中南大学钢结构课程设计-钢框架主梁设计

1、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计算书题 目：钢框架主梁设计姓 名：李龙祥班 级：土木1109班学 号：建筑工程系一、设计任务某多层图书馆二楼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5KN/m2，楼面板为150mm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。（1）设计次梁截面CL-1。（2）设计框架主梁截面KL-1。（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）

2、绘制主梁与柱连接节点详图，短梁段及梁体连接节点详图，短梁段与梁体制作详图，KL-1钢材用量表，设计说明(1#图纸一张)。（6）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。二、次梁的设计2.1楼板荷载的估计混凝土自重：25KN/m3 厚150mm 总厚度：33mm单位重量：0.65kN/m2地砖面层：10mm厚地砖 3mm厚水泥胶结合层 20mm厚水泥砂浆找平层底粉刷层：15mm厚白灰砂浆17KN/m3 合计：楼板恒载标准值 3.75+0.65+0.255=4.655KN/m2楼面活载标准值 5KN/m22.2次梁荷载的设计（自

3、重暂不考虑）楼面板传恒载 楼面传递活载 由可变荷载效应控制的组合 由永久荷载效应控制的组合所以荷载设计值q=56.64KN/m2.3次梁所受最大弯矩与剪力设计值次梁架于主梁之上，相当于简支结构，计算简图如下图：次梁计算简图2.4初选次梁的截面尺寸2.4.1梁高的确定由于设计荷载时未考虑钢梁自重，考虑安全因素，可取： 则次梁所需的截面抵抗矩：梁的最小高度（按最大挠度限值确定）： （上式中取Q235钢的抗弯强度设计值=215N/mm2,E=206103N/mm3和=250。）梁经济高度经验公式所以取腹板高度 加翼缘厚度可使梁高度满足上述要求。2.4.2腹板尺寸的确定腹板高度取则腹板厚度：抗剪强度要

4、求： 式中取Q235钢的=125N/。局部稳定和构造因素： 取=10mm，则腹板可选用65010。2.4.3翼缘板尺寸的确定根据翼缘所需要的截面惯性矩确定翼缘板尺寸： 考虑翼缘板的局部稳定性和构造要求，近似取 即 由、两式可得： 取b=300mm 取t=12mm则翼缘板可选用30012。初选次梁截面如右图：初选次梁截面图2.5次梁整体稳定的验算2.5.1截面几何特性截面积 惯性矩 截面模量 对y轴的回转半径 梁在侧向长细比 由于，则： 次梁自重标准值：（用Q235钢材） 次梁自重设计值：次梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力： 2.5.2整体稳定性验算 整体稳定不能满足要求，需要加大截面

5、。腹板选用65012翼缘选用32016截面几何特性截面积 惯性矩 截面模量 对y轴的回转半径 梁在侧向长细比 由于，则：次梁自重标准值：（用Q235钢材） 次梁自重设计值：次梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力： 整体稳定性验算 此时次梁整体稳定满足要求。2.5.3局部稳定性验算 故次梁不会发生局部失稳，不需要设置加劲肋。 2.5.4抗弯强度验算故抗弯强度满足要求。2.5.5抗剪强度验算剪力全部由腹板承担 故主梁的抗剪强度满足要求。2.5.6刚度验算 故满足刚度要求。终选次梁截面如右图：次梁截面图三、设计框架主梁KL-13.1荷载分析3.1.1主梁的受力分析主梁受自重恒载、次梁传递的集中

6、恒载、次梁传递的集中活载。其中边缘主梁受力是主梁受力的一半。则以主梁进行研究设计。主梁按多跨连续梁设计，计算简图如下图主梁截面尺寸待定，因此先不计主梁自重荷载。则主梁跨中所受集中荷载设计值：集中恒载：集中活载：3.1.2荷载的组合情况由于此结构具有对称性，故仅对以下六种荷载情况进行分析：仅次梁传递集中力恒载时仅（1）跨有集中活载时仅（2）跨有集中活载时（1）（2）跨有集中活载时（1）（3）跨有集中活载时（1）（2）（3）跨都有集中活载时3.1.3内力计算仅次梁传递集中力恒载时仅（1）跨有集中活载时仅（2）跨有集中活载时（1）（2）跨有集中活载时（1）（3）跨有集中活载时（1）（2）（3）跨都有

7、集中活载时各跨挠度表编号（1）跨（2）跨（3）跨3.50.63.55.3-1.70.56-1.74.2-1.73.52.5-1.15.9-3.45.94.60.74.6表中单位为mm，挠度先下为正向上为负。由和其它情况弯矩的叠加可得跨中最大弯矩的产生为+时由和其它情况弯矩的叠加可得支座处最大负弯矩的产生为+时由和其它情况剪力的叠加可得剪力最大的产生为+时（在支座B左侧）由和其它情况挠度的叠加可得挠度最大的产生为+时故由以上计算知： 最不利弯矩为： 最不利剪力为：3.2初选主梁的截面尺寸3.2.1梁高的确定由于设计荷载时未考虑钢梁自重，考虑安全因素，可取： 则次梁所需的截面抵抗矩：梁的最小高度（

8、按最大挠度限值确定）： （上式中取Q235钢的抗弯强度设计值=215N/mm2,E=206103N/mm3和=400。）梁经济高度经验公式所以取腹板高度 加翼缘厚度可使梁高度满足上述要求。3.2.2腹板尺寸的确定腹板高度取则腹板厚度：抗剪强度要求： 式中取Q235钢的=125N/。局部稳定和构造因素： 取=14mm，则腹板可选用80014。3.2.3翼缘板尺寸的确定根据翼缘所需要的截面惯性矩确定翼缘板尺寸： 考虑翼缘板的局部稳定性和构造要求，近似取 即 由、两式可得： 取b=360mm 取t=18mm则翼缘板可选用36018。主梁截面如右图：主梁截面截面几何特性截面积 惯性矩 截面模量 主梁自

9、重标准值：（用Q235钢材） 主梁自重设计值：主梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力近似按下式计算： 3.3主梁的验算3.3.1整体稳定验算： 将次梁作为主梁的侧向支撑，则故主梁的整体稳定不必验算。3.3.2局部稳定性验算 故次梁不会发生局部失稳,且不需设置加劲肋。3.3.3抗弯强度验算故抗弯强度满足要求。 3.3.4抗剪强度验算按剪力全部由腹板承担 故主梁的抗剪强度满足要求。3.3.5集中力作用处局部压应力验算由于a=320mm，则。即 满足要求，且不需要设置加劲肋。3.3.6刚度验算由上挠度组合可知所以主梁刚度满足要求。四、框架主梁短梁段与框架柱连接节点的设计：4.1 设计资料受力类

10、型：弯矩、剪力荷载数据：短梁和柱通过焊缝连接，短梁段长1m。由以上计算知，梁端最大弯矩和最大剪力分别为：M=772.2kNm，V=348.17kN。 主梁为组合工字型截面（），材料Q235钢，采用手工焊，焊条为E43型焊条采用角焊缝焊接。焊缝的强度设计值：截面尺寸和作用荷载如图所示。 4.2确定焊脚尺寸构造要求：手工焊接时： 由此可取：因为所以竖向焊缝长度取600mm,两端各分布300mm。计算截面特性时如下图：水平焊缝面积：竖向焊缝面积：总焊缝面积：水平焊缝绕自身轴的惯性矩很小，计算时忽略，全部焊缝对x轴的截面惯性矩近似地取： 4.3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

11、同承担弯矩。在剪力V作用下在弯矩M作用下，翼缘上边缘a点产生应力翼缘下边缘b点应力在弯矩、剪力共同作用下，焊缝最危险点为a、b两点。a点：b点：所以焊缝满足要求。五、设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点5.1高强螺栓的选择以及孔径的确定翼缘处的螺栓采用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，喷砂处理接触面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225kN5.2按构件材料的屈服强度作为高强度螺栓设计计算的依据5.2.1翼缘拼接的设计主梁翼缘材料Q235轴心受拉达到屈服极限时所能承受的力为梁翼缘连接所需的M20高强度螺栓数目取n=12翼缘盖板所能承受的轴向力最好和母材强度相当所以翼缘外侧盖板取36010600翼缘内侧盖板取两块16010600（考虑腹板厚度和焊缝宽度）5.2.2腹板拼接设计主梁腹板材料Q235轴心受拉达到屈服极限时所能承受的力为梁腹板连接所需的M24高强度螺栓数目取n=15腹板盖板所能承受的轴向力最好和母材强度相当所以腹板盖板可取52086205.3钢板净截面强度验