中南大学钢结构课程设计.

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（ GB5009 2010）（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，中国建筑工业出版

2、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 kN mm2 （单号）、5.0kN mm2 （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 班水平向梁跨度取值：学号110

3、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H600×300× 12×18，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。（

4、5）设高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-100004CL-1CL-1CL-1CL-1010011118-0LLLLL0KKKKKC4LL-1LL-1LL-1LL-100004CL-1CL-1CL-1CL-1010011118-0LLLLL0KKKKKB4LL-1LL

5、-1LL-1LL-100004CL-1CL-1CL-1CL-1010011118-0LLLLL0KKKKKA4LL-1LL-1LL-1LL-1900090009000900012345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求）。

6、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、焊接方法和质量要求。图中未注明

7、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：说明： 1：钢材用Q235 B，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材料表数量重量构件编号零件号截面长度（）正反每个共计合计1234一、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、结构材料材质

8、1、Q235 钢， f215N / mm2 , f v 125N / mm22、E43 焊条， f fw160N / mm2A、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：q 4 5 20kN/ m楼面板永久荷载标准值：q4 3 12kN/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：楼面板荷载标准值：q 1.4 20 1.2 12 42.4kN/ m q 20 12 32kN/mB、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Mmax12142.42641.3KN/mql8118V1 ql142.411233.2kNm

9、ax22次梁弯矩图：次梁剪力图：3、 确定次梁的截面尺寸Mmax641.31063Wx2840.75cm选用截面模量最小值：xfd1.05 215根据截面模量选用热轧H 型钢 ,查附表可知：H488mmI x4B300mm71400cmWx2930cm3t 111mmSx3t 218mm1084.11549.9cm164.4cm2i x20.8cmA4、次梁验算4、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

10、力）：M max641.3 1062f 215N / mm2xWx 1.05 2930103208N / mm满足6、抗剪强度检验（腹板处的剪应力） ：V max S X232.2010 31549.910 346.02 N / mm2f v 125 N / mm2I x t w71400104 11满足7、刚度检验5 qkl 4532 110004l1100044mmV384 2.061057140010441.48mm2508、384 EI x250满足故满足刚度要求。综上所述， HM4883001118 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

11、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：集中恒载标准值：Gk 20 11 220KN集中活载标准值： Qk1211132KN集中恒载设计值： G1.21120264 KN集中活载设计值： Q1.41211184.8 KN此结构具有对称性，仅对以下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 max510.400 KNm最不利剪力为 +组合中： V

12、 max247.500KN考虑计算时未计自重，出于安全考虑取M 1.1510.4561.44 KNm假设主梁钢板厚度 16mm ， Q235 钢的抗弯强度设计值得f=215N/mm2×103N/mm2,E=206l和 v =250。梁最大容许挠度为 L/250.所需截面模量为M max561.44 1063Wx1.05 2152487.0cmxf 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. l5 215 11000250 459.96mmmin31.2 Ev31.2 206 1032） .经济高度经验公式he37 3wx - 3 0 72 4

13、 8 7 . 0 - 3 0 6 4 . 8 4 0 c m 6 4 8 . 4 0 m m综上计算，取腹板高度hw = h0 =700m(2).腹板厚度1） .抗剪要求1.2Vmax3t w=1.2 247.5 103.39mmhw f v700 1252） .局部稳定和构造因素twhw7003.57.56mm3.5综上取 t w =12mm，选用腹板 700× 12。(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)h140,233.3，取 b 200mmWth32A248710- 1700 12

14、 2152.8xwwmmfhw67006又：Af2152.810.76 mmt,16mm.tb 200初选截面 7322001216 如图所示：I x1200312001238.77684127301270010mmWIx632.39710mmxh /2Sx20016358212 2633501.88 10mmSl2001635831145600mmI 1437412121220010mmA222001612700mm14800i xI x8. 776106243.51 mmA14800i yI y2.14310738.05 mmA14800翼缘与腹板连接焊缝计算w2

15、f fVmax247.5KN160N / mmV,S320016358mml1145600hf1VS11.84mm1.4f fwI xhf min1.5 t max1.546mmh,f max 1.2t min 1.2 12 14.4mm取 h f 10mm。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： q7.859.8 14800 10 61.138 kN / m主梁自重设计值： 1.2 q1.21.1381.37 kN/ 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：'12510.411.378 2517.71kN mMm a x

16、M m a x 8 ql12V'V1 ql247.511.37 8252.98 kNm a xm a x 22(1)抗弯强度验算考虑部分发展塑性变形取x1.05M517.71 106205.69N/2215 /2 ,W1.05 2.397106mmNmmxx所以抗弯强度满足要求(2)抗剪强度验算VS252.981031.8810622x45N /mm125N / mmI t8.76610812x所以抗剪强度满足要求(3)局部承压强度验算跨中集中力： F448.8 kNl za5h3005 14370mm局部压应力：F448.810322ct wl z12370176.31 N / mm

17、215N / mm(4) 折算应力验算h0350205.69201.09N mm21h368V max 0 S1252.9810 3114560027.52 N / mm 21Ix t w8.76610 812翼缘与腹板相接处计算折算应力：2232201.092176.312201.09 176.31 3 27.522zs1cc1195.81N/ mm2 f d215 N2mm满足（5）焊缝强度验算：1V S1252.98103221145600w1.4hfI x1.4 108.776823.5 Nmm f f160 Nmm10整体稳定验算：将次梁作为主梁的侧向支撑，则l 1400020162

18、3516，故需要验算整体稳定性 。b200235其侧向的计算长度：l 0y40. 72. 8 m长细比 :xlioxx4000l16.43243.51yioyy280028.0573.59max = max( x, y) = 73.59 < =150.00长细比 (即刚度 )满足 。对 x 轴， y 轴均为 b 类截面f y16.4323516.43f y73.5923573.59x 235235y235235查钢结构基本原理附表 4-4，0.982y0.729xb 为整体稳定的等效临界弯矩系数, 查规范 GB50017-2003 表 B.1, 取 b 1.75y 为梁在侧向支承点间对截

19、面弱轴y-y 的长细比 ,y73.592A 为毛截面面积 A14800mmh 为梁截面的全高h732mmt1 为受压翼缘厚度 t 116mmb 为截面不对称系数，取b =073.591621.75432014800732102356.7180.6b22.3971064.473223573.59'0.282)bmin(1.0,1.07min 1.0,1.031.0b 应根据弹塑性方法来修正，b222.06105欧拉临界力NEA148001.018ex2210N1.1x1.116.43有端弯矩和横向荷载作用且使构件产生同向弯曲mx1. 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t

20、x0.85又主梁简化模型轴力 N0平面内整体稳定：6NmxM max01.0517.71 10AxW x(10.8N)1.05 2.397 106 (10.8 0)x2N ex2205.70 N mm 215 N mm满足平面外整体稳定：Ntx M max601.00.85517.71 10满足y A'1.02.397 106bW x22183.58 N mm 215 N mm局部稳定性验算：翼缘： b200125.87515 23515 满足t216235腹板： h070058.338023580 满足12235tw刚度验算以铰接验算刚度计算知 q1.138kN mFG kQ k2

21、2 01 3 2 3kN52434335q lF l5 1.1388000352108000384E I x48E I x 3845848 2.06582.06 108.776 10108.776 10 满足21.10mml800032mm250250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 max517.71 KNmN max252.98KN框架柱为焊接 H 型钢，截面尺寸为H600×300×12×18，楼层层高取 3.5m。柱子截面特征2： A5

22、64 12300 12 217568 mmIIxy13139412300600122885641.09410 mm11832156438.1087412300121210mm1.0941093W x3003.647 106mmi xI x1.094 109I x8.108 107A17568249.54mmi y A1756867.94mmxl 017507.01mm150yli x249.54i0y175025.76mm15067.94刚度满足。强度验算：NM252.98 103517.71 10622AxW175681.05 3.647106149.50 N / mm215N / mm满足

23、弯矩作用在平面内：x7.01, x0.966,x1.05,mx1.0Nex2EA22.06105235508N1.1 x21.17.01 26.6110NmxM252.981031.0 517.71 106b AxW 10.8N0.996175683647000 1 0.8252.98103'1.056.68NEX10149.69 N /2215N /2mmmm满足弯矩作用在平面外：yb25.76,y0.951,1.0,ex1.01.072/440001.0757.5 21.055y44000Nex M252.981031.0 517.71 106149.70 N /22y AbW0.

24、9511.01.055 3.647 106mm215N / mm17568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 角焊接的的抗拉强度 f fw160 N / mm2Q235 对接焊缝的抗拉强度 f fw215N / 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。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：M'M1ql 2510.411.3782517.71 kN mmaxmax812V 'V1 ql247.511.37 8252.98 kNmaxmax

25、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） .焊角尺寸采用手工焊角焊缝，则有焊角尺寸应满足hf 1.5 t (其中 t为较厚焊件尺寸 )，取 t30mm, hmin 1.5 30 8.22mm又 hmax1.2t(其中 t为较薄焊件的厚度 ),t10mm, hmax1.2 1214.4mm取 hf 12mm2） .焊缝截面特征水平焊缝面积 Af120.71222002 12200 12 2 124760mm竖向焊缝面积 Af 220.712260010080mmAfA f2焊缝总面积1 A f 214840mm构件截面对称，焊缝也对称，因此焊

26、缝形心至水平板顶面的距离（y1 ）与焊缝形心至水平板h底面的距离（ y2）等于 y= y1 = y2 = 2=316mm焊缝惯性矩I x 0.7 12 2200 31624 94221384300126009.22 10mmII0.7121313260022.67764y41220021212610 mmI xI y9.2231084fmm3).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：(N0)(1) “a”处应力为：V0faMMy 5 1 7. 7 1 6 1 0 3 1 62faI f8177. 3N7mm9. 2231 0M22177.3

27、7V2222fawaffa1.220145.39 N mm f f200 N mm结论：“a”点应力满足要求。（2）“ b”处应力为：VV252.68 10325.097N2fbA f 210080mmMMy517.71 106(31616)2fb8168.39 NI f9.22310mmM22V22fb2168.3925.0972w140.290 N mm160 N mmbfb1.22f ff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

28、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：M 1mMV 1v梁端最大弯矩MM517.71 KN m，1max0101对应工况下支座最大剪力为 V1252.98 KN弯矩：MMVa264.73 KN m11剪力：VV1252.98KN截面特性毛截面惯性矩，由前已算出 I x848.776 10mmtwh212700384I xw02.58510mm12腹板惯性矩，12翼缘惯性矩， I xfI xI xw88848.887 102.858105.918 10mm则分配到翼缘的弯矩IMxfIxfM15.918517.71 178.52 kN m

29、x8.776分配到腹板上的弯矩IMxwIxwM12.858517.7186.21 kN mx8.776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M20的 10.9 级摩擦型高强螺栓连接，孔径d020.5 mm，N b0.9 n P 0.9 2 0.45155 125.55 KNvfn f 传力摩擦面数目为2摩擦面的抗滑移系数，钢材采用Q235，喷砂0.45P 每个高强螺栓的预压应力，通过查阅钢结构设计规范， 梁单侧翼缘连接所需的高强度螺栓数目 n Fb 根据翼缘所承受的弯矩，翼缘拼接板所传递的轴向力为NfMxf178.52 103h732243.8

30、8 kN,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Nf243.88n1.9Nvb125.55螺栓孔径取 24mm，翼缘板的净截面面积为：An(2002 20.5)1622544mm翼缘板所能承受的轴向力设计值为：NAf254421510 3546.94 NnnFbN3.53N bv采用 6个。2翼缘外侧拼接连接板的厚度：t30.516311mmt116mm，翼缘外侧板的尺寸为： 16 200 520mm32取 t1翼缘内侧拼接连接板的宽度和厚度：b20012 2 12 mm82mm宽度：2t2t f bf162004mm 13.76mm4b48216mm厚度：4取 t

31、 2所以，内拼接板的尺寸为:16 82 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1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 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：0.45 ，预拉力为： P155KNN b0.9 nP0.920.45 155125.55 KNvf2腹板两侧连接板的厚度：t3tw hw16.7mm12mm2h取 t3腹板两侧连接板的尺寸不妨取为：12360500剪力 Vo 在螺栓群形心处所引起的附加弯矩：M 'V0 a252.989010 322.77K

32、N .m修正后的弯矩：MM'M 86.2 12 2. 7 7 1 0K8N. 9m8.w螺栓最大应力MMy1108. 98 610 2008 9.6KN2N1x2222r 244 041 2 042 0 01 24 0MMx1108.98 610 4017.9KN2N1y4242422r24 01 2 02 0 01 24 0N1vyV252.9821.08 KNn122222N1MxN1vy N1My125.55KN89.6219.92 21.0897.74KN Nvb故螺栓的连接强度满足要求。螺栓的净截面强度验算：（1）翼缘板验算翼缘板所受的轴力： NM f178.52 103h

33、t732kN 249.33kN16N2544 N / mm298.01N / mm2215N / mm2An（2）腹板验算对腹板截面 ? ?比 ?净截面大，所以只需验算? ?净截面An107006 1220.5mm25524mm2I n10700032 20.512802 1602mm43.273 108 mm412Wn2I n23.273108mm39.35 105 mm3h7002700Sn101020.580160 mm36.760 105 mm38MW 1M w V40 103108.98 252.984010 3 kN m 119.10kN m正应力：nM w1 119.10 1056N / mm2127.38N / mm2fd215N / m