鋼結構基本原理課程設計-鋼框架主梁設計

1、<p>　　中南大學土木建筑學院土木工程專業(yè)（本科）</p><p>　　《鋼結構基本原理》課程設計任務書</p><p>　　題 目：鋼框架主梁設計</p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　班 級：</b></p><p><

2、;b>　　學 號：</b></p><p><b>　　建筑工程系</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一設計資料- 2 -</p><p>　　二設計參數(shù)- 3-</p><p>　　三 設計次梁截面CL-1- 3

3、-</p><p>　　3.1 次梁截面內(nèi)力計算（不含次梁的自重）- 3 -</p><p>　　3.2 確定次梁的截面尺寸- 5 -</p><p>　　3.3 次梁截面的驗算- 7 -</p><p>　　四、 設計框架主梁截面KL-1- 9-</p><p>　　4.1 框架主梁截面內(nèi)力計算- 9 -&

4、lt;/p><p>　　4.2 確定主梁的截面尺寸- 19 -</p><p>　　4.3 主梁截面的驗算- 22 -</p><p>　　五、 設計框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點- 24 -</p><p>　　5.1 設計資料- 24 -</p><p>　　5.2 連接計算- 24 -</p>

5、<p>　　六設計框架主梁短梁段與梁體工地拼接節(jié)點- 26 -</p><p>　　6.1 計算螺栓連接處的荷載- 26 -</p><p>　　6.2 設計螺栓連接- 27 -</p><p>　　6.3 螺栓的凈截面強度驗算- 31 -</p><p>　　七設計規(guī)范及參考書籍- 33 -</p>&l

6、t;p>　　1、規(guī)范- 33 -</p><p>　　2、參考書籍- 33 -</p><p><b>　　設計資料</b></p><p><b>　　一、設計構件</b></p><p>　　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4（單號）、8（

7、雙號），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。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H500×300×14×20</p><p><b>　　二、設計內(nèi)容要求</b></p><p>　?。?）設計次梁截面CL-1。<

8、/p><p>　?。?）設計框架主梁截面KL-1。</p><p>　　（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。</p><p>　?。?）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。</p><p>　?。?）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，梁體截面詳圖(

9、1#圖紙一張，手工繪制)，KL-1鋼材用量表，設計說明等。</p><p>　?。?）計算說明書，包括構件截面尺寸估算、荷載計算、內(nèi)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。</p><p><b>　　提示：</b></p><p>　　（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

10、與柱為固結，次梁與框架梁之間為鉸接。</p><p><b>　　三、進度安排</b></p><p>　　周一：構件尺寸估算和樓蓋荷載計算；</p><p>　　周二：樓蓋內(nèi)力計算及內(nèi)力組合；</p><p>　　周三：主梁截面設計及連接設計計算；</p><p><b>　　周四：施

11、工圖繪制；</b></p><p>　　周五：計算文本整理。</p><p><b>　　二、設計參數(shù)</b></p><p>　　混凝土自重： 厚度：150mm</p><p>　　粉刷層： 厚度：15mm</

12、p><p>　　找平層： 厚度：20mm</p><p>　　樓面活荷載的標準值： </p><p>　　水磨石樓面： </p><p>　　鋼材（Q235）強度設計值： </p><p>　　鋼材（Q235）抗剪強度設計值：<

13、;/p><p>　　鋼材（Q235）的彈性模量： </p><p>　　鋼材（Q345）強度設計值： </p><p>　　鋼材（Q345）抗剪強度設計值：</p><p>　　鋼材（Q345）的彈性模量： </p><p>　　設計次梁截面CL-1</p><p><b&g

14、t;　　1.設計荷載</b></p><p>　?。?）恒載—標準層樓面（標準值）</p><p><b>　　水磨石面層樓面</b></p><p><b>　　粉刷層</b></p><p><b>　　找平層</b></p><p>　

15、　結構層：150mm單向鋼筋混凝土樓板 </p><p>　　合計： 5.055KN/m2</p><p><b>　?。?）活載</b></p><p>　　樓面活載標準值 </p><p>　?。?）豎向荷載下框架受荷總圖</p

16、><p>　　荷載由板到梁傳遞示意圖如下圖3所示：</p><p><b>　　荷載標準值</b></p><p><b>　　樓面板傳恒載=</b></p><p><b>　　樓面?zhèn)鬟f活載=</b></p><p><b>　　荷載設計值<

17、;/b></p><p>　　最大彎矩與剪力設計值</p><p>　　次梁架于主梁之上，相當于簡支結構，計算簡圖如下圖4：</p><p>　　2.確定次梁的截面尺寸</p><p>　　由于設計初鋼梁自重未知（考慮安全因素），故取：</p><p>　　次梁所需的截面抵抗矩：</p><p

18、>　　次梁選用工字形截面，則： </p><p><b>　　確定腹板尺寸</b></p><p>　　梁的最小高度（按最大撓度限值[]=400確定）</p><p>　　梁的經(jīng)濟高度： </p><p>　　取腹板高度 </p><p>　　加上翼緣厚度可使梁高度滿足上述

19、要求</p><p>　　腹板厚度: </p><p>　　取： </p><p>　?。?）確定翼緣尺寸：</p><p>　　根據(jù)抗剪強度和整體穩(wěn)定性要求</p><p><b>　　×≥－</b></p><p>　　抗彎強

20、度要求（見前）</p><p>　　整體穩(wěn)定性要求（試取整體穩(wěn)定性系數(shù)=0.70）</p><p>　　===4.126×106mm3</p><p>　　×≥ （a）</p><p>　　在確定和時，應考慮翼緣板的局部穩(wěn)定性和構造要求，近似取</p><p>　　≤26＝2

21、6=26 （b) </p><p>　　由式（）及（）得 </p><p>　　=,取=350mm </p><p>　　≥ =,取t=20mm <

22、/p><p>　　綜上：翼緣選用 -350×20.</p><p>　?。?）次梁截面尺寸特征（如圖5-1）：</p><p><b>　　由于，則：</b></p><p>　　（4）確定角焊縫尺寸</p><p>　　故取，鋼結構在焊接時焊條采用E43列，焊接方法為手工焊。</p&

23、gt;<p><b>　　3.次梁驗算 </b></p><p>　　次梁自重標準值：（用Q235鋼材）</p><p><b>　　次梁自重設計值：</b></p><p>　　次梁（包括自重）所承擔的最大的彎矩與最大剪力：</p><p>　?。?）整體穩(wěn)定性驗算

24、 </p><p>　　故次梁的整體穩(wěn)定滿足要求。</p><p>　?。?）局部穩(wěn)定性驗算</p><p>　　故次梁不會發(fā)生局部失穩(wěn)。 </p><p>　　(3) 剛度驗算 </p><p><b>　　故滿足剛度要求。</b&g

25、t;</p><p><b>　　抗彎強度驗算</b></p><p>　　故抗彎強度滿足要求。</p><p>　?。?）抗剪強度驗算：</p><p>　　故主梁的抗剪強度滿足要求。</p><p><b>　?。?）翼緣焊縫驗算</b></p><p

26、>　　故翼緣焊縫折算應力符合。</p><p>　　綜上所述：次梁為實腹式焊接工字型梁，截面為2×350×20+660×10，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。</p><p>　　設計框架主梁KL-1</p><p><b>　　1.設計荷載</

27、b></p><p>　　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⑤受力是主梁③④受力的一半。則以主梁③④進行研究設計。</p><p>　　主梁計算簡圖如下圖6：</p><p>　　主梁截面尺寸待定，因此先不計主梁自重荷載。</p><p><b>　　集

28、中恒載：</b></p><p><b>　　集中活載：</b></p><p><b>　　荷載分析：</b></p><p>　　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：</p><p><b>　　次梁傳遞集中力恒載</b></

29、p><p><b>　　連續(xù)梁受滿布活載</b></p><p><b>　　1跨受滿布活載</b></p><p><b>　　2跨受滿布活載</b></p><p><b>　　1、2跨受滿布活載</b></p><p><b

30、>　　1、3跨受滿布荷載</b></p><p>　　內(nèi)力計算(ABCD)</p><p>　　ABCD為支座 123分別為(1)(2)(3)桿件跨中位置</p><p><b>　　次梁集中力恒載</b></p><p><b>　　V圖</b></p><p

31、><b>　　M圖</b></p><p><b>　　連續(xù)梁受滿布活載</b></p><p><b>　　V圖</b></p><p><b>　　M圖</b></p><p><b>　　1跨受滿布活載</b></p

32、><p><b>　　V圖</b></p><p><b>　　M圖</b></p><p><b>　　2跨受滿布活載</b></p><p><b>　　V圖</b></p><p><b>　　M圖</b>&

33、lt;/p><p><b>　　1、2跨受滿布活載</b></p><p><b>　　V圖</b></p><p><b>　　M圖</b></p><p><b>　　1、3跨受滿布荷載</b></p><p><b>　

34、　V圖</b></p><p><b>　　M圖</b></p><p>　　內(nèi)力組合及最不利荷載</p><p><b>　?、?②</b></p><p><b>　　V圖</b></p><p><b>　　M圖</b&

35、gt;</p><p><b>　?、?③</b></p><p><b>　　V圖</b></p><p><b>　　M圖</b></p><p><b>　?、?④</b></p><p><b>　　V圖</

36、b></p><p><b>　　M圖</b></p><p><b>　?、?⑤</b></p><p><b>　　V圖</b></p><p><b>　　M圖</b></p><p><b>　?、?⑥<

37、;/b></p><p><b>　　V圖</b></p><p><b>　　M圖</b></p><p><b>　　故由以上計算表知：</b></p><p><b>　　最不利彎矩為：</b></p><p><

38、b>　　最不利剪力為：</b></p><p>　　2. 確定主梁的截面尺寸：</p><p>　　由于設計初鋼梁自重未知（考慮安全因素），故?。?lt;/p><p>　　主梁所需的截面抵抗矩：</p><p>　　主梁也選用工字形截面，則：</p><p>　?。?）確定腹板尺寸：</p>

39、<p>　　主梁的經(jīng)濟高度： </p><p><b>　　主梁的最小高度</b></p><p>　　?。?</p><p>　　腹板厚度: </p><p>　　?。?</p><p>　　若

40、翼緣的厚度取： </p><p>　　則： </p><p>　?。?）確定翼緣尺寸：</p><p>　　根據(jù)抗剪強度和整體穩(wěn)定性要求</p><p><b>　　×≥－</b></p><p><b>　　抗彎強度要求</

41、b></p><p>　　整體穩(wěn)定性要求（試取整體穩(wěn)定性系數(shù)=0.70）</p><p><b>　　==</b></p><p>　　≥ （a）</p><p>　　在確定和時，應考慮翼緣板的局部穩(wěn)定性和構造要求，近似取</p><p>　　

42、≤26＝26=21.5 （b） </p><p><b>　　由式（）及（）得</b></p><p>　　取=280mm, </p><p><b>　　,取t=20mm，</b><

43、/p><p><b>　　滿足，</b></p><p>　　綜上：翼緣選用 -280×20. </p><p>　?。?）主梁截面尺寸特征：</p><p><b>　　確定焊縫尺寸</b></p><p><b>　　，</b></p&g

44、t;<p><b>　　， </b></p><p>　　?。?。鋼結構在焊接時焊條采用E43系列，焊接方法為手工焊。</p><p><b>　　3. 主梁驗算</b></p><p>　　主梁自重標準值：（用Q235鋼材）</p><p><b>　　主梁自重設計值：

45、</b></p><p>　　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：</p><p>　　（1） 整體穩(wěn)定驗算： </p><p>　　將次梁作為主梁的側向支撐，則</p><p><b>　　=0.769</b></p><p>

46、<b>　　由于，則：</b></p><p>　　故次梁的整體穩(wěn)定滿足要求。</p><p>　?。?）局部穩(wěn)定性驗算</p><p>　　故次梁不會發(fā)生局部失穩(wěn)。 </p><p>　　(3) 剛度驗算 </p><p><b>　　故滿足剛度要

47、求。</b></p><p><b>　?。?）抗彎強度驗算</b></p><p>　　故抗彎強度滿足要求。</p><p>　?。?）抗剪強度驗算：</p><p>　　故主梁的抗剪強度滿足要求。</p><p><b>　　（6）翼緣焊縫驗算</b><

48、/p><p>　　故翼緣焊縫折算應力符合。</p><p>　　綜上所述：次梁為實腹式焊接工字型梁，截面為2×280×20+740×15，翼緣與腹板采用焊縫連接，hf=10mm，鋼結構在焊接時焊條采用E55列，焊接方法為手工焊。</p><p>　　框架主梁短梁段與框架柱連接節(jié)點的設計：</p><p><b&

49、gt;　　1. 設計資料</b></p><p>　　受力類型：彎矩、剪力（軸力較小忽略不計）</p><p>　　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=790.60KNm，V=396.88KN。 </p><p><b>　　焊縫的強度設計值：</b></p>

50、<p>　　主梁為組合工字型截面（），材料Q345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。 </p><p><b>　　2. 連接計算</b></p><p>　　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。<

51、/p><p>　　設沿工字形梁全周角焊縫的焊角尺寸為</p><p>　　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?。?</p><p>　　焊縫在最外面邊緣“1”點處的截面抵抗矩：</p><p>　　焊縫在腹板頂部“2”點處的截面抵抗矩：</p><p>　　在彎矩作用下，

52、角焊縫在最邊緣處“1”點處的最大應力為：</p><p>　　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：</p><p><b>　　滿足設計要求。</b></p><p>　　3. 按構造設置水平加勁肋</p><p>　　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

53、與梁翼緣的水平中心線相重合；此時梁翼緣的內(nèi)力作為集中力作用于柱上。為了保證連接節(jié)點處不致于產(chǎn)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。</p><p>　　按水平加勁肋的構造要求，設定其厚度為</p><p>　　水平加勁肋的自由外伸寬度應滿足下式要求：</p><p><b>　　得出， </b><

54、;/p><p>　　水平加勁肋采用完全焊透的坡口對接焊接連接</p><p><b>　　取 </b></p><p><b>　　故焊縫截面取。</b></p><p>　　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）</p><p>　　1. 計算螺栓連接處的荷載：

55、：</p><p>　?。?）由集中荷載產(chǎn)生的固端彎矩：</p><p>　　由上述主梁內(nèi)力計算表知：</p><p><b>　　梁端最大彎矩 ，</b></p><p>　　對應工況下支座最大剪力為</p><p>　　取短梁長度為1.0m，則集中荷載在1.0m處產(chǎn)生的內(nèi)力計算如下：</

56、p><p><b>　　彎矩： </b></p><p><b>　　剪力：</b></p><p>　　（2）由均布荷載產(chǎn)生的固端彎矩：</p><p>　　由均布荷載產(chǎn)生的端部剪力：</p><p>　　均布荷載在1.2m處產(chǎn)生的內(nèi)力計算如下：</p><

57、;p><b>　　彎矩：</b></p><p><b>　　剪力：</b></p><p>　?。?）由集中、均布荷載疊加所得的彎矩剪力：</p><p><b>　　彎矩：</b></p><p><b>　　剪力：</b></p>

58、<p>　　2. 設計螺栓連接：</p><p>　　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，翼緣承擔的彎矩和腹板承擔的彎矩，二者按剛度成比例分配：</p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　（1）翼緣拼接設計</b></p><p>

59、;　　梁單側翼緣連接所需的高強度螺栓數(shù)目</p><p>　　采用10.9級的M22螺栓：</p><p>　　螺栓孔徑取23mm，翼緣板的凈截面面積為：</p><p>　　翼緣板所能承受的軸向力設計值為：</p><p><b>　　故采用8個。</b></p><p>　　翼緣外側拼接連接板

60、的厚度：</p><p><b>　　取</b></p><p>　　寬度與梁翼緣同為280mm,</p><p>　　螺栓中心距最小為3d0,邊緣最小為2d0，連接板長度不小于</p><p><b>　　，取490mm.</b></p><p>　　故翼緣外側板的尺寸為：

61、</p><p>　　翼緣內(nèi)側拼接連接板的厚度：</p><p>　　如果考慮內(nèi)外側拼接板截面面積相等，則有： </p><p>　　取，內(nèi)拼接板的尺寸為：</p><p><b>　　螺栓強度驗算</b></p><p>　　上述計算表明螺栓強度滿足，可不必進行驗算。<

62、/p><p>　　故，翼緣拼接采用八個M22螺栓，拼接板尺寸為：</p><p><b>　　外拼接板： </b></p><p><b>　　外拼接板： </b></p><p><b>　?。?）腹板拼接設計</b></p><p>　　梁腹板連接所需的

63、高強螺栓數(shù)目：</p><p>　　采用10.9級的M22螺栓：</p><p>　　考慮到彎矩作用的影響，采用8個M22螺栓，并成兩排布置。</p><p>　　腹板兩側連接板的厚度：</p><p><b>　　取</b></p><p>　　根據(jù)構造要求，暫取腹板的拼接板截面為，選用16個1

64、0.9級M22螺栓，</p><p>　　按構造要求排列，如圖，每側螺栓數(shù)為n=8.</p><p>　　腹板兩側連接板的尺寸不妨取為：</p><p>　　則梁與梁的拼接板連接圖如下圖：</p><p>　　連接構件的接觸面采用噴砂處理。</p><p><b>　　螺栓強度驗算</b><

65、/p><p>　　單個螺栓的抗剪承載力設計值：</p><p>　　剪力 在螺栓群形心處所引起的附加彎矩：</p><p><b>　　修正后的彎矩：</b></p><p><b>　　螺栓最大應力</b></p><p>　　故螺栓的連接強度滿足要求。</p>

66、<p>　　故，翼緣拼接采用8個M22螺栓，拼接板尺寸為：</p><p><b>　　外拼接板： </b></p><p>　　3. 螺栓的凈截面強度驗算：</p><p>　?。?）選截面1—1討論：</p><p>　　最大正應力 </p>

67、;<p><b>　　最大剪應力</b></p><p>　　對于點b,折算應力為：</p><p><b>　　滿足要求。</b></p><p>　　（2）選截面2—2討論：</p><p>　　最大正應力 </p>

68、;<p><b>　　最大剪應力</b></p><p>　　對于點b,折算應力為：</p><p>　　綜上，滿足要求。 </p><p><b>　　設計規(guī)范及參考書籍</b></p><p><b>　　1、規(guī)范</b></p><p&

69、gt;　　（1）中華人民共和國建設部. 建筑結構制圖標準（GB/T50105－2001）</p><p>　?。?）中華人民共和國建設部. 房屋建筑制圖統(tǒng)一標準（GB/T50001－2001）</p><p>　?。?）中華人民共和國建設部. 建筑結構荷載規(guī)范（GB5009－2001）</p><p>　?。?）中華人民共和國建設部. 鋼結構設計規(guī)范（GB50017

70、－2003）</p><p>　?。?）中華人民共和國建設部. .鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（GB50205-2001）</p><p><b>　　2、參考書籍</b></p><p>　?。?）沈祖炎等. 鋼結構基本原理，中國建筑工業(yè)出版社，2006</p><p>　?。?）毛德培. 鋼結構，中國鐵道出版社，199