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钢结构课程设计任务书 土木工程2009 《钢结构课程设计任务书》 土木工程 2009 钢结构 课程设计 任务书

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中南大学土木工程学院土木工程专业（本科） 《钢结构基本原理》课程设计任务书 题 目：钢框架主次梁设计 姓 名：郑伟 班 级：土木天佑0901 学 号：1208090814 建筑工程系 目录 一设计条件 - 2 - 二设计内容和要求 - 2 - 三 设计次梁截面CL-1 - 3 - 3.1 次梁截面内力计算（不含次梁的自重） - 3 - 3.2 次梁截面选取 - 5 - 3.3 次梁截面的验算 - 7 - 1)截面的几何特性 - 7 - 四、 设计框架主梁截面KL-1 - 10 - 4.1 框架主梁截面内力计算 - 10 - 4.2 主梁截面选取 - 13 - 4.3 主梁截面的验算 - 16 - 五、 设计框架主梁短梁段与框架柱连接节点 - 19 - 5.1 连接处内力计算 - 19 - 5.2 设计焊缝尺寸 - 20 - 六设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点 - 22 - 6.1 连接处内力计算 - 22 - 6.2 高强螺栓的选择以及孔距的确定 - 23 - 6.3 截面特性 - 23 - 6.4 翼缘的拼接设计 - 24 - 6.5 腹板拼接计算 - 24 - 6.6 验算钢板净截面强度 - 25 - 七设计体会 - 26 - 八设计规范及参考书籍 - 26 - 1、规范 - 26 - 2、参考书籍 - 27 - 一设计条件 某多层钢框架结构三楼楼面结构布置如图1所示，结构采用横向框架承重，楼面活荷载标准值5，楼面板为150mm厚单向实心钢筋混凝土板，楼层装修从下至上具体如下：轻钢龙骨吊顶(0.2<标准值>)→框架钢梁→150mm厚实心钢筋混凝土板(25<标准值>) →水磨石面层(包括20mm厚水泥砂浆找平，0.65<标准值>)。荷载传力途径为：楼面板－次梁－主梁－柱－基础。设计中仅考虑竖向荷载作用，框架主梁按连续梁计算，次梁按简支梁计算。 以下设计中钢材选用Q235。 二设计内容和要求 （1）进行次梁CL-1截面设计。 （2）进行框架主梁KL-1截面设计，并绘制施工图。 （3）进行框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点设计，短梁段长度一般为0.9～1.2m，要求采用高强螺栓连接，并绘制施工图。 （4）进行框架主梁短梁段与框架柱连接节点设计，要求采用焊缝连接，并绘制施工图。 要求：提交设计计算说明书一份，框架主梁KL-1施工图（一号图）一张。 计算说明书包括： 构件截面尺寸估算、荷载计算、内力组合、主次梁截面设计（包括截面板件连接焊缝设计）、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算。 计算书按中南大学课程设计统一格式编制，要求书写认真、字迹工整，并按以下顺序装订成册：封面、设计任务书、目录（应标明页码）、设计计算正文文本、设计体会、参考文献（按规范格式书写）、封底。 施工图绘制包括： 绘制框架主梁短梁段与梁体制作详图、框架主梁短梁段与柱连接节点详图、短梁段与主梁梁体连接节点详图，KL-1钢材用量表，设计说明(1#图纸一张)。 施工图图面布置合理，比例适当，图面整洁，线条清楚，文字采用宋体或仿宋体，符合制图标准，达到施工图要求。 三 设计次梁截面CL-1 3.1 次梁截面内力计算（不含次梁的自重） 由于次梁可以看作是两端铰接的，为了简化计算，只将次梁两侧的楼面荷载以及楼面板自重加入计算，荷载的标准值入下： 楼面活载：； 根据楼面板的构造可知， 楼面混凝土自重：； 荷载设计值：（楼面活载大于） 则其计算简图如下图3所示： 图3 次梁荷载分布图 由此可知其弯矩最大值出现在跨中，其弯矩剪力图4如下所示: 图4 次梁弯矩剪力图 最大弯矩设计值（跨中截面处） 3.2 次梁截面选取 根据抗弯强度要求，考虑截面部分塑性发展系数，此时 腹板高度 1.钢梁的最小高度（按最大挠度限值确定） ≈[]L=4008400=56.6cm 上式中取Q235钢的抗弯强度设计值得=215N/,E=206N/和[]=。 2.经济高度经验公式 =7－30cm 今需要的截面模量为 =7－30cm ==56.37cm 取腹板高度==600mm，加翼缘厚度可使梁高度满足上述要求。 2)腹板厚度 1、抗剪要求 ===3.23mm 式中取Q235钢的=125N/。 2、局部稳定和构造要求（式中以mm计） ===7.0mm =7＋0.003=7＋0.003600=8.8mm 综上取=10mm，选用腹板—60010。 3)翼缘板截面尺寸（） 根据抗剪强度和整体稳定性要求 ≥－ 抗弯强度要求（见前） 整体稳定性要求（试取整体稳定性系数=0.70） ===2817.7＞1878.48 ≥601=36.97 （a） 在确定和时，应考虑翼缘板的局部稳定性和构造要求，近似取 ≤13＝13=13 ≥= （b） 由式（）及（）得 =cm,取=320mm ≥==12.3mm，即取=14mm 供给=321.4=44.8（需要=36.97是在假设=0.70时提出来的，因具体值还不确定，故供给的值不一定大于或等于36.97。所选是否恰当，要在进行验算后才知道，故这里采用的都是初选的尺寸）。 初选截面如下图5所示： 图5 次梁初选截面 3.3 次梁截面的验算 1)截面的几何特性 截面积 =2321.4＋601=149.6 惯性矩 截面模量 ===3263.1 对y轴的回转半径 ===7.15cm 梁的侧向长细比 ===117.5 半截面对中和轴的面积矩 2)整体稳定验算 受压翼缘自由长度=8.4m，宽度=320mm ==26.25＞13 需要验算整体稳定性 双轴对称焊接工字形等截面简支梁的整体稳定性系数 = 今令=1.15 那么有=1.15=1.21＞0.6，显然地，梁已经进入了弹塑性工作阶段，其临界弯矩值有明显 的降低，应该下式对进行修正 =1.07－0.282/ 那么 =1.07－0.282/1.21=0.84<1.0 = 满足要求 3）抗弯强度验算 == 满足要求 4）抗剪强度验算 == N/＜＜125 N/ 满足要求 支座处局部压应力验算 由于未知主梁的截面尺寸，故先假设，则。 即 满足要求，且不需要设置支承加劲肋。 6）翼缘板的局部稳定性验算 ==11.1＜13=13=13 满足要求 7）腹板的局部稳定性验算 满足要求，因此不必设置加劲肋。 8）挠度验算 == =11.8mm =≤[]= 满足要求，综上所选的次梁截面合适。 四、 设计框架主梁截面KL-1 4.1 框架主梁截面内力计算 由于框架主梁可以看作是刚接框架的，为了简化计算，只将次梁的支座反力当作集中荷载作用再主梁上，主梁的自重再以后检算时再考虑，即其计算简图如下图6所示： 图6 框架主梁荷载分布图 由等跨梁的最不利荷载布置规律可知： （1） 求某跨跨内的最大正弯矩时，应在本跨内布置荷载，然后隔跨布置； （2） 求某跨跨内的最大负弯矩时，应在本跨不布置荷载，然后在左右邻跨布置，然后隔跨布置； （3） 求支座的最大剪力时，应在该支座左右邻跨布置，然后隔跨布置。 有以上3条规律可知，其对应的弯矩剪力图如下图7-10所示： 图7 情况（1）弯矩图（622.90） 图8 情况（2）弯矩图（583.82） 图9 情况（3）弯矩图（585.54） 图10 情况（3）剪力图（262.71kn） 图11 情况（3）轴力图（77.41kn） 由以上分析可知，主梁所受到的最大内力为： 4.2 主梁截面选取 1）腹板高度 1.钢梁的最小高度（按最大挠度限值确定） 由于梁两端固定，则 ≈[]L=4008000=54.0cm 上式中取Q235钢的抗弯强度设计值得=215N/,E=206N/和[]=。 2.经济高度经验公式 =7－30cm 今需要的截面模量为 =2215.6 =7－30cm -30=61.3cm 取腹板高度==650mm，加翼缘厚度可使梁高度满足上述要求。 2)腹板厚度 1、抗剪要求 ===3.5mm 式中取Q235钢的=125N/。 2、局部稳定和构造要求（式中以mm计） ===7.3mm =7＋0.003=7＋0.003650=8.95mm 综上取=10mm，选用腹板—65010。 3)翼缘板截面尺寸（） 根据抗剪强度和整体稳定性要求 ≥－ 抗弯强度要求=2215.8（见前） 整体稳定性要求（试取整体稳定性系数=0.70） ===3323.5＞2215.6 ≥-651=40.3 （a） 在确定和时，应考虑翼缘板的局部稳定性和构造要求，近似取 ≤13＝13=13 ≥= （b） 由式（）及（）得 =cm,取=330mm ≥==12.7mm，即取=14mm 供给=331.4=46.2（需要=46.2是在假设=0.70时提出来的，因具体值还不确定，故供给的值不一定大于或等于46.2。所选是否恰当，要在进行验算后才知道，故这里采用的都是初选的尺寸）。 初选截面如下图12所示： 图12 主梁初选截面 4.3 主梁截面的验算 1)截面的几何特性 截面积 =2331.4＋651=157.4 惯性矩 截面模量 ===3679.9 对x轴的回转半径 ===28.2cm 对y轴的回转半径 ===7.30cm 梁的侧向长细比 ===14.2 则查表知 ===54.8 则查表知 半截面对中和轴的面积矩 整体稳定验算 由于在截面设计时没有考虑到轴力的影响，故在验算时考虑轴力， 此时按照压弯构件来进行验算。 1. 平面内整体稳定性验算 对于实腹式压弯构件 满足要求 2.平面外整体稳定性验算 双轴对称焊接工字形等截面简支梁的整体稳定性系数 = 今令=1.15 那么有=1.15 =4.95＞0.6，显然地，梁已经进入了弹塑性工作阶段，其临界弯矩 值有明显 的降低，应该下式对进行修正 =1.07－0.282/ 那么 =1.07－0.282/4.95=1.01>1.0 则 =1.0 由于为闭开口截面,则 满足要求 3）抗弯强度验算 == N/＜=215 N/ 满足要求 4）抗剪强度验算 == =39.3N/＜＜125 N/ 满足要求 5)支座处局部压应力验算 先假设，则。 即 满足要求，且不需要设置支承加劲肋。 集中力作用处局部压应力验算 由于，则。 即 满足要求，且不需要设置加劲肋。 7）翼缘板的局部稳定性验算 ==11.6＜13=13=13 满足要求 8）腹板的局部稳定性验算 满足要求，因此不必设置加劲肋。 8）挠度验算 == =8.8mm =≤[]= 满足要求，综上所选的次梁截面合适。 5、 设计框架主梁短梁段与框架柱连接节点 5.1 连接处内力计算 由主梁在各种不利荷载组合下的内力图可知，在连接处的最大内力为： 5.2 设计焊缝尺寸 1）确定焊脚尺寸 构造要求： 手工焊接时： 最大焊脚尺寸： 由此可取： 2）确定角焊缝长度 构造要求： 最小焊缝长度： 最大焊缝长度： 则 3）梁柱连接节点 图13 角焊缝尺寸 4）焊缝截面特征 水平焊缝面积 竖直焊缝面积 焊缝总面积 焊缝惯性矩 水平焊缝绕自身轴惯性矩很小，计算时忽略。 5）验算最危险点受力 首先假设腹板焊缝承受全部剪力，而全部焊缝共同承担弯矩。 在轴力N作用下 在剪力V作用下 在弯矩M作用下，产生a点应力 b点应力 在弯矩、轴力、剪力共同作用下，焊缝最危险点为a、b两点。 a点： b点： 满足要求 六设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点 6.1 连接处内力计算 由于工地拼接时，预先将长为1.0m的主梁与柱子焊接（即以上第五部分所述），由主梁在各种不利荷载组合下的内力图可知，在为距柱子1.0m处的最大内力为： 6.2 高强螺栓的选择以及孔距的确定 由于翼缘板处根据构造要求配置的螺栓数量远大于根据强度验算所需的数量，因而翼缘处的螺栓采用M20的10.9级摩擦型高强螺栓连接，孔径，腹板处采用M24的10.9级摩擦型高强螺栓连接，孔径 一个M20高强螺栓的抗剪承载力设计值 一个M24高强螺栓的抗剪承载力设计值 ——传力摩擦面数目为2 ——摩擦面的抗滑移系数，钢材采用Q235，喷砂后涂无机富锌漆 ——每个高强螺栓的预压应力，通过查阅钢结构设计规范，对于M20，P取155Kn ,对于M24，P取225Kn 6.3 截面特性 毛截面惯性矩，由前已算出 腹板惯性矩， 翼缘惯性矩， 则分配到翼缘的弯矩 分配到腹板上的弯矩 6.4 翼缘的拼接设计 根据翼缘所承受的弯矩，翼缘拼接板所传递的轴向力为 ,其中h为两翼缘形心间的距离 拼接板向边传递磁力所需螺栓的个数为 同时考虑到翼缘的板块内拼接板上的螺栓应该不小于两列，故取n=8 需要拼接板的截面面积为（设计中忽略了孔前船里的有利影响） 可取翼缘拼接板为1以及 6.5 腹板拼接计算 根据构造要求，暂取腹板的拼接板截面为2--46010，选用16个10.9级的M24高强螺栓，并按构造要求排列，具体排列方式如下图所示： 由上图可知，一侧螺栓数为n=8 扭矩 由M、N、V的方向可知，右上角螺栓A受力最大，为 满足要求 6.6 验算钢板净截面强度 由图可知，对并列螺栓，净截面比I-I净截面大，所以只需验算I-I净截面。 正应力 剪应力 满足要求。 七设计体会 通过此次课程设计，我更加扎实地掌握了有关钢结构设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一遍遍的思考和审视终于发现了问题的关键所在，同时也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，只有自己真正动手去做，才能明白这其中的奥妙。 过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的验算环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在同学们的共同努力下，也都终于游逆而解。在今后社会的发展和学习时间过程中，我们一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，而应积极主动地去面对问题，并发现症结，然后一一进行解决，只有这样，才能有所收获，才能从这精心安排的课程设计中学到一些知识。 课程设计虽说是一门专业性很强的课程，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，但其同时又是一门哲学课，让我明白了许多道理。通过此次课程设计，我掌握了钢结构的几种受力类型及相应的破坏形式；了解了验算每种破坏形式的原理及步骤；同时对钢结构的螺栓和焊缝连接也有了更深一步的认识。 回顾此次课程设计，至今让感慨颇多，从理论到时间，在这短短几天的日子里，可以说是苦多于甜，但是我们也真的学到了很多东西，不仅巩固了之前的知识，还获得了许多书本之外的宝贵财富。这次课程设计让我明白了理论纤细实际的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从理论中得出结论，并以实践验证，才是真正的有所收获，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计过程中遇到问题是必然的，但在解决问题中始终保持一颗求学的心却是我们的学海无涯的心态使然。 八设计规范及参考书籍 1、规范 （1）中华人民共和国建设部. 建筑结构制图标准[S]（GB/T50105－2001） （2）中华人民共和国建设部. 房屋建筑制图统一标准[S]（GB/T50001－2001） （3）中华人民共和国建设部. 建筑结构荷载规范[S]（GB5009－2001） （4）中华人民共和国建设部. 钢结构设计规范[S]（GB50017－2003） （5）中华人民共和国建设部. 钢结构工程施工质量验收规范[S]（GB50205-2001） 2、参考书籍 （1）沈祖炎等. 钢结构基本原理[M]. 中国建筑工业出版社，2006 （2）毛德培. 钢结构[M]. 中国铁道出版社，1999 （3）陈绍藩. 钢结构[M]. 中国建筑工业出版社，2003 （4）李星荣等. 钢结构连接节点设计手册（第二版）[M]. 中国建筑工业出版社，2005 （5）包头钢铁设计研究院中国钢结构协会房屋建筑钢结构协. 钢结构设计与计算（第二版）[M]. 机械工业出版社，2006 - 27 -

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