鋼結構基本原理課程設計鋼框架設計說明書

鋼結構基本原理課程設計鋼框架設計說明書一、設計資料工程名稱：某多層圖書館二樓框架書庫工程資料：結構采用橫向框架承重，樓面活荷載標準值7kN/mm2，樓面板為150mm厚單向實心鋼筋混凝土板，荷載傳力途徑為：樓面板－次梁－主梁－柱－基礎。設計中僅考慮豎向荷載和活載作用,框架梁按連續(xù)梁計算。框架平面布置圖和柱截面圖如圖1和圖2。LL-L-LL-L-「LL-1 .-LL-1 -FLL-1 .1'J1—1蠢：!口.11-1_. LL-1 ,,.LL-1 ,,. LL-1 .1-JI品!，.11-1_. LL-1 ,,.LL-1 ,,. LL-1 .1-.J=''riI目口k寸1-LL-L -- LL-1 nLL-1 -|-LL-1 -皿■gftM&忖口然00工程要求：（1）設計次梁截面CL-1。（2）設計框架主梁截面KL-1。（3）設計框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點要求采用焊縫連接，短梁段長（3）設計框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點要求采用焊縫連接，短梁段長度一般為0.9?1.2m。（4）設計框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點，要求采用高強螺栓連接。（5）繪制主梁與柱連接節(jié)點詳圖，短梁段及梁體連接節(jié)點詳圖，短梁段與梁體制作詳圖（1#圖紙一張），KL-1鋼材用量表，設計說明。（6）計算說明書，包括構件截面尺寸估算、荷載計算、內力組合、主次梁截面設計、主次梁強度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定驗算。二、設計參數(shù)混凝土自重：粉刷層：25kN混凝土自重：粉刷層：25kN/m317kN/m3厚度：150mm厚度：15mm20kN20kN/m36kN/m20.65kN/m2厚度：20mm樓面活荷載的標準值：水磨石樓面：鋼材（Q235）強度設計值： f=215N/mm2鋼材（Q235）抗剪強度設計值：f=125N/mm2鋼材（Q235）的彈性模量： e=2.06x105N/mm2三、設計次梁截面CL-11.設計荷載（1）恒載—標準層樓面（標準值）水磨石面層樓面 二粉刷層 , 1.305KN/m2找平層 -結構層：150mm單向鋼筋混凝土樓板 0.15mx25KN/m3=3.75KN/m2合計： 5.055KN/m（2）活載樓面活載標準值 7KN/m2（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：'c一JJ怨隹等舉1EwE- LL-1 _- LL-1- LL-1 -- LL-L -T=l1—1T=lQ由Q- LL-L =- LL~1 q■ LL-L -■ LL-L -￡與父與3. J.■咳遂彩話CL-LCL-li-i1-11—1riz目ri. 1.1.- -- l.T.■ 】.LL-1 .9J(W _9UWI__ycuiJ_荷載標準值樓面板傳恒載二2x5.055KN/m2x4.5mx2=22.7475KN/m樓面?zhèn)鬟f活載二2x7KN/m2x4.5mx2=31.5KN/m荷載設計值q=1.2q恒+1.4q活=71.397KN/m最大彎矩與剪力設計值次梁架于主梁之上，相當于簡支結構，計算簡圖如下圖4：uiuiimuuuumnmun次梁計算簡圖4次梁計算簡圖4M=1ql2=1x71.397x92=722.895KNmmax8 8V=2ql=327.712.確定次梁的截面尺寸由于設計初鋼梁自重未知（考慮安全因素），故取：M=1.02M =1.02x722.895=737.353KNm次梁所需的截面抵抗矩：W=M計=737.353=3.430x106mm3xfd215次梁選用工字形截面，則：（1）確定腹板尺寸梁的經濟高度：he=71町—300=755.67mm?。?h=760mm(h>h)hh腹板厚度： t=-r-e-=7.89mmw3.5取： t=12mmw

若翼緣的厚度?。簍=20mmh=h-21=720mm(2)確定翼緣尺寸:每個翼緣所需的截面面積:=3006.49mm2翼緣板的寬度：bf

A—==150.32mm2t暫取:(3)次梁截面尺寸特征(如圖5-1)：122x1212截面特征圖5-1fIy300x7603 288x暫取:(3)次梁截面尺寸特征(如圖5-1)：122x1212截面特征圖5-1fIy300x7603 288x7203720x123 20x3003 + x2=90103680mm4360S=360x12x-60+300x20x370=2997600mm3，/,190103680=66.07mml九=—yiy"0=136.2266.07=300mmA=2x300x20+720x12=20640mm2=0.69+0.13x9000x20=0.793300x7604320Ah=P- b九2Wyx[4.4h)+nb2354320 20640x760=0.793x x—136.222 5.306x106[J1+(136.22x204.4x760)2]+0]X235235=0.704由于甲b>0.6，則:平'=1.07—0282=0.669

b0.704（4）確定焊縫尺寸fw=160N/mm2,V=V'=327.71KNmaxS1=300義20義360=2160000mm31VS> ?-1=7.58mm1.4fwIfxhfmin>1.5廠=1.5V,20=6.71mmmmaxh <2t=24mmfmaxmin故取hf=8mm，鋼結構在焊接時焊條采用E43歹U，焊接方法為手工焊。3.次梁驗算次梁自重標準值：（用Q235鋼材）q二（2x250x20+590x10）x10-6x7.85x9.8自=1.22KN/m次梁自重設計值：q'=1.2q自=1.2x1.22=1.464KNm次梁（包括自重）所承擔的最大的彎矩與最大剪力：M'=M +1ql2=722.895+1x1.908x92=742.214maxmax88V 二（q^=（71.394+1.908）x9=329.859KNmax 2 2（1）整體穩(wěn)定性驗算,Mmaxl①'Wfbxd742.214x1060.669x5.306x106x215=0.973<1故次梁的整體穩(wěn)定滿足要求。（2）局部穩(wěn)定性驗算b150

t-20y=7.5<15 235-=15fh-wtw720~n-HI-84故次梁不會發(fā)生局部失穩(wěn)。（3）剛度驗算384EIx384384EIx384x2.06x105x2.0164x109250 250理二36mm〉u=11.48mm5q14 5x(22.7475+31.5+1.59)x90004 「u= k——= =11.48mm故滿足剛度要求。（4）抗彎強度驗算M maxYM maxYW742.2411.05x5.306x106=133.2N/mm2<f^=215N/mm2故抗彎強度滿足要求。（5）抗剪強度驗算：Tmax329.859xTmax329.859x103x2997600__2.0164x109x12=40.86N/mm2<二125N/mm2xw故主梁的抗剪強度滿足要求。（6）翼緣焊縫驗算S1=300x20x360=2160000mm3=29.45N/mm2=29.45N/mm2__2.0164x109x12xwMy

了My

了742.241x106x3602.0164x109=132.547N/mm273Q><L3Y73Q><L3Y.Jo2+3T2=$132.5472+3x29.452=142.02N/mm2<P1f=176N/mm2故翼緣焊縫折算應力符合。綜上所述：次梁為實腹式焊接工字型梁，截面為2*300*20+720*12,如右圖5-2。翼緣與腹板采用焊縫連接，hf=8mm,鋼結構在焊接時焊條采用E43列，焊接方法為手工焊。

四、設計框架主梁KL-11.設計荷載Li-1Li-11：L-1JCL-1-1「§1-LL-13]■LL-1]■LL-13.LL一二5L§中-1■：L-1.CL-1一二r§_LL-1LL-1]■LL-1.LL一二Li-1二L-1.CL-1一二ri3-LL-13LL-1SLL-1-LLT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①⑤受力是主梁②③④受力的一半。則以主梁②③④進行研究設計。主梁計算簡圖如下圖6：A —：―1 J―2—W二】 LC―1D主梁計算簡圖6主梁截面尺寸待定，因此先不計主梁自重荷載。集中恒載：G=(22.7475+1.59)x9x1.2KN=262.845KN集中活載：Q=1.4X7X4.5X9=396.9KN（1）荷載分析：由于此結構具有對稱性，故僅對以下六種具有代表性的何在形式進行分析：①次梁傳遞集中力恒載262.B45 262.845 262.845& I I&s.000 S9.000S 9.000a②連續(xù)梁受滿布活載396.9 396.9 396.9J , , .0 9一0口. 西9.000A 9000A③1跨受滿布活載④2跨受滿布活載⑤1、2跨受滿布活載⑥1、3跨受滿布荷載396.9 396.9j 產 j ,0 9.000 S9.000S 9,000A（2）內力計算①次梁集中力恒載M1=0.175義262.845義9=413.981KNm,M2=0.100義262.845義9=236.560KNmMB=Mc=—0.150義262.845義9=—354.840KNmVA=—VD=0.350義262.845=92.996KNVB左=—VC右=—0.650x262.845=—170.849KNVB右=—VC左=0.500x262.845=—131.423KN②連續(xù)梁受滿布活載M1=0.175x396.6x9=624.645KNm,M2=0.100x396.6x9=56.94KNmMB=MC=—0.150x396.6x9=—534.41KNmVA=—VD=0.350x396.6=138.81KNVB左=—VC右=—0.650x396.6=—257.79KNVB右=—VC左=0.500x396.6=198.3KN③1跨受滿布活載M1=0.200x396.6x9=713.88KNm,M2=0KNmMB=—0.100x396.6x9=—356.94KNm,MC=0.025x396.6x9=89.235KNmVA=0.40x396.6=158.64KN,VD=—0.025x396.6=—9.915KNV=—0.600x396.6=—237.96KN,V =—0.025x396.6=—9.915KNB左 c右VB右=VC左=0.125x396.6=49.575KN④2跨受滿布活載M1=0KNm,M2=0.175義396.6義9=624.645KNmMB=MC=-0.075義396.6義9=-267.705KNmVa=-Vd=-0.075義396.6=-29.745KNVb左二-VC右二-0.075義396.6=-29.745KNVB右二VC左二0.500義396.6=198.3KN1、2跨受滿布活載M1=0.162義396.6義9=578.243KNm,M2=0.137義396.6義9=489.008KNmVa=0.325義396.6=128.895KN,Vd=0.050義396.6=19.83KNVb左二—0.675義396.6=—267.705KN,VC右=0.050義396.6=19.83KNVb右二0.625義396.6二247.875KN,VC左二0.375義396.6二148.725KN1、3跨受滿布荷載M1=0.213義396.6義9=760.282KNm,M2=0KNmMB=MC=-0.075義396.6義9=-29.745KNmVa=-Vd=0.425義396.6二168.555KNV^左二-VC右二-0.575義396.6二-228.045KNVB右二VC左二0KN(3)內力組合及最不利荷載項目工況I(①+②)工況n(①+③)工況m(①+④)工況W(①+⑤)工況V(①+⑥)最不利荷載M(KNm)1038.6351127.861413.981992.2241174.2631174.263M(KNm)293.5236.56861.205725.56236.56861.205M(KNm)-889.25-711.78-622.545-979.485-384.585-979.485M(KNm)-889.25-265.605-622.545-533.31-384.585-889.25V(KN)231.806251.63663.251221.891261.551261.551V(KN)-231.806-102.911-63.251-73.166-261.551-261.551V左(KN)-428.639-408.809-170.849-438.554-398.894-438.554

V(KN)右 428.639160.934200.594190.679398.894428.639V(KN)——B右 330.353180.998329.723379.298131.423379.298V左(KN)-330.353-81.84866.87717.302-131.423-330.353故由以上計算表知：最不利彎矩為：M最不利彎矩為：M=1174.263KNm最不利剪力為：V=—438.554KNmax確定主梁的截面尺寸：由于設計初鋼梁自重未知（考慮安全因素），故?。篗=1.02M =1.02*1174.263=1197.748KNmmax主梁所需的截面抵抗矩：MW=—MW=—xfd1197.748*106=5.571x106mm3215主梁的經濟高度：取：腹板厚度:t=x：1h主梁的經濟高度：?。焊拱搴穸?t=x：1h.3.5=8.76mm?。簍=12mmw若翼緣的厚度取：t=20mm主梁也選用工字形截面，則：（1）確定腹板尺寸：he=7"而"—300=940.92mmh=950mm則：=950—21=910mm則：（2）確定翼緣尺寸：每個翼緣所需的截面面積：翼緣板的寬度：%3964.21翼緣板的寬度：%3964.21一=198.21mm20b=(1,1)h=(150,316.7)mm

f53綜合上述?。篒f300mm（3）主梁截面尺寸特征：300x95031212Ix(30（3）主梁截面尺寸特征：300x95031212Ix(300T5)x9103=3.537x109mm43.537x109=7446450mm3455S=455x15x455S=455x15x一+300x20x(455+10)=4342687.5mm3A=2x300x20+910x15=25650mm2（4）確定焊縫尺寸fw=160N/mm2,V=V'=438.554KNmaxS1=300x20x465=279000S1=300x20x465=279000mm3，hf>1.4ffwVS——1=1.54mmIxhi>1.5Jt =6.7mm，hfmax<1.21i=1.2x15=18mm取：f10mm。鋼結構在焊接時焊條采用E43系列，焊接方法為手工焊。主梁驗算主梁自重標準值：（用Q235鋼材）

q自=(2x300x20+910x15)x10-6x7.85x9.8=1.97KN/m主梁自重設計值：q'二1.23二2.346KN/m主梁（包括自重）所承擔的最大的彎矩與最大剪力近似按下式計算：+-ql2=1174.263+-x2.346x92=1198.02KNmmaxmax88maxmaxmaxmaxq-l-maxmaxq-l-=438.554+22.346x9=449.111KN（1）整體穩(wěn)定驗算：將次梁作為主梁的側向支撐，則%二15<16300（1）整體穩(wěn)定驗算：將次梁作為主梁的側向支撐，則%二15<16300故主梁的整體穩(wěn)定不必驗算。（2）局部穩(wěn)定性驗算y里-=7.5<15 235-=1520 fh-wth-wtw91015■235=60.67<84'——=84fy故次梁不會發(fā)生局部失穩(wěn)。（3）剛度驗算故次梁不會發(fā)生局部失穩(wěn)。（3）剛度驗算u=1.146xGl3—+1.615xQ‘3100EIx 100EIxql4+0.667x—q——100EIx,262.845x103x90003=1.146x ,262.845x103x90003=1.146x +100x2.06x105x3.537x1091.97x900041.615x396.6x103x90003100x2.06x105x3.537x109+0.667x100x2.06x105x3.537x109=10.605mm400 4009000400 4009000=22.5mm>u=10.605mm故滿足剛度要求。（4）抗彎強度驗算M maxYM maxYW1198.02x1061.05x7446450=153.2N/mm2<,=215N/mm2故抗彎強度滿足要求。（5）抗剪強度驗算：Tmax一二IxTmax一二Ixtw449.111x103x4342687.53.357x109x15=38.73N/mm2<=125N/mm2故主梁的抗剪強度滿足要求。（6）翼緣焊縫驗算S1=300x20x465=2790000mm3二匚2二449.1nx103x2790000二23.62N/mm2It 3.537x109x15MyI1198.020MyI1198.020x106x4553.537x109=144.113N/mm2Jo2+3T2=1144.1132+3x23.622=146.036N/mm2<P1f=176N/mm2故翼緣焊縫折算應力符合。綜上所述：次梁為實腹式焊接工字型梁，截面為2*300*20+910又15,如右圖5-2。翼緣與腹板采用焊縫連接，hf=8mm,鋼結構在焊接時焊條采用E43列，焊接方法為手工焊。五、框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點的設計：1.設計資料受力類型：彎矩、剪力（軸力較小忽略不計）荷載數(shù)據(jù)：短梁和柱通過焊縫連接，短梁長1m。由以上計算知，梁端最大彎矩和最大剪力分別為：M=979.485KNm，V=438.554KN。焊縫的強度設計值：fw=fw=215N/mm2,fw=125N/mm2,fw=160N/mm2主梁為組合工字型截面（12x300x20+910x15），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.連接計算2.連接計算連接采用沿全周施焊的角焊縫連接，轉角處連續(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，不考慮工字形翼緣端部繞轉部分焊縫的作用。設沿工字形梁全周角焊縫的焊角尺寸為hf=10mm水平焊縫繞自身軸的慣性矩很小，計算時忽略，全部焊縫對x軸的截面慣性矩近似地取:I=2x0.7x10x(―x9103+2x132.5x4502+280x4802)=2.534x109mm4fx 12焊縫在最外面邊緣“1”點處的截面抵抗矩：I=5.224義106485焊縫在腹板頂部“2”點處的截面抵抗矩：IJ=5.449義106465在彎矩作用下，角焊縫在最邊緣處“1”點處的最大應力為：M979.485x106—= =187.49N/mm2<0fw=195.24N/mm2W5.224x106 fff在翼緣和腹板交接的角焊縫“2”點處的M與V的共同作用下的應力為:OM=179.19N/mmOM=179.19N/mm2W^h―5.449x106b=b=300-2hf=280mma=-5=135mm2V2xV2x0.7xhfxh438.554x1032x0.7x10x910―34.42N/mm2，OM=1.22,■(-f-)2+(tv)2=145.28N/mm2<fwpf ff滿足設計要求。3.按構造設置水平加勁肋水平加勁肋應設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與梁翼緣的水平中心線相重合；此時梁翼緣的內力作為集中力作用于柱上。為了保證連接節(jié)點處不致于產生局部破環(huán)，水平加勁肋應按以下要求分別在與梁上下翼緣對應處柱腹板的兩側成對地布置。a、按水平加勁肋的構造要求，設定其厚度為［二15mm>0%b、水平加勁肋的自由外伸寬度應滿足下式要求:b'235b<182—=18得出，b=18義15=270mmt ff ss yyc、水平加勁肋采用完全焊透的坡口對接焊接連接7btf/2 270x15x215/2h> - = =3.6mmfw2x0.71fw 2x0.7x540x160h>0.71=21mm取h=21mmfw故，焊縫截面如圖，取h故，焊縫截面如圖，取hf=10mm。主梁六、設計框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點（采用高強度螺栓）計算螺栓連接處的荷載：：（1）由集中荷載產生的固端彎矩：

v由上述主梁內力計算表知：梁端最大彎矩M1=Mmax=—979.485KNm,對應工況下支座最大剪力為匕v由上述主梁內力計算表知：梁端最大彎矩M1=Mmax=—979.485KNm,對應工況下支座最大剪力為匕=Vmax=438.554KN取短梁長度為1.0m,則集中荷載在1.0m處產生的內力計算如下:彎矩：M01=M1—V1a=—540.931KNm剪力：V01=V1=438.554KN（2）由均布荷載產生的固端彎矩：vM0202M2=M ,=—0.100gl2=—0.100x2.346x92=—19.003KNm由均布荷載產生的端部剪力：V2=V均=—0.600gl=—0.600x2.346x9=12.668KN均布荷載在1.2m處產生的內力計算如下:彎矩：M02=M2—V2a—Jgl2=5.612KNm剪力：V01=—V2+ga=10.322KN（3）由集中、均布荷載疊加所得的彎矩剪力：

彎矩：M0=M01+M02=—559.934KNm剪力：V0=V01+V02=451.222KN設計螺栓連接：翼緣承采用精確設計的方法，即彎矩由翼緣和腹板共同承擔，剪力僅由腹板承擔，擔的彎矩MF和腹板承擔的彎矩Mw，二者按剛度成比例分配：翼緣承b=300mm h=950mm t=20mmt=15mmIb=1bt(h—t)2+1bt3=2595100000mm4F2 6Ib=.!t(h—2t)3=941963750mm4W12wIb=Ib+1b=3537063750mm4OWFIb則：M=?M=410.817KNmFIb00Mw=MO.—MF=559.934—410.817=119.117KNmV0=V01+V02=451.222KN(1)翼緣拼接設計①梁單側翼緣連接所需的高強度螺栓數(shù)目nFb采用10.9級的M22螺栓:NbH=0.9nrP=0,9x2x0.45x190=153.9kNM410.817n= F——= =2.87FbhbNbH153.9x0.93Ov螺栓孔徑取25.5mm，翼緣板的凈截面面積為:An=(300—2x25.5)x20=4980mm2翼緣板所能承受的軸向力設計值為：N=Anf=5980x215=1285.7KNnFbNNnFbNNbH1070.7153.9=6.96采用8個。②翼緣外側拼接連接板的厚度：11=2+3=10.5mm取t=12mm翼緣外側板的尺寸為：1—12x300x450③翼緣內側拼接連接板的厚度：b—t—2h 300—15—2x10b'= w f= =132.5mm2 2—+4=15.32mm

4b,如果考慮內外側拼接板截面面積相等，則有："32:13.59mm2x132.5取t=16mm，內拼接板的尺寸為：2—12x140x4502④螺栓強度驗算上述計算表明螺栓強度滿足，可不必進行驗算。故，翼緣拼接采用八個乂22螺栓，拼接板尺寸為:外拼接板：1—12x300x450外拼接板：2—12x140x450（2）腹板拼接設計①梁腹板連接所需的高強螺栓數(shù)目“wb：采用10.9級的M22螺栓：Abf 910x15x0.85x125n=-nw—= =5.07wb 2NbH 2x153.9x0.93x103v考慮到彎矩作用的影響，采用8個M22螺栓，并成兩排布置。②腹板兩側連接板的厚度：=14mmt=M'w+1=8.18=14mm3 2h腹板兩側連接板的尺寸不妨取為：2—12x500x480則梁與梁的拼接板連接圖如下圖：

連接構件的接觸面采用噴砂處理。連接構件的接觸面采用噴砂處理。③螺栓強度驗算單個螺栓的抗剪承載力設計值：Nb=0.9nf^P=0.9x2x0.45x190=153.9kN剪力V。在螺栓群形心處所引起的附加彎矩：M'=Va'=451.222x0.1225=55.275KNm0修正后的彎矩：M'=M+M'=119.117+55.275=174.392KNmww螺栓最大應力N1xMM'y - 1EN1xMM'y - 1Er2174.392x106x1804x1802+4x1852+4x652+4x602=101.41KNN1yMM'x w 1Er2174.392x106x654x1802+4x1852+4x602+4x652=36.62KNNv1yV451.222=56.41KN;’(NM)2+(NM+NM)2=137.62KN<Nb=153.9KN11x 1y 1y v故螺栓的連接強度滿足要求。故，翼緣拼接采用8個乂22螺栓，拼接板尺寸為：外拼接板：2-12x500x4803.螺栓的凈截面強度驗算：

（1）選截面1—1討論：（1）選截面1—1討論：M1=Mo+Voa1=559.934+451.222x0.165=634.386KNmV1=451.222KN15x2352I=I—(4x +2x15x23.5x602+2x15x23.5x1802)nxx 12=3.533x109mm4卬=二=7.439x106nx475Sn=Sx—23.5x15x60—23.5x15x180