钢结构课程设计-钢框架主梁设计

《钢结构基本原理》课程设计计算书题目：钢框架主梁设计PAGEPAGE7梁按连续梁计算。D梁按连续梁计算。D0050409C00055004000350409B000540405050409A000543图2框架柱截面图0123图1结构平面布置图45CL-1。KL-1。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150mmLL-1CL-1LL-1CL-1LL-1CL-1LL-1CL-11-L1-L1-L1-L1-LKKLL-1LL-1KLL-1KKLL-1CL-1CL-1CL-1CL-11-L1-L1-L1-L1-LKKLL-1LL-1KLL-1KKLL-11-LCL-11-LCL-1CL-11-L1-LCL-11-LKKLL-1LL-1KLL-1KKLL-19000900090009000一般为0.9～1.2m。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。制作详图，KL-1钢材用量表，设计说明(1#图纸一张)。设计、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算。二、次梁的设计楼板荷载的估计混凝土自重：25KN/m3厚150mm 0.15m25KN/m33.75KN/m2总厚度：33mm单位重量：0.65kN/m2总厚度：33mm单位重量：0.65kN/m23mm厚水泥胶结合层20mm厚水泥砂浆找平层底粉刷层：15mm厚白灰砂浆17KN/m3 0.015m17KN/m30.255KN/m2合计：楼板恒载标准值 3.75+0.65+0.255=4.655KN/m2楼面活载标准值 5KN/m2次梁荷载的设计（自重暂不考虑）1楼面板传恒载q恒24.655KN/m24.5m220.95KN/m1楼面传递活载q活25KN/m24.5m222.5KN/m由可变荷载效应控制的组合q1.2q恒

1.4q活

1.220.951.422.556.64KN/m由永久荷载效应控制的组合q1.35q恒

1.40.7q活

1.3520.951.40.722.550.33KN/m次梁计算简图所以荷载设计值次梁计算简图q=56.64KN/m次梁所受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：1 1Mmax8ql2856.6492573.48KNm1 1V max

2ql256.649254.88KN初选次梁的截面尺寸梁高的确定由于设计荷载时未考虑钢梁自重，考虑安全因素，可取：M1.02M 1.02573.48584.95KNmmax则次梁所需的截面抵抗矩：M 584.95106W 2.59106mm3x fsd

1.05215梁的最小高度（按最大挠度限值确定：hmin

5fl l31.2E

5215900031.2206103

250376.3mm （Q235f=215N/mm2,E=206×103N/mm332.5932.59106

L]=250）vh73Ws

3007

300661.3mm所以取腹板高度hw

650mm加翼缘厚度可使梁高度满足上述要求。腹板尺寸的确定腹板高度取hw

650mm则腹板厚度：

max

1.2254.881033.8mmw hfwV

650125Q235f=125N/mm2。650v650hw局部稳定和构造因素：t hww

3.5

3.5

7.3mm取t=10mm，则腹板可选用—650×10。w翼缘板尺寸的确定根据翼缘所需要的截面惯性矩确定翼缘板尺寸：2I

I W 1 2.59106 1bt

x w x h

650102901.3mm2 ①h2 hw

6ww

650 6考虑翼缘板的局部稳定性和构造要求，近似取235fyb152235fy

即b30 ②Y300×12XY300×12XX650×10Y初选次梁截面图由①、②两式可得：2901.32901.330tb

295mm b=300mm295 9.8mm t=12mm30 30则翼缘板可选用—300×12。初选次梁截面如右图：次梁整体稳定的验算截面几何特性截面积A2300126501013700mm21 1惯性矩Ix

1230067431229065031.018109mm41 1yI 212123003126501035.405107mm4y截面模量W X

1.018109h2x6742 3.02110h2x6742yiy梁在侧向长细比

IyAlIyA

60.7mm5.045107137005.04510713700y i 60.7y 0.690.139000120.759b 3006741t1t2y4.4h b b2 W

bfy x y0.759

4320 13700674 148.312 [1( )2]0]

2350.620

148.32 3.021106

4.4674 235由于b

0.6，则：

'1.070.2820.615b 0.620（Q235）q (39.422510.20)9.81.054kN/m自1.22KN/m次梁自重设计值：q’1.2q自

1.21.0541.265kN/m次梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力：1 1Mmax

'M

max

q'l2573.48 1.26592586.29kNm8 8Vmax

(qq')l(56.641.265)9260.57kN2 2整体稳定性验算Mmax'W

' 586.29106 315N/mm2f0.6153.021106 d

215N/mm2b x整体稳定不能满足要求，需要加大截面。腹板选用—650×12翼缘选用—320×16截面几何特性截面积A2320166501218040mm2惯性矩Ix

3206823 30865031.410109mm41 12 121 1 1I 2 163203 6501238.747107mm4y 12 12截面模量W X

1.410109xh26822 4.13510xh26822yiy梁在侧向长细比

IyAlIyA

69.6mm8.747107180408.74710718040y i 69.6y 0.690.139000160.776b 3206821t1t2y4.4h b b2 W

bfy x y0.776

4320 18040682 129.316 [1( )2]0]

2350.725

129.32 4.135106

4.4682 235由于b

0.6，则：

'1.070.2820.681b 0.725（Q235）q (220.102512.25)9.81.388kN/m自次梁自重设计值：q’1.2q自

1.21.3881.666kN/m次梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力：1 1Mmax

'M

max

q'l2573.48 1.66692588.474kNm8 8Vmax

(qq')l(56.641.666)9262.377kN2 2整体稳定性验算Mmax

' 588.474106 209N/mm2f 215N/mm2'Wb x

0.6814.135106215 d此时次梁整体稳定满足要求。局部稳定性验算3082235fyb 9.6253082235fy

13t 16235fyhw65053.284 84235fyt 12w故次梁不会发生局部失稳，不需要设置加劲肋。抗弯强度验算Mmax

' 588.474106 135.5N/mm2f 215N/mm2W 1.054.135106 dx x故抗弯强度满足要求。抗剪强度验算剪力全部由腹板承担Sx

12

65028

633750mm3

Smax

262.377103633750 9.8N/mm2f125N/mm2max

It 1.41010912 vxw故主梁的抗剪强度满足要求。刚度验算5ql4 5(20.9522.51.388)90004 k384EIx

13.2mm3842.061051.410109Y320×16XX650×12Y l 900036mmY320×16XX650×12Y250 250故满足刚度要求。终选次梁截面如右图：次梁截面图次梁截面图三、设计框架主梁KL-1荷载分析主梁的受力分析主梁受自重恒载、次梁传递的集中恒载、次梁传递的集中活载。其中边缘主梁⑤受力是主梁③④受力的一半。则以主梁③④进行研究设计。主梁按多跨连续梁设计，计算简图如下图主梁截面尺寸待定，因此先不计主梁自重荷载。则主梁跨中所受集中荷载设计值：集中恒载：G1.2(20.951.388)9241.25kN集中活载：Q1.422.59283.5kN8GQ241.25283.5524.75kN荷载的组合情况由于此结构具有对称性，故仅对以下六种荷载情况进行分析：①仅次梁传递集中力恒载时（1）跨有集中活载时（2）跨有集中活载时④1（2）跨有集中活载时⑤1（3）跨有集中活载时9厂l825⑥厂l8253V82众 (3V82

(2)二内力计算①仅次梁传递集中力恒载时迈69 2569A B 2l1l3C D3F99? 3]9

-l.568l②仅（1）跨有集中活载时3

ll的 35,44-170.10

丘-7.O9③仅（2）跨有集中活载时/ 知④1（2）跨有集中活载时

..1i.IIl(3)10⑤1（3）跨有集中活载时⑥1（2（3）跨都有集中活载时各跨挠度表编号（1）跨（2）跨（3）跨①3.50.63.5②5.3-1.70.56③-1.74.2-1.7④3.52.5-1.1⑤5.9-3.45.9⑥4.60.74.6表中单位为mm，挠度先下为正向上为负。由①和其它情况弯矩的叠加可得跨中最大弯矩的产生为①+⑤时M 379.97542.19922.16kNm中由①和其它情况弯矩的叠加可得支座处最大负弯矩的产生为①+④时M 325.69446.51772.2kNm支11PAGEPAGE14由①和其它情况剪力的叠加可得剪力最大的产生为①+④时V 156.81191.36348.17kN（B）max由①和其它情况挠度的叠加可得挠度最大的产生为①+⑤时 3.55.99.4mmmax故由以上计算知：最不利弯矩为：M 922.16kNmmax最不利剪力为：V 348.17kNmax初选主梁的截面尺寸梁高的确定由于设计荷载时未考虑钢梁自重，考虑安全因素，可取：M1.02M 1.02922.16940.60kNmmax则次梁所需的截面抵抗矩：M 940.60106W 4.17106mm3x fsd

1.05215梁的最小高度（按最大挠度限值确定：h 5fl l5215

400602.1mm （Q235min 31.2E 31.2206103f=215N/mm2,E=206×103N/mm334.1734.17106

L]=400）vh73Ws

3007

300826.7mm所以取腹板高度hw

800mm加翼缘厚度可使梁高度满足上述要求。腹板尺寸的确定腹板高度取hw

800mm则腹板厚度：抗剪强度要求：t

max

1.2325.691033.9mm式中取Q235钢的f=125N/mm2

w hfwV

800125 v局部稳定和构造因素：t w

hwhw

8003.5800

8.1mm取t=14mm，则腹板可选用—800×14。w3.2.3翼缘板尺寸的确定根据翼缘所需要的截面惯性矩确定翼缘板尺寸：bt

2Ix

I Ww

1 4.17106 1 ht 800143345.8mm2 ①h2 hw

6ww

800 6考虑翼缘板的局部稳定性和构造要求，近似取235fyb152235fy

即b30 ②Y360×18XY360×18XX800×14主梁截面Y由①、②两式可得：3345.830b 3345.830tb36012mm t=18mm30 30则翼缘板可选用—360×18。主梁截面如右图：截面几何特性截面积A2360188001424160mm21 1惯性矩Ix

3608363 34680032.76109mm412 12截面模量W X

2.766109xh28362 6.61710xh28362（Q235）q (225.432421.98)9.81.858kN/m自主梁自重设计值：q’1.2q自

1.21.8582.23kN/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：1 1M max

Mmax

ql2922.16 2.2392944.74kNm8 8q'l 2.239V max

V max 2

325.69 2

335.725kN主梁的验算整体稳定验算：将次梁作为主梁的侧向支撑，则235fy235fyb136012.513 13b1故主梁的整体稳定不必验算。235f235fyb173t 18

9.613 13235fy235fytw1457.184 84w故次梁不会发生局部失稳,且不需设置加劲肋。抗弯强度验算MmaxWx

' 944.74106 136N/mm2f1.056.617106 d

215N/mm2故抗弯强度满足要求。抗剪强度验算按剪力全部由腹板承担Sx

14

80028

1.12106mm3

'Smax

335.7251031.12106 34N/mm2f125N/mm2max

It 2.761094 xw故主梁的抗剪强度满足要求。集中力作用处局部压应力验算由于a=320mm，则lz

a5hy

320518410mm。F 524.75103即 91.4N/mm2f215N/mm2c ltz w

42010满足要求，且不需要设置加劲肋。刚度验算由上挠度组合可知

3.55.99.4mm

9000 22.5mmmax

400 400所以主梁刚度满足要求。四、框架主梁短梁段与框架柱连接节点的设计：设计资料受力类型：弯矩、剪力荷载数据：短梁和柱通过焊缝连接，短梁段长1m。由以上计算知，梁端最大弯矩和最大剪力分别为：M=772.2kNm，V=348.17kN。主梁为组合工字型截面（I23601880014Q235焊条为E43型焊条采用角焊缝焊接。焊缝的强度设计值：fw160N/mm2f截面尺寸和作用荷载如图所示。VM确定焊脚尺寸构造要求：手工焊接时：h1.5t 1.5308.2mmf maxh1.2t 1.21416.8mmf minhf

10mm因为hw

800mm60hf

6010600mm所以竖向焊缝长度取600mm,两端各分布300mm。计算截面特性时如下图：15水平焊缝面积：A 2103269324mm2f1竖向焊缝面积：A 21030028400mm2f2总焊缝面积：A20.710(3403263002)f17724mm2x 1 Ifx20.7102[123003(400150)2300]3404182(34014)4002 2.150109mm4验算最危险点受力首先假设腹板焊缝承受全部剪力，而全部焊缝共同承担弯矩。在剪力V作用下V 348.17103V 41.45N/mm2f A 8400f2MaM Mh 772.2106 836M 150.13N/mm2fa WX

I 2 2.15109 2X翼缘下边缘b点应力Mh 772.2106 800M 0 143.67N/mm2fb I X

2.15109 2a、baM 150.13fa 123.06N/mm2fw160N/mm2 1.22 ff16PAGEPAGE19b点：（ ）(（ ）(Mfb 2 Vff

124.84N/mm2fw160N/mm2（143.67（143.671.22241.452所以焊缝满足要求。五、设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点高强螺栓的选择以及孔径的确定M2010.9d0

21.5mm，腹板M2410.9d0一个M20高强螺栓的抗剪承载力设计值

26mm。Nb0.9nP0.920.45155125.55kNv f一个M24高强螺栓的抗剪承载力设计值Nb0.9nP0.920.45225182.25kNv fn——传力摩擦面数目为2f——摩擦面的抗滑移系数，钢材采用Q235，喷砂处理接触面0.45P——每个高强螺栓的预压应力，通过查阅钢结构设计规范，对于 M20，P155kN ,对于M24，P取225kN按构件材料的屈服强度作为高强度螺栓设计计算的依据翼缘拼接的设计主梁翼缘材料Q235轴心受拉达到屈服极限时所能承受的力为Nmax

235183601522.8kN梁翼缘连接所需的M20高强度螺栓数目nNmax1522.812.1取n=12Nb 125.55v翼缘盖板所能承受的轴向力最好和母材强度相当所以翼缘外侧盖板取—360×10×600翼缘内侧盖板取两块—160×10×600（考虑腹板厚度和焊缝宽度）腹板拼接设计主梁腹板材料Q235轴心受拉达到屈服极限时所能承受的力为Nmax235183601522.8kN梁腹板连接所需的M24高强度螺栓数目n

max

1522.8 1