钢结构课程设计--钢框架主梁设计.docx

钢结构基本原理课程设计钢结构基本原理课程设计 钢框架主梁设计 指导老师： 周 凌 宇专业班级：土木 0910 学 号：1208091211姓 名：万 贻 亮中南大学土木工程学院 二一二年一月一、设计构件某多层图书馆二楼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5（0509）、6（0510），楼面板为150mm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。 二、设计内容要求（1）设计次梁截面CL-1。（2）设计框架主梁截面KL-1。（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）绘制主梁与柱连接节点详图，短梁段及梁体连接节点详图，短梁段与梁体制作详图，KL-1钢材用量表，设计说明(1#图纸一张)。（6）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。三、设计参数混凝土自重： 厚度： 楼面活荷载的标准值： 钢材（Q235）强度设计值： 钢材（Q235）抗剪强度设计值： 钢材（Q235）的弹性模量： 四、设计次梁截面CL-14.1设计荷载载: 150mm单向钢筋混凝土楼板 活载: 楼面活载标准值 荷载传力途径为：楼面板次梁主梁柱基础a. 荷载标准值 楼面板传恒载： 3.75kN/m24.5m=16.875kN/m 楼面传递活载： 6kN/m24.5m=27.00kN/m荷载设计值 q=1.2q恒+1.4q活=58.05KN/mb. 最大弯矩与剪力设计值 次梁架于主梁之上，相当于简支结构，计算简图如下图3：图3 Mmax=18ql2=1858.0592=587.76KN/m2Vmax=12ql=1258.059=261.23KN4.2 次梁截面选取假设次梁厚度小于16mm,有截面模量： Wx=Mmaxxfd=587.761.05215=2603588.04mm3根据截面模量选取次梁，选用 Q235 工字梁 I65查表得其截面特征：Ix=101412cm4 Wx=3120.4cm3 Sx=1809.4cm3 IxSx=56.05cmA=152.80cm2 h=650mm b=200mm t=19.2mm r=22.0mmtw=12.0mm r1=9.0mm =119.94kg/m3 考虑梁的自重： q1=58.05+1.2g=58.05+1.2106.279.810-3=59.30kN/m 最大弯矩：Mmax=18q1l2=1859.3092=600.41kN/m2最大剪力：Vmax=12q1l=1259.309=266.85kN4.3强度验算1抗弯强度验算=MxxWx=600.411061.053120.4103=183.25N/mm2fd=215N/mm2满足要求. 2. 抗剪强度验算=VSxtwIx=266.8510312.056.0510=39.67N/mm2fd=215N/mm2满足要求. 3. 支座处局部压应力验算支反力为266.85kN，假定支承长度为，由上次梁截面常数， t=19.2mm r=22.0mm，有 hy=r+t=19.2+22.0=41.2mm集中荷载在腹板计算高度上分布长度为： lz=a+5hy=170+541.2=376mm局部压应力：c=Vtzlz=266.8510312.0376=59.14N/mm2fd=215N/mm2 满足要求。 4.支座处折算应力验算：2+c2-c+32=183.252+59.142-183.2559.14+339.672=175.96N/mm2fd=215N/mm2 可知折算应力满足要求。5. 刚度验算wl=5qkl3384EIx=559.30900033842.06105101412104=2.6910-3wl=1250=410-3 可知刚度验算满足要求。6稳定性验算 因为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变形，所以不用验算次梁的整体稳定性。7.局部稳定性 由于选择的是工字型钢，不许验算局部稳定。五、 设计框架主梁KL-15.1设计荷载忽略连续梁对框架主梁的荷载影响，只考虑次梁传递的荷载，主梁受自重恒载、次梁传递的集中恒载、次梁传递的集中活载，将框架主梁简化为三跨连续梁。主梁计算简图如下图：321DCBA主梁截面尺寸待定，因此先不计主梁自重荷载。集中恒载标准值： Gk=15.00+1.04149=144.37kN集中活载标准值： Gk=24.009=216kN集中恒载设计值： G=15.00+1.041491.2=173.25kN集中活载设计值： Q=24.0091.4=302.4kN（1） 荷载分析：由于此结构具有对称性，故仅对以下六种具有代表性的荷载在形式进行分析：1 次梁传递集中力恒载2 连续梁受满布活载3 1跨受满布活载4 2跨受满布活载5 1、2跨受满布活载6 1、3跨受满布荷载 5.2 荷载组合下的内力图 +：+故由以上图可知： 最不利弯矩为： Mmax=756.63kN/m2 最不利剪力为： Vmax=-316.73kN5.3 确定主梁的截面尺寸：由于设计初钢梁自重未知（考虑安全因素），故取： M=1.02Mmax=771.76主梁所需的截面抵抗矩：Wx=Mxfd=771.761061.05215=3.42106mm3 选用工字形截面，则：（1） 确定腹板尺寸：腹板高度：主梁最小高度（由最大扰度限值确定）=l400=9000400=22.5mmhmin5fl31.2El=52159000231.22.0610520=677.39mm 主梁的经济高度： he=73Wx-300=754.65mm 取腹板高度： hw=800mm 由抗剪强度要求 tw1.2Vmaxhwfv=1.2316.73103800125=3.80mm由局部稳定性与构造要求 tw=hw3.5=8003.5=8.08mmtw=7+0.003hw=7+0.003800=9.4mm综上，取tw=10mm 选用腹板 80010 （2）确定翼缘尺寸： 每个翼缘所需的截面面积Af=Wxhw-twhw6=3.42106800-108006=2941.67mm2 翼缘板的宽度： bf=Aft=2941.6715=196.11mm bf=15,13h=15,13800=(160,266.67)mm 综合上述取： bf=290mm tf=14mm （3）主梁截面尺寸特征： 惯性矩： Ix=bfh312-(bf-tw)h0312=290800+142312-280800312=1.771109mm4截面模量：Wx=Ixh/2=1.771109828/2=4279877mm3 面积：A=227014+80010=15560mm2（3） 确定焊缝尺寸 ， hf11.4ffwVS1Ix=438.5541032790001.41601.771109=0.31mm ， 取： 。钢结构在焊接时焊条采用E43系列，焊接方法为手工焊。3. 主梁验算主梁自重标准值：（用Q235钢材）q自=227014+8001010-67.959.8=1.212kN/m 主梁自重设计值： q=1.2q自=1.45kN/m 主梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力近似按下式计算： Mmax1=Mmax+18ql2=756.63+8.809=765.44kN/m2Vmax1=Vmax1+q1l2=316.73+7.83=324.56kN （1） 整体稳定验算： 将次梁作为主梁的侧向支撑，则l1b=4500290=15.5216235fy=16故主梁的整体稳定不必验算。（2）局部稳定性验算翼缘处：bt=14014=1015235fy=15腹板处：hwtw=80010=80114235fy=11 故次梁不会发生局部失稳。 (3) 刚度验算 =1.146Gl3100EIx+1.615QL3100EIx=1.146144.37103900031002.061052.532109+1.615216103900031002.061052.532109=7.188mml400=9000400=22.5mm 故满足刚度要求。 （4）抗弯强度验算=Mmax1xWx=765.441061.054279877=170.33N/mm2fd=215N/mm2 故抗弯强度满足要求。（5）抗剪强度验算： =VmaxSxtwIx=324.5610337578001.77110910=68.87N/mm2fv=125N/mm2 故主梁的抗剪强度满足要求。局部压应力c=Ftwlz=324.5610310166+221+514=116.74fv=125N/mm2 故局部承压满足要求，且不需要设置支承加劲肋折算应力： 翼缘与腹板相接处计算折算应力1=h0h=800800+214170.33=164.57N/mm2=VmaxSxltwIx=324.5610319780001.77110910=36.25N/mm2zs=12+c2-c+312=164.572+116.742-164.57116.74+336.252=159.50N/mm26mm hft-12=14-12=1213mm t为较小板件的厚度 最小焊脚尺寸，规范规定， hf1.5t=1.530=8.2mm t为较厚焊件厚度 由上，取焊脚尺寸 全部剪力由腹板的连接焊缝承担 hfVS1.4ffwIx=324.5610319780001.41601.771109=1.618mm 满足条件2 焊缝截面特征水平焊缝面积 Afl=0.7102290-20+(290-20-10)=7420mm2竖向焊缝面积 Af=0.7102800=11200mm2焊缝总面积 Af=Af1+Af=18620mm2焊缝惯性矩 Ix=0.7102270400+142+2604002+1128003=1.245109mm4水平焊缝绕自身轴惯性矩很小，计算忽略Wx=Ixy=1.245109400+14=3007246mm33 验算最危险点剪力V作用下 fv=VAf=324.5610311200=28.98N/mm2弯矩作用下 a点应力faM=MWx=577.76 1063007246=192.12N/mm2b点应力fbM=MWxh0h=577.76 1063007246800828=185.63N/mm2在弯矩和剪力共同作用下，a,b为最危险点a点 faM=192.12N/mm2fffw=1.22160=195N/mm2b点fbMf2+fv2=185.631.222+28.982=154.89ffw=160N/mm2 满足要求七、设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点（采用高强度螺栓）1. 计算螺栓连接处的内力： 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：由第五个组合得：M=337.33kN/m 由第四个组合得：V=316.73kN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，翼缘承担的弯矩和腹板承担的弯矩，二者按刚度成比例分配：梁的毛截面惯性矩：Ix=1.771109mm4腹板毛截面惯性矩：Iwb=10800312=426666667mm4翼缘毛截面惯性矩：Ifb=290214312+214290(400+7)2=1345202507mm4 翼缘所承担的弯矩：Mf=IfbIxM771109337.33=256.23kN/m 腹板所承担的弯矩： Mw=IwbIxM=4266666671.771109337.33=81.27kN/m 2. 设计螺栓连接：采用10.9级摩擦型高强M22螺栓，起孔径为23.5mm,连接处的构件接触面的为喷砂处理方法，抗滑移系数：，预拉力为： （1）翼缘拼接设计1 梁单侧翼缘连接所需的高强度螺栓数目 单个高强摩擦型螺栓抗剪承载力设计值： nFbMfh0bNvb=256.230.778153.9=2.14螺栓两排布置，孔径取23.5mm，翼缘板的净截面面积为：An=27014-223.514=3122mm2翼缘板所能承受的轴向力设计值为：N=Anf=3122215103=671.23kNnfb=NNvb=671.23153.9=4.36 取n=6 单侧6个高强螺栓。2 翼缘外侧拼接连接板的厚度： 取 翼缘外侧板的尺寸为： 1-1029045翼缘内侧拼接连接板的宽度和厚度：厚度： b=290-102=140mm 宽度： t2=tfbf4b+4=142904140+4=7.25mm 取t2=10mm 所以，内拼接板的尺寸为： 2-101404503 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。（2）腹板拼接设计1 腹板两侧连接板的厚度：t2=twhw2h+1=108002500+1=9mm 取t2=10mm 腹板两侧连接板的尺寸不妨取为：2-104505002 梁腹板连接所需的高强螺栓数目： 采用10.9级的M22螺栓： 在腹板拼接板每侧布两列螺栓，每侧用10个10.9级M22摩擦型高强螺栓，连接构件的接触面采用喷砂处理。 螺栓强度验算 单个螺栓的抗剪承载力设计值： 剪力 在螺栓群形心处所引起的附加弯矩：M=V0a=316.7365+1001210-3=36.42kNm 修正后的弯矩：Mw=Mw+M=81.27+36.42=117.69kNm螺栓最大应力 N1xM=Mwy1r2=117.6910620010502+41002+42002=104.61kN N1yM=Mwx1r2=117.691065010502+41002+42002=26.15kN N1yv=Vn=316.7310=31.67kN N1xM2+N1yM+N1yv2=104.612+26.15+31.672=119.53kNNvb=153.9kN 所以螺栓的连接强度满足要求。翼缘拼接采用10个M22螺栓，拼接板尺寸为：外拼接板： 3. 螺栓的净截面强度验算：（1）翼缘板验算翼缘板所受的轴力：N=Mfh-t=256.23(828-14)10-3=314.78kN =NAn=314.781033122=100.83215N/mm2