海波的钢结构课程设计中南大学.docx

10级钢结构课程设计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姓 名：肖海波班 级：土木1003学 号：1208100424设计构件某多层图书馆二楼书库楼面结构布置图如图，结构采用横向框架承重，楼面活荷载标准值4.0（单号）、8.0（双号），楼面板为120mm厚单向实心钢筋混凝土板，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和活载作用，框架梁按连续梁计算，次梁按简支梁计算。其中框架柱为焊接H型钢，截面尺寸为H6003001218设计内容要求（1）设计次梁截面CL-1（热轧H型钢）。（2）设计框架主梁截面KL-1（焊接工字钢）。（3）设计框架主梁短梁段与框架柱连接节点，要求采用焊缝连接，短梁段长度一般为0.91.2m。（4）设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点，要求采用高强螺栓连接。（5）设计次梁与主梁工地拼接节点，要求采用高强螺栓连接。（6）绘制主梁与柱连接节点详图，次梁与主梁工地拼接节点，短梁段及主梁体连接节点详图，梁体截面详图(2#图纸一张)，KL-1钢材用量表，设计说明等。（7）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、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算，节点连接计算。一 设计次梁截面CL-11. 次梁截面内力计算由于次梁可以看作诗两端铰接的，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，即简化到一根次梁上的荷载为：楼面恒载标准值：250.124=12KN/m；楼面活载标准值：84=32 KN/m；楼面恒载设计值：121.2=14.4 KN/m；楼面活载设计值：321.4=44.8 KN/m；qk=12+32=44 KN/m;q=14.4+44.8=59.2KN/m。其计算简图如下图所示：活载9000 图1.次梁荷载分布图由此可知弯矩最大值出现在跨中，其弯矩剪力图如图2如下所示：即 Mmax=1859.292=599.4 KNm vmax=1259.29=266.4 KNM=599.4 KNm V=266.4KN 图3 次梁弯矩剪力图2. 次梁截面选取截面次梁厚度小于16mm，且自重未知，考虑安全因素（选用Q235钢）M=1.02M=611.388 KNm截面模量：Wx=Mmaxxfd=611.3881061.05215=2708252.5mm3根据截面模量选取次梁的，需用Q235工字梁 工63bIx=98171cm3， Wx=3116.6cm3， Sx=1846.6 cm3， IxSx=53.16cm， A=167.19cm2， h=630cm， b=178mm， tw=15.0mm， t=22mm， r=15.0mm， r1=7.5mm， =131.35kg/mq =59.2+g1.2=59.2+131.359.81.210-3=60.74KN/mMx=18 q l2=1860.7492=615KN.m最大剪力V=12q l=12960.74=273.33KN3. 强度验算1. 抗弯强度验算=MxxWx=6151061.053116.6103=187.9N/mm2fd=215 N/mm2满足要求2. 抗剪强度验算=VSxIxtw=273.331031846.6103981710415=34.265 N/mm2fv=125 N/mm2满足要求3. 支座处局部压应力验算支反力为273.33，假定支承长度a=17cm，查型钢表有r=15，t=22，故有： 所以集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度为：lz=a+5hy=170+5(15+22)=355mm局部压应力：c=Vtwlz=273.3310315355=51.33 N/mm2fd=215 N/mm24. 支座处折算应力验算：2+c2-c+32=178.38 N/mm2fd折算应力满足要求。5. 刚度验算wl=5qkl3384EIx=2.1210-3 wl=1250刚度满足要求。6. 稳定性验算因为铺板（钢筋混凝土板）覆盖在受弯构件的受压翼缘上并与其牢固连接，能阻止受压翼缘的侧向变形，所以不需验算次梁的整体稳定性。7. 局部稳定验算由于选择工字型型钢，故不需要局部稳定验算。 二 设计框架主梁KL-1 主梁截面内力计算由简化力学模型可得，忽略连续梁对框架梁的荷载影响，只考虑次梁传递的荷载。而次梁的荷载又分为恒载和活载两部分，故要考虑荷载的最不利布置情况。由于框架主梁可以看作是刚接框架的，为了简化计算，主梁的自重在以后验算时再予以考虑。受力情况如下：主梁截面估算由次梁传到主梁的集中力如下：恒载标准值：Gk=(12+1.29) 9=119.61KN活载标准值：Qk=329=288KN恒载设计值：G=1.2Gk=1.2119.61=143.532KN活载设计值：Q=1.4Qk=1.4288=403.2KN主梁在各种情况活荷载作用下的弯矩图与剪力图如下：12 3 4 5 主梁在恒载作用下的弯矩图与剪力图如下： 弯矩图（KN/m） 剪力图（KN）恒载与情况1组合荷载的弯矩图与剪力图 弯矩图（KN/m） 剪力图（KN）恒载与情况2组合荷载的弯矩图与剪力图弯矩图（KN/m）剪力图（KN）恒载与情况3组合荷载的弯矩图与剪力图弯矩图（KN/m）剪力图（KN）恒载与情况4组合荷载的弯矩图与剪力图弯矩图（KN/m）剪力图（KN）恒载与情况5组合荷载的弯矩图与剪力图由以上的五种情况知：梁在恒载与情况3组合荷载作用下弯矩最大，Mmax=886.38KN.m梁在恒载与情况4组合荷载作用下弯矩最大，vmax=365.46KN截面模量：Wx=Mmaxxfd=886.381061.05215=3926379mm31. 主梁截面选取1.1 腹板高度钢梁的最小高度（按最大挠度限值确定）hmin5fl31.2El =l400=8000400=20mmhmin=52158000231.22.0610520=535.225mm上式中取Q235刚的抗弯强度设计值得f=215 N/mm2 E=2.06105 N/mm2经济高度经验公式he=73Wx30=733926.430=80.43cm取腹板高度 hw=800mm2.2腹板厚度 抗剪强度要求tw1.2Vmaxhwfv=1.2365.46103800125=4.39mm式中取Q235钢fv=125 N/mm2 局部稳定与构造要求：tw1=hw3.5=8003.5=8.08mmtw2=70.003hw=70.003800=9.4mm综上取hw=10mm，选用腹板80010翼缘板截面尺寸(bt) Af=bftfWxhw-hwtw6=3926.4103800-800106=3574.67mm2 bf=1315h tf11.9mm 取bf=250mm，tf12.58mm 取tf=15mm 初选截面如下图所示2. 主梁截面的验算1.) 截面特性面积矩 Sxl=25015407.5=1528125mm2 Sxm=15281251040022=2328125mm2面积 A2250158001015500mm2惯性矩 Ix11225083032408003 1672229167mm4截面模量 Wx=Ixh2167222916783024029468mm32.) 梁的内力修正计算自重：q78501550010-49.810-31.192KN/m把自重等效成集中荷载设计值：Gk1.19289.536KNG9.5361.211.443KN则主梁的恒载标准值：119.619.536129.146KN主梁的恒载设计值：143.53211.443154.975KN加上主梁自重后最大弯矩：Mmax902.41KN m 最大剪力：Vmax372.89KN3.) 主梁截面验算抗弯强度验算=MmaxxWx=902.411061.054029.468103=213.3N/mm2fd=215 N/mm2满足要求抗剪强度验算=VmaxSxmIxtw=372.891032328125167222916710=51.91 N/mm2fv=125 N/mm2满足要求局部压应力验算c=Ftwlz=(403.2+143.532)10310(178+221514)=188.53 N/mm2fd=215 N/mm2翼缘与腹板的相接处折算应力验算： 1=800830=205.59N/mm2 1=VmaxSxlIxtw=372.891031528125167222916710=34.08 N/mm22+c2-c+32=205.592+188.532-205.59188.53+334.082=206.24 N/mm2fd折算应力满足要求。整体稳定验算因为次梁为主梁的侧向支撑，故主梁的受压翼缘的自由长度l=4000mm，l与梁的受压翼缘宽度b之比：lb=4000250=16=16235fy，故不用验算主梁的整体稳定性。局部稳定性验算：翼缘处：b1t=125-515=813235fy=13腹板处：hwtw=80010=80114235fy=114故局部稳定。刚度验算最大挠度：=1.146GKl3100EIx1.165Qkl3100EIx=1.146129.146103800031002.0610516722291671.165288103800031002.061051672229167=7.196mm时hftmin-(1 2)=13 14mm最小焊脚尺寸：规范规定，hf1.5tmax=1.518=6.36mm取hf=10mm焊接在受弯时翼缘与腹板交接处将产生剪力，这个剪力T应由连接板翼缘与腹板的角焊缝承受，公式为：T=VSlIx2heffw=1.4hfffwhfVSl1.4ffwIx=372.8910315281251.41601672229167=1.52mm故满足要求2) 焊缝截面特征水平焊缝面积：Afl=0.7102230+(23010) =6300mm 竖向焊缝面积： Af=0.7102 (80015) =10990mm总面积：Af=10990+6300=17290mm焊缝惯性矩：Ix=0.7102400153.522304003.52220112800153=1612531171mm4 水平焊缝绕自身轴惯性矩很小，计算时忽略Wx=Ixy=1612531171400157=3821164mm33) 验算最危险应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。在剪力V作用下 fv=V Af=372.89100010990=33.93N/mm2在弯矩M作用下，产生a点应力faM=M Wx=750.451063821164=196.393N/mm2b点应力fbM=Mh0 Wxh=750.45106400-7382116440021=183.331N/mm2满足要求四 设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点1. 连接处内力计算由于工地拼接时，预先将长为0.9m的主梁与柱子焊接，由主梁在各种不利荷载组合下内力图可知，在距柱子0.9m处的最大内力为：M=453.91KNm V=372.89KN则梁的毛截面惯性矩 Ix=1672229167mm4腹板毛截面惯性矩 Iwb=112108003=426666667mm4翼缘毛截面惯性矩 Ifb=Ix-Iwb=1672229167-426666667=1245562500mm4翼缘所承担的弯矩 Mf= Ifb IxM=12455625001672229167453.91=338.1 KNm 腹板所承担的弯矩 Mw= Iwb IxM=4266666671672229167453.91=115.81 KNm2. 高强螺栓的选择以及孔径的确定选用10.9级的摩擦型高强螺栓M20，起孔径为21.5mm，在连接处的构件接触面的处理方法为喷砂时，其抗滑移系数=0.45 预应力P=155KN 3. 高强螺栓拼接板的选择及其强度验算一个高强螺栓摩擦型连接的抗剪承载力设计值为：Nvb=0.9nfP=0.920.45155=125.55KN翼缘盖板螺栓上受到的内力为通过螺栓群中心线的轴力Nf=Mfh=338.10.8=422.625KN 故n=NfNvb=367.338125.55=3.366 取一个高强螺栓摩擦型连接的抗拉承载力设计值为：Ntb=0.8P=0.8155=124KN螺栓端距d1:2d0d14d0 有40mmd180mm螺孔中距d2:3d0d28d0 有60mmd2160mm 翼缘外侧拼接板厚度 t1=12t3=0.5153=10.5mm选用钢板：145025010翼缘内侧连接板宽度b=250-102=120mm厚度：t2=tfbf4b4=1525041204=11.8mm t2=twbf2b4=1025021204=10.4mm 故取t2=12mm选用钢板：245012012上述计算表明螺栓强度满足，可不必进行验算翼缘拼接采用八个M22螺栓腹板两侧连接板厚度：t=twbw2h1=1080025001=9mm选用钢板：310600600在腹板拼接板每侧设置两列螺栓，每侧用12个10.9级M20摩擦型高强螺栓。连接处的分析简图如下图所示：M=MwV551000.5)= 115.81372.8910510-3=154.96KNm螺栓的最大内力为N1xM=My1r2=My1xi2yi2=154.9610625012502450241502+42502=101.95KNN1yM=Mx1r2=Mx1xi2yi2=154.961065012502450241502+42502=20.39KNN1yV=Vn=372.8912=31.07KN由M、V的方向可知，右上角螺栓A受力最大，为：N1=N1xM2+N1yMN1yV2=101.952+20.3931.072=115.09KNNvb=125.55KN满足要求。4. 验算钢板净截面强度1） 翼缘板验算翼缘板所受的轴力：N=N-Mfh-t=338.1800301510-3=414.85KN=NAn=414.851032898=143.15N/mm2215 N/mm22） 腹板验算对并列螺栓，净截面比净截面大，所以只需验算净截面。An=1080061021.56710mm2In=80031012-221.51250215022502=381516667mm4Wn=Inh2=38151666740021907583mm3Sn=80021081221.550+150250=683900mm3正应力Mw=MwV5510-3=115.81372.895510-3=117.67KNmn=MwWn=117.671061907583=61.69 N/mm2fd215 N/mm2剪应力max=SnVInt=372.8910368390038151666710=66.84 N/mm2fv125 N/mm2满足要求。五 次梁与主梁的连接1.设计参数设高强度螺栓采用10.9级M22,孔径，螺栓预应力P=190kN;在连接处的构件接触面的处理方法为喷砂时，其抗滑移系数=0.45 预应力P=190KN 次梁腹板t=13mm,;焊缝：角焊缝;2.设计假定次主梁为简支连接次梁支点在主梁的中心线上，连接螺栓和连接板和连接板除承受次梁的剪力外，尚应考虑由于连接偏心所产生的偏心弯矩作用。3.设计计算螺栓布置安装缝隙f15mm螺栓至连接板端部； 取=580mm设螺栓每排数目n=5个，螺栓间距a=（580-100)/4=120mm4.螺栓抗剪验算单剪摩擦面数目单螺栓抗剪承载力设计值在偏心弯矩作用下，边行受力最大的一个高强度螺栓所受的剪力为：在剪力和偏心弯矩共同作用下，边行受力最大的一个高强度螺栓所受的剪力为：5.主梁加劲肋厚度6.主梁加劲肋的连接焊缝计算按构造求角焊缝焊脚尺寸取7.验算焊缝强度焊缝长度8.验算次梁腹板外伸处的强度9.验算次梁腹板外伸板件的拉剪撕裂设计体会通过这一次的露面结构的设计，让我真正的接触到了设计过程中的一个个环节。以前在学习钢结构基本原理的时候，只是把其当成一门理论课来学习。只是机械的记公式，做题目。然而，在实际的设计过程中，让我感受到了设计与理论计算不同的地方。在实际的设计中，是环环相扣，一层不落。也正是这些原因，才体现出，理解并且把知识只是融会贯通是多么的重要。其实在此次的课程设计中，遇到了一系列的问题。最难的就是要依次讨论分析次梁，主梁的受力。在计算主梁的受力情况是收到了很大的阻力。因为，主梁不像次梁可以把其当做简支梁计算，而应该按固端连续梁计算。本来计算这样一个三跨梁就很麻烦，更不必说要讨论好几种承载情况找最不利荷载了。一开始是手算，不过一种情况也没有算出来。最终，从网上下载了一个求解软件，然后用其进行内力计算就相对容易好多。其次是，子啊这次课程设计中，最晚一个部分，我就回过头来再检查一遍，总是能发现有计算错误。不是漏了什么，就是把跨度记错了。因为把主梁和次梁的跨度记错就导致修改了好几次。不过，最终还