚163a,其截面特性如下：lx=94004cm4Wnx=2984.3cm3=24.66cmSx=1747.4cm3t = 22mmb = 176mmh=630mmtw=13.0mmm=121.36kgm2.3次梁截面的验算由于次梁选用的是工字型钢，可不需对次梁进行局部稳定性验算，又考虑到楼板对次梁的侧向约束，次梁的整体稳定性也不需要验算。所以，对次梁只需进行强度和刚度验算即可，具体计算如下：2.3.1次梁的强度验算（采用荷载设计值）（1）次梁的抗弯强度验算MmaX652.1×IO699（TmaX="TTT-=C77=208.1Nmm2<f=215Nmm2Yxn×1.05X2984.3×IO3/7/（2）次梁的抗剪强度验算所以，次梁满足抗弯强度要求。=41.4Nmm2 < fv289.8XIO3X1747.4×IO394004×IO4×13=125Nmm2所以，次梁满足抗剪强度要求。2.3.2次梁的刚度验算(采用荷载标准值、考虑次梁自重)(1)次梁发生的最大挠度为：SQkI4_5×(29.4+19.3+121.36X9.8/1000)X90004_”八一3max=384E/=384×2.06×IO5×94004×IO4=22.0mm（2）次梁的容许挠度为：r、I9000=-=36mm>22.0mmlj250250所以，次梁满足刚度要求。综上所述，次梁采用热轧普通工字型刚163a满足设计要求。三、框架主梁KLT截面设计3.1 主梁荷载计算及内力组合在设计过程中，只考虑次梁传递给主梁的力，又因次梁的荷载分为恒载和活载，所以需要考虑次梁活载的最不利位置。设计过程中选取中间的框架主梁做分析计算，由于次梁简化成简支梁，各个部分所传递的荷载相同，所以中间框架主梁同时受两个次梁传递的荷载。具体简化得到的主梁力学模型如下：由于主梁的截面尺寸还没确定，所以设计截面时先不计主梁的自重荷载，在验算时再计入主梁的自重。3.1.1 荷载的计算(1)主梁所受集中恒载的设计值为：9G=1.2×(19.3+9.8X121.36/1000)×-×2=221.3KN(2)主梁所受集中活载的设计值为：9Q=1.4×29.4×-×2=370.4KN3.L2截面内力的计算由主梁的简化模型可知，主梁的结构形式是对称的，所以仅需对主梁所受的6种荷载形式进行计算分析。由已学的结构力学知识，求出这六种荷载形式作用下主梁的弯矩图和剪力图如下：(1)主梁承受集中恒载受力图弯矩图232.3-232.3'232.3"232.37剪力图(2)主梁三跨都承受集中活载受力图弯矩图388.92剪力图388.92388.923S8.92（3）主梁第1跨承受集中活载受力图370.40弯矩图剪力图424H.24l"""'-HS.16-148.16(4)主梁第2跨承受集中活载受力图370.40U)JQ(2>Jj<3>弯矩图剪力图（5）主梁第1、2跨承受集中活载受力图3-0.403-0.40453.-47J,103.71剪力图175.IM212.9837.W)-194.461X.46-15.42-157.42（6）主梁第1、3跨承受集中活载受力图根据上面的弯矩与剪力图，可以得出最不利荷载可能发生在下图中标字母或者数字的截面:<)YT这些截面的内力统计如下:(1)(2)(3)(4)(5)(6)最不利荷载Ml-232.4-388.9-492.6129.6-363.O-518.6-751.0MA232.4388.9440.78不需算376.0453.7686.1M2-232.4-388.9-181.50-259.3-440.8-129.6-621.3MB232.4388.9不需算518.6453.7不需算751.0M3-232.4-388.951.7-259.28-207.4-129.6-621.3Mc232.4388.9不需算不需算不需算453.7686.1M4-232.4-388.9-25.9129.6103.7-518.6-751.0FSl110.7185.2222.2-46.3175.9231.5342.2FSA左110.7185.2222.2-46.3175.9231.5342.2。右-110.7-185.2-148.2-46.3-194.5-138.9-305.2吊2左-110.7-185.2-142.2-46.3-194.5-139.9-305.2Fs2右110.7185.227.7185.2213.0O323.7FSB左110.7185.227.7185.2213.0O323.7FSB右-110.7-185.227.7-185.2-157.4O-295.9用3左-110.7-185.227.7-185.2-157.4O-295.9%右110.7185.2-9.346.937.6138.9295.9FSC左110.7185.2-9.346.937.6138.9295.9FSC右-110.7-185.2-9.346.937.6-231.5-342.2Fs4-110.7-185.2-9.346.937.6-231.5-342.2所以，由上表得出，Mmax=751.1KNm,Fsmax=342.2KNo3.2主梁截面的选取根据钢结构设计规范，假设钢板的厚度小于16mm,则Q235钢的抗弯强度设计值f=215Nmm2.所以可计算的截面的抵抗矩为：MmaX751.1×IO6aQWnX=CLT77=3.3271×106mm3=3327.1cm3nxxf1.05X2153.2.1腹板高度iw(1)截面的最小高度九min假设主梁的容许挠度值3=/，为了保证正常使用时梁的挠度不超过规范值，查找钢结构规范得：I九min=56Omm=56cm(2)梁的经验高度上和腹板高度九W为了满足经济要求，使得用钢量最小，按经验公式计算得：he=7W-30=7引3327.1-30=74.5cm参照以上数据，并考虑适当增大梁高以增加梁的刚度，取梁的腹板高度九W=75cm=750mmo3.2.2腹板厚度？根据最大剪应力为腹板平均剪应力的L2倍时，计算得梁腹板厚度为：FsmaxEmaX342.2×IO 2.3翼缘宽度b和厚度t根据以下公式.WnX % 九 W .“4-丁 =从试选翼缘板宽度b=280mm,则计算得翼缘的厚度t=ll. 3mm,所以取t=18. Omnio 综上所述，取梁的截面如下图：tw1.2=1.2=1.2×-_-=4.4mmhwhwfv750X125又按经验公式估算梁的腹板厚度为：tw=2.5mm参照以上数据，取梁的腹板厚度tvv=IOmm03. 3主梁截面的验算3. 3.1主梁的强度验算(1)主梁截面的实际尺寸计算主梁的截面面积为：A = 750 × 10 + 280 × 18 × 2 = 17580mm2主梁的截面惯性矩为:10 X 7503 280 X 183%= -1212× 2 + 280 × 18 × 3842 × 2 = 1838191140mm4主梁的截面弹性模量为:1838191140393=4677331mm3(2)主梁自重估算和内力计算主梁的自重标准值为：Qk=17580×7850X1.2X9.8X109=1.6KNm主梁在自重作用下的受力图和内力图如下：受力图弯矩图9.41综上所述，主梁截面的最大弯矩值MmaX=751.1+9.4×1.2=762.4KNm,最大的剪力值GmaX=342.2+6.7X1.2=350.2KN。（3）主梁的抗弯强度验算Mmax762.4×IO6ooGmaX=1.05x4677331=1552N/mm<f=215Nmm所以，主梁满足抗弯强度要求。（4）主梁的抗剪强度验算FSmaX350.2×IO3ooTmaX=-7=元而一=46.7Nmm XMJ2 xMJ<3i>x 34.704.704.70剪力图<fv=125Nmm2AW/DUU所以，主梁满足抗剪强度要求。（5）主梁折算应力的验算截面静矩为：S=280×18×384=1935360mm3正应力为：Mhw762.4XIO6750oQ=丁T=CF-=155.5Nmm2Ix218381911402/剪应力为：FsSx350.2×IO3X1935360oT=-=1838191140×10=369Nmm折算应力为：zs=2+32=155.52+3×36.92=168.1Nmm2<l.lf=236.5Nmm2所以，主梁的折算应力满足强度要求。综上所述，主梁的强度满足设计要求。3.3.2主梁的稳定性验算（1）主梁的整体稳定性验算由于平台的刚性密铺板可保证主梁的整体稳定，所以不需要验算主梁的整体稳定性。（2）主梁的局部稳定性验算主梁翼缘宽厚比验算如下：B=JS=75V13席=13,满足要求主梁腹板高厚比验算如下：詈=詈=75V80J-=80,满足要求所以，主梁满足局部稳定性要求。综上所述，主梁满足稳定性要求。3.3.4主梁的刚度验算（采用荷载标准值、考虑主梁自重）为了安全起见，把主梁的受力模型简化成简支梁，且以单跨主梁的跨中挠度449.00 li0m m ih m mm来控制整根主梁的挠度，单跨主梁简化后的受力模型如下:(1)计算得:跨中挠度为:5gkl4 Fl3385EIX + 48EI=14.9mm主梁的容许挠度为:tl = 48400=21mm>=14.9mm400综上所述，主梁的满足刚度要求。3. 4翼缘与腹板连接焊缝计算根据腹板和翼缘间的两条连接焊缝剪应力应满足的公式，计算得：ThFSS350.2×IO3×1935360f_1.4广=1.4外X=1.4×160×1838191140="mm假设焊缝施工时使用手工焊，所以根据手工焊缝的构造要求：ifmin15F=1.5×V18=6.4mm综上所述，翼缘与腹板连接焊缝的尺寸取%=IOmmo又因为钢结构用的是Q235钢，所以钢结构在焊接时应采用E43系列焊条，工艺为手工焊接。四、框架主梁短梁段与梁体工地拼接点设计3.1 梁翼缘板的拼接(1)梁翼缘板拼接的等强设计主梁的用钢为Q235钢，则f=215Nmm°接触面经喷砂后涂无机富锌漆,查找规范得摩擦面的抗滑移系数=045。根据设计要求,传力摩擦面数TV=2。高强螺栓选用109级的M20螺栓，则螺栓的预拉力P=155KN,所以单个高强度摩擦型螺栓的抗剪承载力为：Ng=0.9nzP=0.9×2×0.45X155=125.5KN螺栓排列采用单侧双排排列的形式，且查找规范取螺栓孔的直径do=21.5mm,所以可计算得翼缘板的净面积为：An=(280-4×21.5)×18=3492mm2则翼缘板净截面面积所能承受的轴力为：N=Anf=3492×215X10-3=750.8KN所以，根据公式计算得所需的高强螺栓数量为：NAnf750.8Un=破=被=西=5.98,取n=8综上所述，采用8个高强摩擦型螺栓。假设上拼接板的跨度等于翼缘的宽度，即为28OnIn1。按构造要求，高强螺栓可配置如下图所示：Sn75s7Gn所以，单块下拼接板的宽度为131mmo根据设计要求拼接板面积不小于翼缘板净面积，假定上下拼接板的厚度相等，可得：280t+262t3492,得t>6.5mm所以，取拼接板的厚度t=8mm°综上所述,翼缘拼接板采用8个10.9级的M20螺栓,单块拼接板的尺寸为：单块上拼接板：28OmmX8mmX360mm单块下拼接板：13ImmX8mmX360mm4. 2梁腹板的拼接(1)高强螺栓配置高强螺栓选用10.9级的皿0螺栓，根据螺栓配置的构造要求，具体配置螺栓如下：(2)连接处的内力计算取短梁长为lm,受力图如下:1.90350.20计算得：Im处的弯矩M=411.3KNm,剪力F$=348.3KN。腹板的毛截面惯性矩为：Iw=-×10×7503=351562500mm412翼缘的毛截面惯性矩为：/尸=（WX280×183÷280×18×3842×2=1486628640mm4整个截面的惯性矩为：10×7503280×183°，Ix=+×2+280×18×3842×2=1838191140mm4JL4JL4弯矩由翼缘和腹板共同承担，两者按刚度成比例分配，计算得：翼缘承担的弯矩为:IpMF =M =14866286401838191140× 411.3 = 332.6KN - m腹板承担的弯矩为:MW=M-MF=411.3-332.6=78.7KNm剪力FS在螺栓群形心处所引起的附加弯矩为：M=FSe=348.3X0.13=45.3KNm所以，修正后的腹板弯矩值为：Mw=MW+M'=78.7+45.3=124.0KNm（3）螺栓强度计算根据设计要求，传力摩擦面数叼=2o高强螺栓选用10.9级的M20螺栓,则螺栓的预拉力P=155KN,所以单个高强度摩擦型螺栓的抗剪承载力为：Ng=0.9nzP=0.9×2×0.45×155=125.5KN拼接截面处剪力全部由腹板承担,作用于螺栓群形心处，由各螺栓平均分配,所以每个螺栓承担的垂直剪力为：Fs348.3:=干=34.8KN螺栓受到的最大的力为：MMWyl124.0×IO6×240QN黑=；=Z-Z-7×10-3=91.9KNlxr210×602÷4×1202+4×2402.Mwx1124.0×IO6×60q照=母=10X602+4X1202+4X2402×IL=?3.OKN所以，根据如下公式计算得：I22/2J（N黑）+（N2+用1）=J91.92+（23.0+34.8）=108.6KN=125.5KN综上所述，高强螺栓满足要求。（4）拼接板强度验算根据设计要求，不妨取腹板拼接板厚度t=8mm,则拼接板的几何性质如下:净截面惯性矩：11nx=KX8X6003×2-（5×-×8×21.53+8×21.5X1202×2+8×21.5nx12112×2402×2=263198872mm4净截面抵抗矩:Inx _ 263198872Mnax 300=87733Omm3124.0 X IO6877330所以，根据公式:=141.4Nmm2<f=215Nmm2所以，拼接板强度满足要求。综上所述，单块腹板拼接板的尺寸为：-600×8×600O4.3翼缘与腹板净截面的强度验算(1)翼缘净截面强度的验算由上述计算可得，翼缘承担的弯矩MF=332.6KNm,翼缘的净截面面积为:AnF=280×18-4×21.5×18=3492mm2所以可以计算得：FMF _332.6 × IO6AlF e - 3492 X (750 + 9)=125.5Nmm2 < f = 215Nmm2综上，翼缘强度满足要求。(2)腹板净截面强度验算腹板净截面惯性矩为：nx=±X10X7503-(5××10×21.53+10×21.5×1202×2+10nx12I12×21.5×2402×2=320561090mm4腹板净截面面积矩为：21.521.5SnX=350×10×175-21.5×10×(240+120)-×10×=534522mm3截面上的弯矩为：Mw=Mw+M"=78.7+348.3X0.19=144.9KNm腹板上边缘的正应力为：M WymaXW =7,nx144.9 × IO6 X 375-320561090-=169.5Nmm2腹板上边缘的切应力为:w =58.1Nmm2FsSnx_348.3×IO3X534522nxt=-320561090×10折算应力为:(vv)÷3(v)2=V169.52+3×58.12=197.1Nmm2<f=215Nmm2所以，腹板强度满足要求。综上所述，翼缘和腹板的净截面强度都满足要求。五、框架主梁短梁段与框架柱连接节点设计5.1框架主梁短梁段与柱的连接焊缝计算焊缝连接采用全周施焊的角焊缝，连续施焊，并且假定腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承担。假定角焊缝的尺寸hf =IOmm,故角焊缝的具体尺寸如下:280Uin(1)焊缝的几何性质腹板的面积Af=2×0.7×hf×h0=2×0.7×10×(7502×10)=10220mm2焊缝的惯性矩f=佶X73°3×2+135×3702×4+280×3982x2)x0.7×10=1592278847mm4(2)应力计算和校核翼缘焊缝的最大正应力OfmaX二 MmaXymaX = 7624 X 1()6 X 的3Tf- 1592278847=193.0Vmm2 < 1.22 X 160=195.2Vmm2剪力在腹板焊缝中产生的平均剪应力34.3JVmm2.二一max=350.2X103H-Af10220腹板焊缝中由弯矩引起的最大正应力f=174.8/V/mm2MmaXy_762.4×IO6X365If-1592278847-翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处应力Jo2I17482(V)+/=()+34.32=147.3Nmm2V=160Nmm2Bfi22所以，验算满足要求。综上所述，框架主梁短梁段与柱的连接焊缝采用角焊缝尺寸为hf=IOmm的E43系列的焊缝。六、设计体会钢结构课程设计可以说是我在大学里接触到的第一个课程设计。虽然在课程设计过程中遇到了很多困难和很多令自己困惑的问题，但是当自己解决这些问题后，成就感和满足感油然而生。回顾整个课程设计过程，可以说还是记忆犹新。起初，当老师把设计任务布置下来的时候，我觉得这题目有点难做，并且还要用CAD画图，而我的CAD已经很久没有接触过，所以不免担心任务完不成。在布置任务时，老师给了我们基本参考书和钢结构相应的设计规范，这给我们带来了很多的便利，使我们初步认识了钢结构设计中的一些基本方法和流程。在开始课程设计之前，我把参考资料仔细地研究了一遍，从中知道了大概要设计的内容。经过对课程设计内容的详细分析，猛然感觉课程设计的专业性之强，如果我能很好的完成课程设计，那么它将给我很多专业知识以及专业技能上的提升。同时它也能训练我的逻辑思维，给予我设计的空间，能使我对抽象的理论有具体生动的认识。在课程设计过程中，遇到的问题是接二连三的，首先遇到的问题就是主梁截面的选择，因为主梁截面选择是一种逆向思维，在平时上课的过程中很少有接触到设计的问题，一般都是校核问题。还有一个原因就是我们没有什么实际设计的经验和技巧。所以我在这个问题上花了不少的时间去思考。最后这个问题在自己的独立思考中得到了解决。在设计过程中，还有的一个问题就是如何熟练查找资料，因为我有时不知道如何准确快速的查到所要得到的东西。当然主梁节点的设计也是一个难点。对于节点的设计一些东西是比较难理解的。比如说如何确定拼接板的尺寸，仔细看了老师给的PDF,我却还是不知道怎么确定。后来又查阅了大量资料并且咨询了老师之后，才知道这个可以先按构造要求和经验取，取完以后再进行验算，验算满足即可。当然，上述提到的问题，只是我在整个设计过程中遇到的典型问题，因为我在设计过程中遇到了很多问题，这些问题经过我一次又一次的思考，一遍又一遍的检查，最终逐个的解决了。在这个过程中，使得我对书本知识和设计要领的掌握得到了一个飞跃的提升。回顾整个过程，我现在真心觉得钢结构课程设计给了我一个对已学知识查漏补缺的机会。俗话说的好，实践出真知，通过自己亲手的设计，使得我们掌握的知识不再是纸上谈兵。所以，真心感谢老师给这次机会。七、参考文献1中华人民共和国建设部.建筑结构荷载规范(GB50092001),中国建筑工业出版社，20012中华人民共和国建设部.钢结构设计规范(GB50017-2003),中国建筑工业出版社，20033沈祖炎等.钢结构基本原理，中国建筑工业出版社，20064中华人民共和国建设部.房屋建筑制图统一标准S(GBT50001-2010),中国建筑工业出版社，2010