鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)-鋼框架主梁設(shè)計(jì)

《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》課程設(shè)計(jì)計(jì)算書題目：鋼框架主梁設(shè)計(jì)PAGEPAGE7梁按連續(xù)梁計(jì)算。D梁按連續(xù)梁計(jì)算。D0050409C00055004000350409B000540405050409A000543圖2框架柱截面圖0123圖1結(jié)構(gòu)平面布置圖45CL-1。KL-1。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-19000900090009000一般為0.9～1.2m。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。制作詳圖，KL-1鋼材用量表，設(shè)計(jì)說明(1#圖紙一張)。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。二、次梁的設(shè)計(jì)樓板荷載的估計(jì)混凝土自重：25KN/m3厚150mm 0.15m25KN/m33.75KN/m2總厚度：33mm單位重量：0.65kN/m2總厚度：33mm單位重量：0.65kN/m23mm厚水泥膠結(jié)合層20mm厚水泥砂漿找平層底粉刷層：15mm厚白灰砂漿17KN/m3 0.015m17KN/m30.255KN/m2合計(jì)：樓板恒載標(biāo)準(zhǔn)值 3.75+0.65+0.255=4.655KN/m2樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值 5KN/m2次梁荷載的設(shè)計(jì)（自重暫不考慮）1樓面板傳恒載q恒24.655KN/m24.5m220.95KN/m1樓面?zhèn)鬟f活載q活25KN/m24.5m222.5KN/m由可變荷載效應(yīng)控制的組合q1.2q恒

1.4q活

1.220.951.422.556.64KN/m由永久荷載效應(yīng)控制的組合q1.35q恒

1.40.7q活

1.3520.951.40.722.550.33KN/m次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖所以荷載設(shè)計(jì)值次梁計(jì)算簡(jiǎn)圖q=56.64KN/m次梁所受最大彎矩與剪力設(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：1 1Mmax8ql2856.6492573.48KNm1 1V max

2ql256.649254.88KN初選次梁的截面尺寸梁高的確定由于設(shè)計(jì)荷載時(shí)未考慮鋼梁自重，考慮安全因素，可?。篗1.02M 1.02573.48584.95KNmmax則次梁所需的截面抵抗矩：M 584.95106W 2.59106mm3x fsd

1.05215梁的最小高度（按最大撓度限值確定：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加翼緣厚度可使梁高度滿足上述要求。腹板尺寸的確定腹板高度取hw

650mm則腹板厚度：

max

1.2254.881033.8mmw hfwV

650125Q235f=125N/mm2。650v650hw局部穩(wěn)定和構(gòu)造因素：t hww

3.5

3.5

7.3mm取t=10mm，則腹板可選用—650×10。w翼緣板尺寸的確定根據(jù)翼緣所需要的截面慣性矩確定翼緣板尺寸：2I

I W 1 2.59106 1bt

x w x h

650102901.3mm2 ①h2 hw

6ww

650 6考慮翼緣板的局部穩(wěn)定性和構(gòu)造要求，近似取235fyb152235fy

即b30 ②Y300×12XY300×12XX650×10Y初選次梁截面圖由①、②兩式可得：2901.32901.330tb

295mm b=300mm295 9.8mm t=12mm30 30則翼緣板可選用—300×12。初選次梁截面如右圖：次梁整體穩(wěn)定的驗(yàn)算截面幾何特性截面積A2300126501013700mm21 1慣性矩Ix

1230067431229065031.018109mm41 1yI 212123003126501035.405107mm4y截面模量W X

1.018109h2x6742 3.02110h2x6742yiy梁在側(cè)向長(zhǎng)細(xì)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，則：

'1.070.2820.615b 0.620（Q235）q (39.422510.20)9.81.054kN/m自1.22KN/m次梁自重設(shè)計(jì)值：q’1.2q自

1.21.0541.265kN/m次梁（包括自重）所承擔(dān)的最大的彎矩與最大剪力：1 1Mmax

'M

max

q'l2573.48 1.26592586.29kNm8 8Vmax

(qq')l(56.641.265)9260.57kN2 2整體穩(wěn)定性驗(yàn)算Mmax'W

' 586.29106 315N/mm2f0.6153.021106 d

215N/mm2b x整體穩(wěn)定不能滿足要求，需要加大截面。腹板選用—650×12翼緣選用—320×16截面幾何特性截面積A2320166501218040mm2慣性矩Ix

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

1.410109xh26822 4.13510xh26822yiy梁在側(cè)向長(zhǎng)細(xì)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，則：

'1.070.2820.681b 0.725（Q235）q (220.102512.25)9.81.388kN/m自次梁自重設(shè)計(jì)值：q’1.2q自

1.21.3881.666kN/m次梁（包括自重）所承擔(dān)的最大的彎矩與最大剪力：1 1Mmax

'M

max

q'l2573.48 1.66692588.474kNm8 8Vmax

(qq')l(56.641.666)9262.377kN2 2整體穩(wěn)定性驗(yàn)算Mmax

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

0.6814.135106215 d此時(shí)次梁整體穩(wěn)定滿足要求。局部穩(wěn)定性驗(yàn)算3082235fyb 9.6253082235fy

13t 16235fyhw65053.284 84235fyt 12w故次梁不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)，不需要設(shè)置加勁肋。抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算Mmax

' 588.474106 135.5N/mm2f 215N/mm2W 1.054.135106 dx x故抗彎強(qiáng)度滿足要求?？辜魪?qiáng)度驗(yàn)算剪力全部由腹板承擔(dān)Sx

12

65028

633750mm3

Smax

262.377103633750 9.8N/mm2f125N/mm2max

It 1.41010912 vxw故主梁的抗剪強(qiáng)度滿足要求。剛度驗(yàn)算5ql4 5(20.9522.51.388)90004 k384EIx

13.2mm3842.061051.410109Y320×16XX650×12Y l 900036mmY320×16XX650×12Y250 250故滿足剛度要求。終選次梁截面如右圖：次梁截面圖次梁截面圖三、設(shè)計(jì)框架主梁KL-1荷載分析主梁的受力分析主梁受自重恒載、次梁傳遞的集中恒載、次梁傳遞的集中活載。其中邊緣主梁⑤受力是主梁③④受力的一半。則以主梁③④進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。主梁按多跨連續(xù)梁設(shè)計(jì)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖主梁截面尺寸待定，因此先不計(jì)主梁自重荷載。則主梁跨中所受集中荷載設(shè)計(jì)值：集中恒載：G1.2(20.951.388)9241.25kN集中活載：Q1.422.59283.5kN8GQ241.25283.5524.75kN荷載的組合情況由于此結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，故僅對(duì)以下六種荷載情況進(jìn)行分析：①僅次梁傳遞集中力恒載時(shí)（1）跨有集中活載時(shí)（2）跨有集中活載時(shí)④1（2）跨有集中活載時(shí)⑤1（3）跨有集中活載時(shí)9廠l825⑥廠l8253V82眾 (3V82

(2)二內(nèi)力計(jì)算①僅次梁傳遞集中力恒載時(shí)邁69 2569A B 2l1l3C D3F99? 3]9

-l.568l②僅（1）跨有集中活載時(shí)3

ll的 35,44-170.10

丘-7.O9③僅（2）跨有集中活載時(shí)/ 知④1（2）跨有集中活載時(shí)

..1i.IIl(3)10⑤1（3）跨有集中活載時(shí)⑥1（2（3）跨都有集中活載時(shí)各跨撓度表編號(hào)（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表中單位為mm，撓度先下為正向上為負(fù)。由①和其它情況彎矩的疊加可得跨中最大彎矩的產(chǎn)生為①+⑤時(shí)M 379.97542.19922.16kNm中由①和其它情況彎矩的疊加可得支座處最大負(fù)彎矩的產(chǎn)生為①+④時(shí)M 325.69446.51772.2kNm支11PAGEPAGE14由①和其它情況剪力的疊加可得剪力最大的產(chǎn)生為①+④時(shí)V 156.81191.36348.17kN（B）max由①和其它情況撓度的疊加可得撓度最大的產(chǎn)生為①+⑤時(shí) 3.55.99.4mmmax故由以上計(jì)算知：最不利彎矩為：M 922.16kNmmax最不利剪力為：V 348.17kNmax初選主梁的截面尺寸梁高的確定由于設(shè)計(jì)荷載時(shí)未考慮鋼梁自重，考慮安全因素，可取：M1.02M 1.02922.16940.60kNmmax則次梁所需的截面抵抗矩：M 940.60106W 4.17106mm3x fsd

1.05215梁的最小高度（按最大撓度限值確定：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加翼緣厚度可使梁高度滿足上述要求。腹板尺寸的確定腹板高度取hw

800mm則腹板厚度：抗剪強(qiáng)度要求：t

max

1.2325.691033.9mm式中取Q235鋼的f=125N/mm2

w hfwV

800125 v局部穩(wěn)定和構(gòu)造因素：t w

hwhw

8003.5800

8.1mm取t=14mm，則腹板可選用—800×14。w3.2.3翼緣板尺寸的確定根據(jù)翼緣所需要的截面慣性矩確定翼緣板尺寸：bt

2Ix

I Ww

1 4.17106 1 ht 800143345.8mm2 ①h2 hw

6ww

800 6考慮翼緣板的局部穩(wěn)定性和構(gòu)造要求，近似取235fyb152235fy

即b30 ②Y360×18XY360×18XX800×14主梁截面Y由①、②兩式可得：3345.830b 3345.830tb36012mm t=18mm30 30則翼緣板可選用—360×18。主梁截面如右圖：截面幾何特性截面積A2360188001424160mm21 1慣性矩Ix

3608363 34680032.76109mm412 12截面模量W X

2.766109xh28362 6.61710xh28362（Q235）q (225.432421.98)9.81.858kN/m自主梁自重設(shè)計(jì)值：q’1.2q自

1.21.8582.23kN/m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 1M max

Mmax

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

V max 2

325.69 2

335.725kN主梁的驗(yàn)算整體穩(wěn)定驗(yàn)算：將次梁作為主梁的側(cè)向支撐，則235fy235fyb136012.513 13b1故主梁的整體穩(wěn)定不必驗(yàn)算。235f235fyb173t 18

9.613 13235fy235fytw1457.184 84w故次梁不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn),且不需設(shè)置加勁肋。抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算MmaxWx

' 944.74106 136N/mm2f1.056.617106 d

215N/mm2故抗彎強(qiáng)度滿足要求。抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算按剪力全部由腹板承擔(dān)Sx

14

80028

1.12106mm3

'Smax

335.7251031.12106 34N/mm2f125N/mm2max

It 2.761094 xw故主梁的抗剪強(qiáng)度滿足要求。集中力作用處局部壓應(yīng)力驗(yàn)算由于a=320mm，則lz

a5hy

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

42010滿足要求，且不需要設(shè)置加勁肋。剛度驗(yàn)算由上撓度組合可知

3.55.99.4mm

9000 22.5mmmax

400 400所以主梁剛度滿足要求。四、框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)資料受力類型：彎矩、剪力荷載數(shù)據(jù)：短梁和柱通過焊縫連接，短梁段長(zhǎng)1m。由以上計(jì)算知，梁端最大彎矩和最大剪力分別為：M=772.2kNm，V=348.17kN。主梁為組合工字型截面（I23601880014Q235焊條為E43型焊條采用角焊縫焊接。焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fw160N/mm2f截面尺寸和作用荷載如圖所示。VM確定焊腳尺寸構(gòu)造要求：手工焊接時(shí)：h1.5t 1.5308.2mmf maxh1.2t 1.21416.8mmf minhf

10mm因?yàn)閔w

800mm60hf

6010600mm所以豎向焊縫長(zhǎng)度取600mm,兩端各分布300mm。計(jì)算截面特性時(shí)如下圖：15水平焊縫面積：A 2103269324mm2f1豎向焊縫面積：A 21030028400mm2f2總焊縫面積：A20.710(3403263002)f17724mm2x 1 Ifx20.7102[123003(400150)2300]3404182(34014)4002 2.150109mm4驗(yàn)算最危險(xiǎn)點(diǎn)受力首先假設(shè)腹板焊縫承受全部剪力，而全部焊縫共同承擔(dān)彎矩。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翼緣下邊緣b點(diǎn)應(yīng)力Mh 772.2106 800M 0 143.67N/mm2fb I X

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

124.84N/mm2fw160N/mm2（143.67（143.671.22241.452所以焊縫滿足要求。五、設(shè)計(jì)框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓的選擇以及孔徑的確定M2010.9d0

21.5mm，腹板M2410.9d0一個(gè)M20高強(qiáng)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值

26mm。Nb0.9nP0.920.45155125.55kNv f一個(gè)M24高強(qiáng)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值Nb0.9nP0.920.45225182.25kNv fn——傳力摩擦面數(shù)目為2f——摩擦面的抗滑移系數(shù)，鋼材采用Q235，噴砂處理接觸面0.45P——每個(gè)高強(qiáng)螺栓的預(yù)壓應(yīng)力，通過查閱鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于 M20，P155kN ,對(duì)于M24，P取225kN按構(gòu)件材料的屈服強(qiáng)度作為高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)翼緣拼接的設(shè)計(jì)主梁翼緣材料Q235軸心受拉達(dá)到屈服極限時(shí)所能承受的力為Nmax

235183601522.8kN梁翼緣連接所需的M20高強(qiáng)度螺栓數(shù)目nNmax1522.812.1取n=12Nb 125.55v翼緣蓋板所能承受的軸向力最好和母材強(qiáng)度相當(dāng)所以翼緣外側(cè)蓋板取—360×10×600翼緣內(nèi)側(cè)蓋板取兩塊—160×10×600（考慮腹板厚度和焊縫寬度）腹板拼接設(shè)計(jì)主梁腹板材料Q235軸心受拉達(dá)到屈服極限時(shí)所能承受的力為Nmax235183601522.8kN梁腹板連接所需的M24高強(qiáng)度螺栓數(shù)目n

max

1522.8 1