鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程設(shè)計(jì)-鋼框架設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、中南大學(xué)土木建筑學(xué)院 PAGE 23鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程設(shè)計(jì)鋼框架設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)資料工程名稱：某多層圖書館二樓框架書庫(kù)工程資料：結(jié)構(gòu)采用橫向框架承重，樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值7，樓面板為150mm厚單向?qū)嵭匿摻罨炷涟?，荷載傳力途徑為：樓面板次梁主梁柱基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中僅考慮豎向荷載和活載作用,框架梁按連續(xù)梁計(jì)算?？蚣芷矫娌贾脠D和柱截面圖如圖1和圖2。工程要求：（1）設(shè)計(jì)次梁截面CL-1。 （2）設(shè)計(jì)框架主梁截面KL-1。 （3）設(shè)計(jì)框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點(diǎn)，要求采用焊縫連接，短梁段長(zhǎng)度一般為0.91.2m。 （4）設(shè)計(jì)框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點(diǎn)，要求采用高強(qiáng)螺栓連接。 （5）繪制主梁與柱連接節(jié)點(diǎn)

2、詳圖，短梁段及梁體連接節(jié)點(diǎn)詳圖，短梁段與梁體制作詳圖(1#圖紙一張)，KL-1鋼材用量表，設(shè)計(jì)說(shuō)明。 （6）計(jì)算說(shuō)明書，包括構(gòu)件截面尺寸估算、荷載計(jì)算、內(nèi)力組合、主次梁截面設(shè)計(jì)、主次梁強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定驗(yàn)算。設(shè)計(jì)參數(shù)混凝土自重： 厚度：150mm粉刷層： 厚度：15mm找平層： 厚度：20mm樓面活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值： 水磨石樓面： 鋼材（Q235）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值： 鋼材（Q235）抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值： 鋼材（Q235）的彈性模量： 設(shè)計(jì)次梁截面CL-11.設(shè)計(jì)荷載（1）恒載標(biāo)準(zhǔn)層樓面（標(biāo)準(zhǔn)值）1.305KN/m2 水磨石面層樓面 粉刷層 找平層 結(jié)構(gòu)層：150mm單向鋼筋混凝土樓板 合計(jì)： 5

3、.055KN/m2（2）活載 樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值 （3）豎向荷載下框架受荷總圖 荷載由板到梁傳遞示意圖如下圖3所示：荷載標(biāo)準(zhǔn)值 樓面板傳恒載= 樓面?zhèn)鬟f活載=荷載設(shè)計(jì)值 最大彎矩與剪力設(shè)計(jì)值 次梁架于主梁之上，相當(dāng)于簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖4：次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖42.確定次梁的截面尺寸 由于設(shè)計(jì)初鋼梁自重未知（考慮安全因素），故?。?次梁所需的截面抵抗矩： 次梁選用工字形截面，則： （1）確定腹板尺寸梁的經(jīng)濟(jì)高度： 取： 腹板厚度: ?。?若翼緣的厚度?。?則 （2）確定翼緣尺寸： 每個(gè)翼緣所需的截面面積： 翼緣板的寬度： 暫取： （3）次梁截面尺寸特征（如圖5-1）： 截面特征圖5-1 由于，則： （

4、4）確定焊縫尺寸 故取，鋼結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)焊條采用E43列，焊接方法為手工焊。3.次梁驗(yàn)算 次梁自重標(biāo)準(zhǔn)值：（用Q235鋼材） 次梁自重設(shè)計(jì)值： 次梁（包括自重）所承擔(dān)的最大的彎矩與最大剪力： （1）整體穩(wěn)定性驗(yàn)算 故次梁的整體穩(wěn)定滿足要求。（2）局部穩(wěn)定性驗(yàn)算 故次梁不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)。 (3) 剛度驗(yàn)算 故滿足剛度要求?？箯潖?qiáng)度驗(yàn)算 故抗彎強(qiáng)度滿足要求。（5）抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算： 故主梁的抗剪強(qiáng)度滿足要求。（6）翼緣焊縫驗(yàn)算 故翼緣焊縫折算應(yīng)力符合。綜上所述：次梁為實(shí)腹式焊接工字型梁，截面 為230020+72012，如右圖5-2。 翼緣與腹板采用焊縫連接，hf=8mm， 鋼結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)焊條采用E43

5、列， 焊接方法為手工焊。圖5-2設(shè)計(jì)框架主梁KL-11.設(shè)計(jì)荷載如圖，板荷載傳遞給次梁，次梁傳遞給主梁。主梁受自重恒載、次梁傳遞的集中恒載、次梁傳遞的集中活載。其中邊緣主梁受力是主梁受力的一半。則以主梁進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。主梁計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖6：121DCBA主梁計(jì)算簡(jiǎn)圖6主梁截面尺寸待定，因此先不計(jì)主梁自重荷載。集中恒載：集中活載：荷載分析：由于此結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，故僅對(duì)以下六種具有代表性的何在形式進(jìn)行分析：次梁傳遞集中力恒載連續(xù)梁受滿布活載1跨受滿布活載2跨受滿布活載1、2跨受滿布活載1、3跨受滿布荷載 （2）內(nèi)力計(jì)算次梁集中力恒載連續(xù)梁受滿布活載1跨受滿布活載2跨受滿布活載1、2跨受滿布活載1、3

6、跨受滿布荷載內(nèi)力組合及最不利荷載項(xiàng)目工況（+）工況（+）工況（+）工況（+）工況（+）最不利荷載M1（KNm）1038.6351127.861413.981992.2241174.2631174.263M2（KNm）293.5236.56861.205725.56236.56861.205MB（KNm）-889.25-711.78-622.545-979.485-384.585-979.485MC（KNm）-889.25-265.605-622.545-533.31-384.585-889.25VA（KN）231.806251.63663.251221.891261.551261.551VD（

7、KN）-231.806-102.911-63.251-73.166-261.551-261.551VB左（KN）-428.639-408.809-170.849-438.554-398.894-438.554VC右（KN）428.639160.934200.594190.679398.894428.639VB右（KN）330.353180.998329.723379.298131.423379.298VC左（KN）-330.353-81.84866.87717.302-131.423-330.353故由以上計(jì)算表知： 最不利彎矩為： 最不利剪力為：2. 確定主梁的截面尺寸：由于設(shè)計(jì)初鋼梁自重未

8、知（考慮安全因素），故?。?主梁所需的截面抵抗矩： 主梁也選用工字形截面，則：（1）確定腹板尺寸： 主梁的經(jīng)濟(jì)高度： ?。?腹板厚度: ?。?若翼緣的厚度?。?則： （2）確定翼緣尺寸： 每個(gè)翼緣所需的截面面積： 翼緣板的寬度： 綜合上述?。?（3）主梁截面尺寸特征： EMD Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 確定焊縫尺寸 ， ， ?。?。鋼結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)焊條采用E43系列，焊接方法為手工焊。3. 主梁驗(yàn)算 主梁自重標(biāo)準(zhǔn)值：（用Q235鋼材） 主梁自重設(shè)計(jì)值： 主梁（包括自重）所承擔(dān)的最大的彎矩與最大剪力近似按下式計(jì)算： （1） 整體穩(wěn)定驗(yàn)算： 將次梁作為主梁的側(cè)向支撐，

9、則故主梁的整體穩(wěn)定不必驗(yàn)算。（2）局部穩(wěn)定性驗(yàn)算 故次梁不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)。 (3) 剛度驗(yàn)算 故滿足剛度要求。 （4）抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算 故抗彎強(qiáng)度滿足要求。（5）抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算： 故主梁的抗剪強(qiáng)度滿足要求。（6）翼緣焊縫驗(yàn)算 圖5-2 故翼緣焊縫折算應(yīng)力符合。 綜上所述：次梁為實(shí)腹式焊接工字型梁，截面 為230020+91015，如右圖5-2。 翼緣與腹板采用焊縫連接，hf=8mm， 鋼結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)焊條采用E43列， 焊接方法為手工焊?？蚣苤髁憾塘憾闻c框架柱連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)：1. 設(shè)計(jì)資料受力類型：彎矩、剪力（軸力較小忽略不計(jì)）荷載數(shù)據(jù)：短梁和柱通過(guò)焊縫連接，短梁長(zhǎng)1m。由以上計(jì)算知，梁端最大彎矩和最

10、大剪力分別為：M=979.485KNm，V=438.554KN。 焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：主梁為組合工字型截面（），材料Q235鋼，焊條為E43型焊條采用角焊縫焊接。截面尺寸和作用荷載如圖所示。 2. 連接計(jì)算連接采用沿全周施焊的角焊縫連接，轉(zhuǎn)角處連續(xù)施焊，沒有起弧和落弧所引起的焊口缺陷，并假定全部剪力由腹板的連接焊縫承擔(dān)，不考慮工字形翼緣端部繞轉(zhuǎn)部分焊縫的作用。設(shè)沿工字形梁全周角焊縫的焊角尺寸為水平焊縫繞自身軸的慣性矩很小，計(jì)算時(shí)忽略，全部焊縫對(duì)x軸的截面慣性矩近似地?。?焊縫在最外面邊緣“1”點(diǎn)處的截面抵抗矩：焊縫在腹板頂部“2”點(diǎn)處的截面抵抗矩：在彎矩作用下，角焊縫在最邊緣處“1”點(diǎn)處的最大應(yīng)

11、力為：在翼緣和腹板交接的角焊縫“2”點(diǎn)處的M與V的共同作用下的應(yīng)力為： 滿足設(shè)計(jì)要求。3. 按構(gòu)造設(shè)置水平加勁肋水平加勁肋應(yīng)設(shè)置于柱上相連梁的上下翼緣的位置上，且水平加勁肋的水平中心線應(yīng)與梁翼緣的水平中心線相重合；此時(shí)梁翼緣的內(nèi)力作為集中力作用于柱上。為了保證連接節(jié)點(diǎn)處不致于產(chǎn)生局部破環(huán)，水平加勁肋應(yīng)按以下要求分別在與梁上下翼緣對(duì)應(yīng)處柱腹板的兩側(cè)成對(duì)地布置。按水平加勁肋的構(gòu)造要求，設(shè)定其厚度為水平加勁肋的自由外伸寬度應(yīng)滿足下式要求： 得出，水平加勁肋采用完全焊透的坡口對(duì)接焊接連接取 故，焊縫截面如圖，取。設(shè)計(jì)框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點(diǎn)（采用高強(qiáng)度螺栓）1. 計(jì)算螺栓連接處的荷載： （1）

12、由集中荷載產(chǎn)生的固端彎矩： 由上述主梁內(nèi)力計(jì)算表知：梁端最大彎矩 ，對(duì)應(yīng)工況下支座最大剪力為取短梁長(zhǎng)度為1.0m，則集中荷載在1.0m處產(chǎn)生的內(nèi)力計(jì)算如下： 彎矩： 剪力：（2）由均布荷載產(chǎn)生的固端彎矩： 由均布荷載產(chǎn)生的端部剪力： 均布荷載在1.2m處產(chǎn)生的內(nèi)力計(jì)算如下： 彎矩： 剪力：（3）由集中、均布荷載疊加所得的彎矩剪力： 彎矩： 剪力： 2. 設(shè)計(jì)螺栓連接： 采用精確設(shè)計(jì)的方法，即彎矩由翼緣和腹板共同承擔(dān)，剪力僅由腹板承擔(dān)，翼緣承擔(dān)的彎矩和腹板承擔(dān)的彎矩，二者按剛度成比例分配： 則： （1）翼緣拼接設(shè)計(jì)梁?jiǎn)蝹?cè)翼緣連接所需的高強(qiáng)度螺栓數(shù)目 采用10.9級(jí)的M22螺栓： 螺栓孔徑取25.

13、5mm，翼緣板的凈截面面積為：翼緣板所能承受的軸向力設(shè)計(jì)值為： 采用8個(gè)。翼緣外側(cè)拼接連接板的厚度： 取 翼緣外側(cè)板的尺寸為：翼緣內(nèi)側(cè)拼接連接板的厚度： 如果考慮內(nèi)外側(cè)拼接板截面面積相等，則有： 取，內(nèi)拼接板的尺寸為：螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算 上述計(jì)算表明螺栓強(qiáng)度滿足，可不必進(jìn)行驗(yàn)算。 故，翼緣拼接采用八個(gè)M22螺栓，拼接板尺寸為：外拼接板： 外拼接板： （2）腹板拼接設(shè)計(jì)梁腹板連接所需的高強(qiáng)螺栓數(shù)目： 采用10.9級(jí)的M22螺栓： 考慮到彎矩作用的影響，采用8個(gè)M22螺栓，并成兩排布置。腹板兩側(cè)連接板的厚度： 取 腹板兩側(cè)連接板的尺寸不妨取為： 則梁與梁的拼接板連接圖如下圖： 連接構(gòu)件的接觸面采用噴砂處

14、理。螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算 單個(gè)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值： 剪力 在螺栓群形心處所引起的附加彎矩： 修正后的彎矩： 螺栓最大應(yīng)力 故螺栓的連接強(qiáng)度滿足要求。故，翼緣拼接采用8個(gè)M22螺栓，拼接板尺寸為：外拼接板： 3. 螺栓的凈截面強(qiáng)度驗(yàn)算： （1）選截面11討論： 最大正應(yīng)力 最大剪應(yīng)力 對(duì)于點(diǎn)b,折算應(yīng)力為： 滿足要求。（2）選截面22討論： 最大正應(yīng)力 最大剪應(yīng)力 對(duì)于點(diǎn)b,折算應(yīng)力為： 滿足要求。 設(shè)計(jì)規(guī)范及參考書籍 1、規(guī)范（1）中華人民共和國(guó)建設(shè)部. 建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)（GB/T501052001）（2）中華人民共和國(guó)建設(shè)部. 房屋建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB/T500012001）（3）中華人民共和國(guó)建設(shè)部. 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50092001）（4）中華人民共和國(guó)建設(shè)部. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500172003）（5）中