中南大学2011级钢结构课程设计计算书

1、中南大学钢结构课程设计二、设计计算4A、楼面板部分4B、次梁部分4C、主梁部分6D、柱子部分16E、连接部分17（一）.框架主梁短梁段和框架柱节点（焊缝连接）（二）.框架主梁短梁段和梁体工地拼接节点（高强螺栓连接）（三）.次梁和主梁工地拼接节点（高强螺栓连接）三、设计总结一、设计任务1、设计题目：某钢平台结构（布置及）设计2、参考规范及书目：(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(GB50092001)(2006版)(4) 中华人民

2、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)(6) 沈祖炎等.钢结构基本原理，中国建筑工业出版社，2006(7) 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.钢结构设计和计算(第二版)，机械工业出版社，20063、设计构件：某多层图书馆二楼书库楼面结构布置示意图如图(按照班级编号我是28号，参照附表一可知：柱网尺寸6X9,活荷载8,永久荷载5,钢材Q345,焊条E50型)。结构采用横向框架承重，楼面板为120mm厚单向实心钢筋

3、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H600X300X12X18,楼层层高取3.9m。活荷载分项系数1.4;永久荷载分项系数1.2。g旻oJao1sJ-5I4CL-1丄>i<CL-1aI1CL-1ICL-1%,n-i午,LL-l逢1LL-1呂1.LL-149oo1s1''1CL-11aCL-1CL-1CL-I1iLL1三.LL-1密LL-14Io§1CL-1CL-1CL-1CL-1TTLL-12t11-1w$.LL-l艺LL-l490

4、00R-1900090009000结枸平面布置h宜国4、设计内容要求：(1) 验算焊接H型钢框架柱的承载能力，如不满足请自行调整。(2) 设计次梁截面CL-1(热轧H型钢)。(3) 设计框架主梁截面KL-1(焊接工字钢)。(4) 设计框架主梁短梁段和框架柱连接节点，要求采用焊缝连接，短梁段长度一般为0.91.2m。(5) 设计框架主梁短梁段和梁体工地拼接节点，要求采用高强螺栓连接。(6) 设计次梁和主梁工地拼接节点，要求采用高强螺栓连接。(7) 绘制主梁和柱连接节点详图，次梁和主梁工地拼接节点，短梁段及主梁体连接节点详图，梁体截面详图，KL-1钢材用量表，设计说明等。(8) 计算说明书，包括构

5、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。二、设计计算根据荷载传力途径：楼面板-次梁-主梁-柱，依次计算各部分受力情况。A、楼面板部分楼面板为120mm厚单向实心钢筋混凝土板。楼面活载标准值：qko=83=24KN/m楼面板永久荷载标准值：q“=53“5KN/m楼面板自重已经包括在永久荷载里面，所以不计算。楼面板荷载设计值：q=1.4241.215=51.6kN/m楼面板荷载标准值：qk=24139KN/mB、次梁部分次梁在主梁上方，按简支梁计算。9000次梁弯矩图:次梁剪力图:-232.20单根次梁上最大弯矩为1212Mmax

6、ql251.692=522.45KNm88两端剪力最大值为：11Vmax=2q"251.6232.20KN522.451061.05310选用截面模量最小值:根据截面模量选用热轧H=500mmB=200mmH型钢HN5002001016,查附表可知:I47800cm4W=1858.9cm3打=10mmt2=16mm2A=180cmSx=1084.1Dnfjx=20.5cmW二maxxfd=1605.07cm3次梁验算由于选择的是热轧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和其牢固连接，能阻止受压翼缘的侧向变形，故不用验算次梁的整体稳定性。综上分析可知，次梁验算

7、需要对强度和刚度进行验算。522.45106103 抗弯强度检验（翼缘边缘的弯曲应力）：=267.67N/mm2：f=310N/mm2满足抗剪强度检验（腹板处的剪应力）：maxSx232.201031084.11034647210412=45.14N/mm2：化=180N/mm2满足 折算应力（腹板和翼缘交界处）：h-2(tr)h=500-2(207.0)5002267.67二238.76N/mm二zs=4123.：，238.762345.142-251.24N/mm2：1.1f-341N/mm2满足250250C、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

8、。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。选取中间一拼框架梁做分析计算，由于将次梁简化为两端铰接，各个部分所传递的荷载都相同。中间一拼框架梁同时承受两个次梁传递的荷载。主梁力学简化模型图:2主梁截面尺寸待定，先不计主梁自重荷载。集中恒载标准值:集中活载标准值:集中恒载设计值:集中活载设计值:荷载分析：此结构具有对称性，仅对以下六种具有代表性的荷载在形式进行分析: 次梁传递集中力恒载刈阳丹rGGG1r连续梁受满布活载1fi0f1f7771跨受满布活载 2跨受满布活载1、2跨受满布活载1、3跨受满布荷载不同荷载组合下的内力图+弯矩图:剪力图:+弯矩图:剪力图:-2S

9、.5+弯矩图:剪力图：；2.1SillH"E1r'»¥b-anaWIEIS1辽竺J3125+弯矩图:剪力图:4L°41+弯矩图:剪力图:通过上图比较可知：最不利弯矩为+组合中：Mmax二555.66KNm主梁选用截面模量最小值:WMmax611.231061.05310=1877.82:m3假设主梁钢板厚度叮6mm,Q345钢的抗弯强度设计值得f=310N/mm2,E=206X103N/mm2和-=250。梁最大容许挠度为L/250.ILv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)空.丄二5310go%250,43mm3

10、1.2EILv31.22061032).经济高度经验公式big=7汉-30=7汉习1877.82-30=56.361cm=563.61mm综上计算，取腹板高度hw=h°=620mm(2) .腹板厚度1).抗剪要求3tw=d2309.4110=3.32mm6201802).局部稳定和构造因素tw=hw=620=7.12mm3.53.5综上取tw=10mm选用腹板620X10。(3) .翼缘板截面尺寸(bXt)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=(124,206.7),取b=200mm在确定b和t时，应考虑翼缘板的局部稳定性要求，近似取“叫；

11、5=1<235=12-38b2007.28mm根据抗剪强度和整体稳定性要求ww6hwtw二叱10662062010=1995.41mm竺伙9.98mm200取t=14mm(4) .截面特征根据上面计算，主梁截面尺寸如图。计算截面特征:lx12200648(200-10)620=7.614108mm4Wxlx7.614108200h2324=235011276mm3LQly126201032142003=1.872107mm412A=20014262010=11800mm2=254.02mm=254.02mm=39.83mm(5)确定焊缝尺寸主梁设计截面因单悝：Vmax=3°9.

12、41KN20014(竽号"887600mm33爪亠為严刼108876°0十冊w-1.4fflx1.41807.614108hfmin-1.5tmax=1.514二5.61mmhfma1.2tmin=仁"112mm取hf-10mm。钢结构在焊接时焊条采用E50系列，焊接方法为手工焊。主梁验算主梁自重标准值：q自重二：、Ag=7.851180010"9.8=0.91kNm主梁自重设计值：q0=1.2q自重=1.27.91=1.09kN/m主梁含自重后的最大弯矩和剪力近似为：Mmax0二Mmax8q°|2=611.238倔6616.14KN口11Vm

13、ax。=Vmax巧309.41巧509沢6=312.68KN强度验算1)抗弯强度验算Mmax0xWx616.14106-249.69N/mmfd二310Nmm满足抗剪强度验算:fv=180N/mm2满足=312篇1410；08368)100=56.仆/讪2局部压应力:twlz31010=203.68N10228'2mm=310Nmm"式中：F为跨中集中力，F=GQ=162302.4=464.4KNla5h2hR=1585140=228mma为集中荷载沿梁跨度方向上的支撑长度，取a=158mm'为集中荷载增大系数，此处取'-=1.0fd为钢材的抗压强度设计值，f

14、d=310N；mm2局部承压满足要求，且不需要设置支承加劲肋2）折算应力：（翼缘和腹板相接处计算折算应力）620620214620620214249.69=238,90NmmVmax°Si312.68103887600Ixtw7.61410810=36.45N/mm2zs二“匚cc3238.9203.68?336.45?/2dmm满足3)焊缝强度验算：31VS1312.681088760081.4hfIx10=26.04nmmf=180n；mm满足整体稳定验算:将次梁作为主梁的侧向支撑，则3000200f235_=15汨6：亦-13.21，故需要验算整体稳定性其侧向的计算长度：loy

15、=30.7=2.1m长细比:长细比:lox_3000ix254.02=11.81loyiy210039.83二52.72max=max(x,y)=52.72<=150.00max=max(x,y)=52.72<=150.00长细比（即刚度）满足对x轴，y轴均为b类截面心72.;:;=63.88查钢结构基本原理附表4-4,x二0.984讥二0.787简支梁整体稳定系数235扎yWxb为整体稳定的等效临界弯矩系数,查规范GB50017-2003表B.1,取'1.75y为梁在侧向支承点间对截面弱轴y-y的长细比,十52.72A为毛截面面积A=11800mm2h为梁截面的全高h二6

16、48mm11为受压翼缘厚度ti=14mmb为截面不对称系数，取b=0b=1.754320252.7211800汉648匚235011276$"52.72勺414.4648235二345:b应根据弹塑性方法来修正,:b应根据弹塑性方法来修正,；=min(1.0,1.07082Hmin1.0,1.02i=1.0'b欧拉临界力Nex欧拉临界力Nex二2ea1.1X二22.06105118002=1.564108N有端弯矩和横向荷载作用且使构件产生同向弯曲x=1.0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玉二0.85又主梁简化模型轴力N=0平面内整体稳定性:平面内整体稳定性

17、:BmxMmaxxWx(仁0.8”)Nex=0101.052350112.76(1-0.80)二249.69Nmm2310Nmm2满足口6平面外整体稳定性:NAyPtxIMmax10t=0+10辺LU-xx1.0x2350112.76=222.85nmm2310nmm?满足局部稳定性验算翼缘：詈晋于=6.79汀5：245帀38满足腹板：加=620=62：80.235=66.03满足tw10345刚度验算计算知q自重二0.91kNmF=GkQkT35216=351kN43433=5q自重I_Fl_50.9156000351叫6000*384E|x48E|x384<2.06<107.6

18、14<10848疋2.06乂7.614疋°8=10.49mm6000=24mm满足250250D柱子部分用结构力学求解器求得简化图的弯矩和轴力图如下:弯矩图：主梁自重标准值:q自重二'Ag=7.85118001。9.0.91kNm次梁自重标准值:q'自重二pA，g=7.8180010x9.1.39kNm梁自重设计值：q1.2q自重=1.2(0.911.39)=2.76kNm轴力图:由上图可知Mmax=233.85KNmN=500.53KNmax框架柱为焊接H型钢，截面尺寸为H600X300X12X18，楼层层高取3.9m。柱子截面特征：2A=6001823001

19、2=25200mm131384lxlx二石186002石30012=3.2410mmWxWx=3.23OO01.08106mm3瓦2恥10825200=113.39mm刚度验算:3900x强度验算:113.39=34.39mm：丨I-150刚度满足N+MAnxWx整体稳定性验算:焊缝10200T0-210=4900mm236500.5310233.8510.22卫+6=226.08Nmm:310Nmm强度满足25200二0.941：二1xmxN+mxM=500.53怡+233.85p6xAnxWx(1-°.8NNex)0.94125200106(1-0.81.1500.534332)

20、=250.67n.mm:310n；mm满足E.连接部分（一）.框架主梁短梁段和框架柱节点（焊缝连接）采用焊缝连接：Q345角焊接的的抗拉强度f/=200N/mm2Q345对接焊缝的抗拉强度f/=315N/mm2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。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）.焊角尺寸采用手工焊角焊缝，则有焊角尺寸应满足（其中t为较厚焊件尺寸），取t=30mm，hmin=1.5,30=8.22mm又瓜ax=12（其中t为较薄焊件的厚度）,取t=10mm,hmax=1.210=12mm取hf=

21、10mm2）.焊缝截面特征水平焊缝面积Af厂°.7102200-2竖向焊缝面积Af2=°.7102620=8680mm2焊缝总面积A厂AfiAf23580mm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（yi）和焊缝形心至水平板底面的距离（y2）等于y=y1=y2=h=324mm焊缝惯性矩284IfxIy=8.46510mm3）.焊缝受力分析根据最不利荷载计算出的内力，可知在短梁段和柱连接点处的最大内力可能出现两种情况：（N=0）（1）“a”处受力为:VfaMyIfMfa=235.83Nmm点应力为:faVa2235.83、<1.220=193.30nmm

22、wff=200Nmm结论:点应力满足要求。（2）处受力为:3312.6810Af28680=36.02Nmm6M_My_616.14汇10汉（324T4）_22564N/巾8225.64Nmm8.465108.46510IfC一b“点应力为i1.22丿i1.22丿2i236.02=188.43NmmwfONmm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）.框架主梁短梁段和梁体工地拼接节点（高强螺栓连接）1、计算螺栓连接处的内力（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

23、为：M01V01弯矩：剪力：（2）由均布荷载产生的固端弯矩M2M2M02V0292二22.113KN*m由均布荷载产生的端部剪力:0.6002.739=14.742KN均布荷载在1.0m处产生的内力计算如下:弯矩：-剪力:（3）由集中、均布荷载叠加所得的弯矩剪力弯矩：剪力：（4）弯矩分配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：梁的毛截面惯性矩：84Ix=7.61410mm腹板毛截面惯性矩：131384Iwtw(h-2t)310620=1.986108mm41212翼缘毛截面惯性矩：If=1x一1w=5.62

24、8108mm4翼缘所承担的弯矩：IfIM。1x腹板所承担的弯矩：M02.设计螺栓连接（1）翼缘拼接设计采用10.9级摩擦型高强M22螺栓，起孔径为25.5mm连接处的构件接触面的为喷砂处理方法，抗滑移系数：=0.45螺栓端距：即螺孔中距：即取 梁单侧翼缘连接所需的高强度螺栓数目口巾单个高强摩擦型螺栓抗剪承载力设计值：螺栓两排布置，孔径取25.5mm翼缘板的净截面面积为：翼缘板所能承受的轴向力设计值为：取单侧8个高强螺栓。 翼缘外侧拼接连接板的厚度：ti3=0.514VhOmm取E=1Omm延长度方向尺寸取500mm翼23缘外侧板的尺寸为：10200500mm 翼缘内侧拼接连接板的宽度和厚度：宽

25、度：b=20010mm=95mm2厚度：t24J42004mm=11.37mm取t2=12mm4b恥953所以，内拼接板的尺寸为:1295500mm 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)腹板拼接设计梁腹板连接所需的高强螺栓数目nwb: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：=0.45，预拉力为：P-190KN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，并成两排布置。辺腹板两侧连接板的厚度：取腹板两侧连接板的尺寸不妨取为：螺栓强度验算单个螺栓的抗剪承载力设计值：N：=0.920.4

26、5190=153.9kN剪力Vo在螺栓群形心处所引起的附加弯矩：修正后的弯矩:螺栓最大应力所以螺栓的连接强度满足要求。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:NMf=228.7410kN=360.79kNht648143N_360.7910An2086N/mm2=172.96N/mm2：310N/mm2(2)腹板验算对腹板截面？?一？?比?净截面大，所以只需验算？一？净截面22代=10620-51023.5mm5025mm106203-223.51010022002mm4=1.751108mm42In2x1751x10833620620二mm564838,7mm2&6

27、20-1023.5100200mm3=410000mm38Mwi=MwV6510-=118.69330.156510kN=140.15kNm正应力：=140.1510n/mm2=248.12N/mm2_fd=310N/mm2W,564838.7剪应力：-maxVSn33°.1521°3410000N/mm77.26N/mmf180N/mmInt1.75110810翼缘和腹板强度均满足要求。综上所述：螺栓连接处接触面采用喷砂处理，抗滑移系数为0.45。主梁短梁段和梁体腹板的连接螺栓为10.9级M22摩擦型高强螺栓，孔径为23.5；主梁短梁段和梁体翼缘的连接螺栓为10.9级M24摩擦型高强螺栓，孔径为25.5。（三）.次梁和主梁工地拼接节点（高强螺栓连接）、次梁和主梁的连接构造次梁为简支梁，和主梁侧面连接。次梁通过四个10.9级M22摩擦型高强螺栓直接连接到主梁的横向加劲肋上，为避免和加劲肋相碰，次梁的下翼缘需要切去一侧。 、连接计算铰接连接节点需要传递次梁端部反力，次梁端部局部切割后的腹板截面、连接角钢以及螺栓应能满足此抗剪要求。由于此类节点并非完全