中南大學鋼結構課程設計

1、中南大學土木工程學院土木工程專業(yè)（本科）鋼結構基本原理課程設計任務書題 目：鋼框架主次梁設計姓 名：班 級：學 號：一、設計規(guī)范及參考書籍1、規(guī)范（1）中華人民共和國建設部. 建筑結構制圖標準（GB/T501052001）（2）中華人民共和國建設部. 房屋建筑制圖統(tǒng)一標準（GB/T500012001）（3）中華人民共和國建設部. 建筑結構荷載規(guī)范（GB50092010）（4）中華人民共和國建設部. 鋼結構設計規(guī)范（GB500172003）（5）中華人民共和國建設部. .鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范（GB50205-2001）2、參考書籍（1）沈祖炎等. 鋼結構基本原理，中國建筑工業(yè)出版社，200

2、6（2）毛德培. 鋼結構，中國鐵道出版社，1999（3）陳紹藩. 鋼結構，中國建筑工業(yè)出版社，2003（4）李星榮等. 鋼結構連接節(jié)點設計手冊（第二版），中國建筑工業(yè)出版社，2005（5）包頭鋼鐵設計研究院中國鋼結構協(xié)會房屋建筑鋼結構協(xié). 鋼結構設計與計算（第二版），機械工業(yè)出版社，2006二、設計構件某多層圖書館二樓書庫樓面結構布置圖如圖，結構采用橫向框架承重，樓面活荷載標準值2.0（單號）、5.0（雙號），其中12班豎向梁跨度取值：學號110為8m、學號1120為10m；學號21為12m；其中13班水平向梁跨度取值：學號110為9m、學號1120為11m；學號21為13m；。樓面板為120

3、mm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，次梁按簡支梁計算。其中框架柱為焊接H型鋼，截面尺寸為H6003001218，層高3.5m。三、設計內容要求（1）設計次梁截面CL-1（熱軋H型鋼）。（2）設計框架主梁截面KL-1（焊接工字鋼）。（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0.91.2m。（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）設高計次梁與主梁工地拼接節(jié)點，要求采用強螺栓連接。（6）繪制主梁與柱連接節(jié)點詳圖，次梁與主梁工地拼接節(jié)點，短梁段及主梁體連接

4、節(jié)點詳圖，梁體截面詳圖(2#圖紙一張)，KL-1鋼材用量表，設計說明等。（7）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，節(jié)點連接計算。提示：（1）取其中一榀框架進行計算，如軸線3，計算中要考慮活荷載的不利布置。（2）框架梁與柱為固結，次梁與框架梁之間為鉸接。（3） 繪圖注意事項 1、平面布置圖。 2、主梁施工詳圖.主要繪制主梁的正面圖、平面圖以及必要的側面圖和剖面圖， 特殊零件的大樣圖。比例尺：軸線方向：1:20 1:30 ，以免圖幅太大；桿件截面、節(jié)點詳圖1:101:15，或更大（原則清楚表達節(jié)點的細部制造要求）。3、要全

5、部注明的各零件（桿件和板件）的定位尺寸，孔洞的位置，以及對工廠加工和工地施工的所有要求。定位尺寸主要為主、次梁的軸線位置；螺栓孔位置要滿足型鋼線距表和螺栓容許的排列距離要求；對加工及工地施工的其他要求包括零件切刨、孔洞直徑和焊縫尺寸等；焊縫要區(qū)分工廠焊縫和工地焊縫，以及適應運輸單元的劃分和拼裝。4、施工圖中應注明各零件的型號和尺寸，對各零件進行詳細編號，并附有材料表。型鋼要注明型號和長度。鋼板要注明寬、長和厚度。零件按主次、上下、左右一定順序逐一編號。編號與原則：完全相同的零件給予相同的零件數字編號，否則給予不同的編號。5、說明：包括鋼材的標號、焊條型號、焊接方法和質量要求。圖中未注明的焊縫和

6、螺孔尺寸以及油漆、運輸和加工要求等圖中未表現(xiàn)的其它內容。如：說明：1：鋼材用Q235B，焊條采用E43型 3：未注明的角焊縫尺寸為6 4：未注明的焊縫長度為滿焊 5：未注明的螺栓為M20，孔經20.5 6：構件表面徹底除銹，涂防銹漆和醇酸磁漆各二度。圖例：圓孔裝配螺栓永久螺栓材料表構件編號 零件號截 面長度（）數 量重 量正反每個共計合計1234一、 設計計算簡化要點：（1） 板面荷載按單向板分布；（2） 次梁與框架梁鉸接連接，各次梁受力相同，可任取其中一根分析；根據荷載傳力途徑：樓面板次梁主梁柱，依次計算各部分受力情況。（3） 框架梁按連續(xù)梁設計，應考慮荷載的最不利位置。1、 結構材料材質1

7、、Q235鋼，2、E43焊條，A、 樓面板部分樓面板為120mm厚單向實心鋼筋混凝土板。樓面活載標準值： 樓面板永久荷載標準值： 樓面板自重已經包括在永久荷載里面，所以不計算。樓面板荷載設計值： 樓面板荷載標準值： B、 次梁部分1、次梁在主梁上方，按簡支梁計算。2、 計算最大彎矩與剪力設計值次梁彎矩圖： 次梁剪力圖：3、 確定次梁的截面尺寸選用截面模量最小值：根據截面模量選用熱軋H型鋼 ,查附表可知： 4、次梁驗算4、 由于選擇的是熱軋H型鋼，不用驗算局部穩(wěn)定。又混凝土板覆蓋在受彎構件的受壓翼緣上并與其牢固連接，能阻止受壓翼緣的側向變形，故不用驗算次梁的整體穩(wěn)定性。綜上分析可知，次梁驗算需要

8、對強度和剛度進行驗算。5、 抗彎強度檢驗（翼緣邊緣的彎曲應力）： 滿足6、 抗剪強度檢驗（腹板處的剪應力）： 滿足 7、 剛度檢驗8、 滿足故滿足剛度要求。 綜上所述，型鋼滿足要求。 C、 主梁部分 由簡化力學模型得知，忽略連續(xù)梁對框架梁的荷載影響，只考慮次梁傳遞的荷載。而次梁的荷載又分為永久荷載和活荷載兩部分，需要考慮荷載的最不利布置情況，框架梁按連續(xù)梁計算。 主梁力學簡化模型圖：主梁截面尺寸待定，因此先不計主梁自重荷載：集中恒載標準值：集中活載標準值：集中恒載設計值：集中活載設計值：此結構具有對稱性，僅對以下五種具有代表性的荷載在形式進行分析：連續(xù)梁受滿布活載1跨受滿布活載2跨受滿布活載1

9、、2跨受滿布活載1、3跨受滿布荷載 通過上圖比較可知：最不利彎矩為+組合中： 最不利剪力為+組合中： 考慮計算時未計自重，出于安全考慮取 假設主梁鋼板厚度， Q235鋼的抗彎強度設計值得=215N/,E=206N/和=250。梁最大容許撓度為L/250.所需截面模量為尺寸設計（1）.腹板高度1）.鋼梁的最小高度（按最大撓度限值確定）2）.經濟高度經驗公式 綜上計算，取腹板高度=700m(2).腹板厚度1）.抗剪要求 = 2）.局部穩(wěn)定和構造因素 綜上取=12mm，選用腹板70012。(3).翼緣板截面尺寸（）一般翼緣寬度取10mm的倍數，厚度取2mm的倍數翼緣寬度，取又：初選截面732 200

10、 12 16如圖所示：翼緣與腹板連接焊縫計算取。鋼結構在焊接時焊條采用E43系列，焊接方法為手工焊。主梁截面驗算 主梁自重標準值： 主梁自重設計值： 主梁（包括自重）所承受的最大彎矩與最大剪力按照近似計算： (1)抗彎強度驗算考慮部分發(fā)展塑性變形 取所以抗彎強度滿足要求(2)抗剪強度驗算所以抗剪強度滿足要求(3)局部承壓強度驗算跨中集中力： 局部壓應力： (4) 折算應力驗算翼緣與腹板相接處計算折算應力：滿足（5）焊縫強度驗算：整體穩(wěn)定驗算：將次梁作為主梁的側向支撐，則，。其側向的計算長度： 長細比: lmax = max(lx,ly) = 73.59 l =150.00 長細比(即剛度)滿足

11、 。對x軸，y軸均為b類截面 查鋼結構基本原理附表4-4， 為整體穩(wěn)定的等效臨界彎矩系數, 查規(guī)范GB50017-2003表B.1, 取ly為梁在側向支承點間對截面弱軸y-y的長細比, A為毛截面面積 h為梁截面的全高 t1為受壓翼緣厚度 為截面不對稱系數，取=0應根據彈塑性方法來修正，歐拉臨界力有端彎矩和橫向荷載作用且使構件產生同向彎曲 在構件段內有彎矩和橫向荷載作用且使構件產生異向彎曲又主梁簡化模型軸力平面內整體穩(wěn)定：滿足平面外整體穩(wěn)定：滿足局部穩(wěn)定性驗算：翼緣：滿足腹板：滿足剛度驗算以鉸接驗算剛度計算知 滿足可知，當為固結時剛度增大，撓度減少，滿足。D、 柱子部分H型鋼不需要驗算局部穩(wěn)定

12、性，且據前面分析只需運算外圍柱子，當1、3跨收到滿活載時達到最大剪力彎矩框架柱為焊接H型鋼，截面尺寸為H6003001218，樓層層高取3.5m。柱子截面特征： 剛度滿足。強度驗算：滿足彎矩作用在平面內：滿足彎矩作用在平面外：滿足E連接部分（一）.框架主梁短梁段與框架柱節(jié)點（焊縫連接），施加引弧板。采用焊縫連接：Q255角焊接的的抗拉強度Q235對接焊縫的抗拉強度在剪力和軸力作用下，焊縫應力分布為矩形。其中剪應力由腹板承擔，軸力則由所有焊縫承受。由主梁在各種不利荷載組合下的內力圖可知，在連接處的最大內力為：在彎矩作用下，焊縫應力分布為三角形。從應力分布來看，最危險點為“a”或者“b”點。1）.

13、焊角尺寸采用手工焊角焊縫，則有焊角尺寸應滿足取又取 2）.焊縫截面特征水平焊縫面積豎向焊縫面積焊縫總面積 構件截面對稱，焊縫也對稱，因此焊縫形心至水平板頂面的距離（）與焊縫形心至水平板底面的距離（）等于y=316mm焊縫慣性矩3).焊縫受力分析根據最不利荷載計算出的內力，可知在短梁段與柱連接點處的最大內力可能出現(xiàn)兩種情況： (1) “a”處應力為： 結論：“a”點應力滿足要求。（2）“b”處應力為：結論：“b“點應力滿足要求。由以上計算可知采用全部雙面角焊縫能滿足設計的要求。（二）.框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點（高強螺栓連接）1、計算螺栓連接處的內力（1）由集中荷載產生的固端彎矩取短梁段長

14、度為1.0m,由計算得主梁在各種不利荷載組合下的內力圖可知，距柱1.0m的短梁處，最大內力為：梁端最大彎矩 ，對應工況下支座最大剪力為 彎矩： 剪力：截面特性毛截面慣性矩，由前已算出腹板慣性矩，翼緣慣性矩，則分配到翼緣的彎矩分配到腹板上的彎矩翼緣拼接設計由于翼緣板處根據構造要求配置的螺栓數量遠大于根據強度驗算所需的數量，因而采用M20的10.9級摩擦型高強螺栓連接，孔徑，1傳力摩擦面數目為2摩擦面的抗滑移系數，鋼材采用Q235，噴砂每個高強螺栓的預壓應力，通過查閱鋼結構設計規(guī)范，2 梁單側翼緣連接所需的高強度螺栓數目根據翼緣所承受的彎矩，翼緣拼接板所傳遞的軸向力為,其中h為兩翼緣形心間的距離。

15、拼接板向邊傳遞磁力所需螺栓的個數為 螺栓孔徑取24mm，翼緣板的凈截面面積為：翼緣板所能承受的軸向力設計值為： 采用6個。翼緣外側拼接連接板的厚度： 取 ，翼緣外側板的尺寸為： 翼緣內側拼接連接板的寬度和厚度：寬度：厚度：取所以，內拼接板的尺寸為: 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。（3）腹板拼接設計梁腹板連接所需的高強螺栓數目：采用10.9級摩擦型高強M20螺栓，起孔徑為20.5mm,連接處的構件接觸面的為噴砂處理方法，抗滑移系數：，預拉力為：腹板兩側連接板的厚度：取 腹板兩側連接板的尺寸不妨取為： 剪力 在螺栓群形心處所引起的附加彎矩： 修正后的彎矩： 螺栓最大應力 故

16、螺栓的連接強度滿足要求。螺栓的凈截面強度驗算：（1）翼緣板驗算翼緣板所受的軸力：（2）腹板驗算對腹板截面比凈截面大，所以只需驗算凈截面正應力：剪應力：翼緣和腹板強度均滿足要求。綜上所述：螺栓連接處接觸面采用噴砂處理，抗滑移系數為0.45。主梁短梁段與梁體的連接螺栓為10.9級M20摩擦型高強螺栓，孔徑為20.5；（三）.次梁與主梁工地拼接節(jié)點（高強螺栓連接）、次梁與主梁的連接構造次梁為簡支梁，與主梁側面連接。次梁通過5個10.9級M20摩擦型高強螺栓直接連接到主梁的橫向加勁肋上，為避免與加勁肋相碰，次梁的下翼緣需要切去一側。、連接計算鉸接連接節(jié)點需要傳遞次梁端部反力，次梁端部局部切割后的腹板截

17、面、連接角鋼以及螺栓應能滿足此抗剪要求。由于此類節(jié)點并非完全鉸接，計算時除了考慮次梁端部垂直剪力外，尚應考慮由于偏心所產生的附加彎矩的影響。附加彎矩取次梁反力乘以螺栓中心線之間的距離。在次梁端部剪力作用下，連接一側的每個高強度螺栓承受的剪力： （）采用一豎排螺栓，偏心距，偏心力矩，單個高強度螺栓的最大拉力單個10.9級M20摩擦型高強螺栓的抗剪強度承載力在垂直剪力和偏心彎矩共同作用下，一個高強度螺栓受力為加勁肋與主梁的角焊縫剪力，偏心力矩，采用，焊縫計算長度僅考慮與主梁腹板連接部分有效，即，則 滿足要求。說明：1：鋼材用Q235B，焊條采用E43型，手工焊。 3：未注明的角焊縫尺寸為12 4：

18、未注明的焊縫長度為滿焊 5：未注明的螺栓為M20，孔經20.5 6：構件表面徹底除銹，涂防銹漆和醇酸磁漆各二度。圖例：圓孔裝配螺栓永久螺栓單跨材料表構件編號 零件號截 面長度（）數 量重 量正反每個共計合計1螺栓M20302焊縫148403主梁14800 8000mm1929.44kg929.44kg4次梁16440 11000mm11419.59kg1419.59kg5蓋板6000360mm1116.96kg33.92kg6蓋板3200520mm1113.06kg26.12kg7柱子1756835001482.68kg482.68kg三、設計總結 經過為期兩周的課程設計，我再次溫習了有關的鋼結構課程設計原理的知識，也更進一步的學會了它的運用，對于結構的強度、剛度、穩(wěn)定性的驗算還有結構截面形狀大小的設計與