钢结构课程设计word版.doc

第一章 设计资料1.1.1设计资料某机床加工车间，厂房跨度21m或24m，长度96m.设计对象为厂房内的钢操作平台，其平面尺寸为27.0m22.5m，室内钢结构操作平台建筑标高为4.500m。房屋安全等级为二级，设计使用年限50年，耐火等级二级，拟采用钢平台。(1) 钢平台楼面做法：采用花纹钢板或防滑带肋钢板。(2) 楼面活荷载标准值：根据工艺要求取为7.3KN/m(3) 钢平台结构连接方式：平台板与梁采用焊接（角焊接）；次梁与主梁采用高强度螺栓连接；主梁与柱采用焊接或高强度螺栓连接，定位螺栓采用粗制螺栓。(4) 材料选用：型钢、钢板采用Q235- A. F；焊条采用E43 型。粗制螺栓采用Q235钢材。(5) 平台柱基础混凝土强度等级C25。试对铺板、次梁、主梁、钢柱以及次梁与主梁、主梁与柱上端、柱脚及钢楼梯进行设计。1.1.2结构布置1. 梁格布置采用单向板布置方案，柱网尺寸为9.0m4.5m；主梁沿横向布置，跨度为9m；次梁沿纵向布置，跨度为4.5 m。间距为1.5m；单块铺板的平面尺寸为1.5m9.0m。2.连接方案次梁与主梁采用高强螺栓侧面铰接连接，次梁与主梁的上翼缘平齐；主梁与柱采用侧向铰接连接；柱与基础采用铰接连接；平台板与主（次）梁采用焊接（角焊缝）连接。3. 支撑布置钢平台柱的两端均采用铰接连接，并设置柱间支撑，以保证结构几何不变。在轴线、和轴线处分别布置纵、横向支撑，采用双角钢，如图1-2所示。图1-2 1-1剖面因无水平荷载，支撑磕按构造要求选择角钢型号。受压支承的最大计算长度，受压支撑的允许长细比=200，要求回转半径选用2L1258（节点板厚度6mm，,为对称轴）。1.1.3 铺板设计1.初选铺板截面在铺板的短跨方向设置8道加劲肋，间距。平板厚度。31第三章 铺板设计 2.计算简图因铺板区格长边之比 可作为多跨连续的双向板计算，加劲肋和次梁作为其支承边。3. 内力计算（1）荷载计算7mm厚花纹钢板： 平台板永久荷载标准值： 平台板可变荷载标准值： 平台板的荷载基本组合值： 平台板的荷载标准组合值： （2）内力计算平台板单位宽度最大弯矩： 注：根据b/a=1.5，查表4-1可得，均布荷载作用下四边简支板的弯矩系数=0.081 平台板的最大挠度： 注：根据b/a=1.5，查表4-1可得，均布荷载作用下四边简支板的弯矩系数=0.0844. 截面设计 （1） 强度计算 铺板的强度按式（4-5） 计算 （2） 挠度计算 5. 加劲肋设计（1）计算简图 加劲肋与铺板采用单面角焊缝，焊脚尺寸6mm，每焊150mm后跳开50mm间隙（图1-3b）。 此连续构造满足铺板与加劲肋作为整体计算的条件。加劲肋高度取h=80mm，厚度8mm，考虑有30t=240mm宽度的铺板作为翼缘，按T形截面计算，如图1-3c所示。加劲肋的跨度为1.5m，计算简图如图1-3a所示图1-3加劲肋的计算简图（2） 荷载计算 铺板为四边支承板，较精确地计算可嘉定荷载按梯形分布，为简化计算，可安全地均布荷载考虑，即取加劲肋的负荷宽度1000mm。永久荷载标准值： 平台板传来永久荷载 加劲肋自重 可变荷载标准值： 荷载的基本组合值： 荷载的标准组合值 （3）内力计算跨中最大弯矩设计值 支座处最大剪力设计值（4）截面特性计算截面形心位置 截面惯性矩 支座处抗剪面积只计算铺板部分，偏于安全的仍取180mm范围，则 （5） 强度计算 受弯强度计算按式(4-7)计算，受拉侧应力最大截面塑性发展系数取1.2.(满足要求)受剪强度按式（4-8）计算： = =（满足要求）（6） 变形计算 加劲肋的挠度按式（4-9）计算：（满足要求）1.1.4 次梁设计1.计算简图次梁与主梁铰接，按简支梁计算，跨度=9.0m，如图1-4示。图1-4 次梁计算简图第四章 次梁设计 2.初选次梁截面次梁的荷载主要由铺板-加劲肋传来相隔1000mm分布集中荷载，每个加劲肋传到次梁上的集中荷载设计值 qBS=10.306KN/m=15.459KN/m qBSK=7.98KN/m=11.97KN/m次梁采用轧制普通工字钢，假定铺板不起刚性楼板作用。跨中无侧向支撑，上翼缘受均匀布荷载，自由长度为9.0m。假定钢号为2240之间，查钢结构设计规范（GB 50017-2003）附表B.2，b=0.4。次梁跨中弯矩设计值 Mmax=15.4599.0 KNm=156.62KNm所需的截面抵抗矩 Wx=1856.4cm 选用50c, h=500mm, b=162mm, tw=20mm, t=16mm, Wx=2026cm, x=50639cm4,自重为109Kg/m=1.09KN/m3.内力计算包含自重在内的次梁均布荷载基本组合值 qBS=(15.459+1.21.09)KN/m=16.77KN/m均布荷载标准组合值 qBSK=（11.97+1.09）KN/m=13.06KN/m最大弯矩基本组合值 Mmax=KNm最大剪力基本组合值 Vmax=KN4.截面设计轧制型钢梁不需要验算局部稳定；正截面强度不起控制作用；连接处净截面抗剪强度见连接节点计算。截面积算内容包括承载力极限状态的整体稳定和试用阶段极限状态的挠度。（1）整体稳定性计算 (满足要求)（2）挠度验算 =（满足要求）1.1.5主梁设计1、计算简图主梁与柱铰接，按简支梁计算，跨度=4.5m，计算简图见图1-5。 图1-5主梁计算简图a）计算简图 b）内力图 c）截面尺寸第五章 主梁设计 2、初选主梁截面尺寸（1）梁腹板高度hw梁承受次梁传来的集中荷载，主梁的负荷宽度为4.5m次梁传来集中荷载设计组合值：P=16.67KN/m4.5m = 75.01KN次梁传来集中荷载标准组合值：PK=13.06KN/m4.5m = 58.77KN主梁的弯矩设计值近似按此梁端部反力计算 注：系数1.2为考虑主梁自重后附加系数。则所需的截面抵抗矩为W nx =135.48mm3 106/215 =533,32cm3按下式确定梁的经济高度：he=730cm=7 -30cm=51.18cm或 主梁的最小高度按刚度条件确定，梁的允许挠度为，其最小高度hmin 必须满足： =4500mm/15=300mm取梁的腹板高度hw =600mm，满足最小高度要求，且接近经济高度。（2）梁腹板厚度tw 梁腹板可按式（4-13）估算：tw = =cm 0.7042cm =7.042mm 取tw =8mm,大于6mm的最小要求。（3）梁翼缘尺寸bt 取上、下翼缘相同，截面模量按式计算： Wx =+可得到所需的上（下）翼缘面积： - =翼缘宽度b=（12.51/3）h =240200mm，取b=200mm,翼缘厚度取t=10mm,满足8mm的要求。单个翼缘面积A1 =20cm21=20cm2 18.00cm2，满足要求。主梁截面尺寸如图1-6C所示。（4）几何特征主梁截面面积：主梁截面惯性矩：抗弯截面模量：中和轴以上部分的面积距：翼缘对截面中和轴的面积距：3、内力计算取加劲肋的构造系数为1.05，主梁自重标准值：主梁自重设计值:截面最大剪力的基本组合值截面最大弯矩的基本组合值 主梁内力图如图1-6b所示。4、截面设计（1）强度计算抗弯强度： =（满足要求）抗剪强度： （满足要求）(2)整体稳定计算 次梁可以作为主梁的侧向支撑。主梁受压翼缘的自由长度=1.5m ，受压翼缘宽度b1 =200mm。=1500/240=6.2516，因此可不计算主梁的整体稳定性。（3）翼缘局部稳定计算 梁受压翼缘自由外伸宽b1 =(200-8)mm/2=96mm，厚度t=10mm。故受压翼缘局部稳定满足要求。（4）腹板局部稳定验算和腹板加劲肋设计h0 = hw =600mm,tw=8mm,所以h0/tw =600/8=75 =80，且无局部压应力（ c=0），仅需按照构造配置横向加劲肋。根据连续需要，在次梁位置设置横向加劲肋，间距a=1.2m。腹板两侧成对布置。其外伸宽度bs要求满足:,取bs=（200-8）mm/2=96mm加劲肋的厚度ts应满足： 因梁受压翼缘上有密布铺板约束其扭转，腹板受弯计算时的通用高厚比: 0.4241,腹板受剪计算的通用高厚比S:S=因此，临界应力 cr=125N/mm2 根据主梁的剪力和弯矩分布（图1-5c）需对各地区段分别进行局部稳定性验算。区段：平均弯矩M1=110.34/2KNm=55.17KNm，平均剪力V1=（76.95+76.09）KN/2=76.52.56KN，则弯曲应力和平均剪应力分别为=因局部压应力为0，区段的局部稳定： 区段：平均弯矩M2 =（110.34+114.69）KNm/2=112.51KNm,平均剪力V2=（0.65+0）KN/2=0.33KN，则弯曲应力和平均剪应力分别为=因局部压应力为0，区段的局部稳定： 第六章 次梁与主梁的连接节点 5挠度验算简支梁在对称集中荷载（次梁传来）和均布荷载（主梁自重）作用下的跨中挠度系数分别为19/348和5 /348，则 6、翼缘与腹板的连接强度采用连续直角焊缝，所需焊缝的焊脚尺寸为=按构造要求， = =1.27mm=8.4取 h f =6mm，如图1-5c所示。 1.1.6 次梁与主梁的连接节点次梁与主梁平接，如图1-6连接螺栓采用8.8级M20型高强度螺栓。计算连接螺栓和连接焊缝时，除了次梁端部垂直剪力外，尚应考虑由于偏心所产生的附加弯矩的影响。1.支撑加劲肋的稳定计算一侧加劲肋宽bs=56.5mm,厚度t=6mm,按轴心受压杆件验算腹板平面外稳定。验算时考虑与加劲肋相邻的15tw=15mm6=90mm范围内的腹板参与工作。加劲肋总的有效截面特性： = =根据=15.4，查钢结构设计规范（GB50017-2003）附录B表B.2，可得受压稳定系数=0.983。加劲肋承受两侧次梁的梁端剪力，N=2V=276.465KN=152.93KN= (满足要求)2.连接螺栓计算在次梁端部剪力作用下，连接一侧的每一个高强度螺栓承受的剪力：=76.465 /2KN=38.23KN ()剪力V=23.28kN，偏心距e=（40+10+40）mm=50mm，偏心力矩Me=Ve=38.2390KNmm=6881.85KNmm作用，单个高强度螺栓的最大拉力：单个8.8级M20摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力Nv=在垂直剪力和偏心距共同作用下，一个高强度螺栓受力为Ns= (满足要求)3.加劲肋与主梁的角焊缝剪力V=76.465kN，偏心距e=（96+40+10）mm=146mm，偏心力矩Me=Ve=76.465146kNmm=11163.89kNmm，采用hf=6mm，焊缝计算长度仅考虑与主梁腹板连接部分有效，即=600mm-206mm=560mm，则= (满足要求)4.连接板的厚度连接板的厚度按等级强度设计。对于双板连接板，其连接板厚不宜小于6mm：所以，取连接板的厚度t=7mm。5.次梁腹板的净截面验算不考虑孔前转力，近似按下式进行验算： （满足要求）次梁与主梁跨内的连接节点大样如图1-6所示。图1-6 次梁与主梁跨内的连接节点大样1.1.7钢柱设计平台结构中，中柱、边柱和角柱的受力显然不同，从节约钢材出发，可以设计成不同的柱子截面。但从方便钢材订货、构件加工和现场安装的便利考虑，实际工程设计时，采用相同的截面。以最不利的中柱为依据，选择柱子截面并计算。1. 截面尺寸初选一根主梁传递的竖向反力设计值 =一根次梁传递的竖向反力设计值 所以，中柱的轴力设计值N：柱子的计算简图如图1-6b所示，因有柱间支撑，将其视为两端不动的铰支承，柱子高度为钢平台楼面标高（标高为4.500m）减去主梁高度的一半，即H=（4500-620/2）=4190mm。因柱子高度不大，初步假定弱轴方向（y轴）的计算长度为=70，b类截面，由钢结构设计规范（GB 50017-2003）附录B表B.2，可查得轴心受压构件的稳定系数=0.751，则所需的面积A： A 柱的计算长度=4190mm，截面的回转半径=4190/80=59.86mm,查有关表格，选择柱子截面HW250250，其几何系数：翼缘厚t=14mm，腹板厚=9mm，回转半径=10.8cm，=6.29cm，面积A=92.18cm，理论重量72.4kg/m。2. 整体稳定计算考虑一半柱子重量集中到中柱顶，则柱顶轴力设计值：第七章 钢柱设计 图1-7 平台柱计算简图a）平台柱梁建筑高度 b）计算简图N=306.83KN+1.20.7244.5/2KN=308.78KN =4190/108=2880 =4190/62.9=66.61绕两主轴截面分类均属于b类，故按较大长细比（=66.61）计算，由钢结构设计规范（GB50017-2003）附录B表B.2，可查得=0.769，则=(满足要求)3.局部稳定计算翼缘外伸宽度与其厚度的比值： 腹板高度与其厚度的比值： 满足稳定要求。4.刚度计算 max=66.61 =150 （满足要求）1.1.8主梁与柱的链接节点1. 主梁与柱侧的链接设计主梁搁置在小牛腿上，小牛腿为T形截面，尺寸如图1-8d所示。小牛腿与柱翼用角焊缝链接，主梁支座反力通过支撑面接触传递。小牛腿2M12普通螺栓其安装定位作用，与连接角钢连接的2M12普通螺栓其防止侧倾作用。主梁梁端局部承压计算：腹板翼缘交界处局部承压长度： 梁端集中反力设计值=76.95KN，则 因此，主梁端部的连接设支承加劲肋。第八章 主梁与柱的连接节点 图1-8 平台梁与柱的连接构造a)平台梁与柱的连接 b)1-1剖面 c)2-2剖面 d）小牛腿截面 e）小牛腿焊缝截面 2.牛腿与柱的连接设计角焊缝柱脚高度=8mm，扣除焊缝起始处各10mm厚的焊缝截面如图4-27e所示。焊缝截面几何特性计算：抗剪计算面积 截面形心位置 焊缝群惯性矩最下端截面模量=/125=9354440/125=73169.0焊缝内力设计值：剪力 V=76.95KN弯矩 M=76.95x(0.125/2+0.01)KNm=5.42KNm焊缝截面强度计算： =N/ =N =N/ =62.64N/12故需要设置横向加劲肋。设横向加劲肋为-80钢板，布置在与小牛腿翼缘的同高处，如图1-9a所示。1.1.9柱脚设计平台柱的柱脚采用铰接连接的方式。1. 底板面积平台柱截面HW250250，采用方形底板，其边长B=H=b+40mm=290mm。初选螺栓孔直径24mm，底板上锚栓孔洞直径50mm，A0 =1963mm2 。第九章 柱脚设计 基础混凝土强度等级C25（=11.9N/mm2 ），柱底的轴力N=306.83KN+1.20.7244.5KN=310.84KN，则 图1-9 柱脚示意图2. 底板厚度A区格，悬臂板的悬臂长度c=20mm,则 B区格，三边支承区格板，b1=(1459/2)mm=140.5mm，a1=(250214)mm=222mm，由b1 /a1 =140.5/222=0.63，查表，=0.078 取较大区格弯矩计算板厚t取底板厚度t=16mm。3锚栓直径平台柱在所有工作条件下都始终受压，则按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS 102：2002）规定，选用的锚栓直径不应小于24mm。本设计取锚栓直径24mm。1.1.10楼梯设计楼梯布置采用折梁楼梯，折梁一端支撑于轴主梁，另一端支承在地面基础。每个踏步高度取225mm,共4500/225=20步，踏步宽度度取175mm，则斜梁的水平投影长度20175mm=3500mm,斜梁的倾角=(4500/3700）=52.1。平台宽度取1000mm，梯段宽度取800mm。踏步板采用6mm厚花纹钢板