《钢结构基本原理》课程设计-某多层图书馆二楼框架书库

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任务书全套图纸加扣 3346389411或3012250582题 目：钢框架主次梁设计 指导老师：姓 名：班 级：土木工程1312班学 号：一、 设计资料工程名称：某多层图书馆二楼框架书库工程资料：结构采用横向框架承重，楼面活荷载标准值5.0水平向梁跨度为9m。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H600×300×12×18，层高3.5m。平面框架布置图如图

2、工程要求：（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）设高计次梁与主梁工地拼接节点，要求采用强螺栓连接。（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。二、 设计

3、参数混凝土自重： 120mm粉刷层： 15mm找平层： 20mm楼面活荷载的标准值： 5.0水磨石楼面： 钢材(Q235)强度设计值： 钢材(Q235)抗剪强度设计值：钢材(Q235)的弹性模量：三、 设计次梁截面CL-11. 设计荷载(1)恒载-标准层楼面（标准值）水磨石面层楼面粉刷 1.305找平层结构层：120mm 厚单向实心钢筋混凝土板 荷载标准值 (2)活载（标准值） 楼面活载标准值 5(3) 竖向荷载下框架的受力 a荷载标准值楼面板传恒载楼面传递活载 b荷载设计值 c最大弯矩与剪力设计值图2 2.确定次梁的截面尺寸由于设计初钢梁自重未知（考虑安全因素），故取： 次梁所需的截面抵抗矩

4、： Wnx=Mxfd=502.53×1061.05×215=2.226×106mm3=2226cm3选用热轧H型钢：HN6062011220 Ix=91000cm4 Wnx=3000cm3 A=153.3cm2 ix=24.4cmh=606mm B=201mm t1=12mm t2=20mmm=120kg/m 3.次梁验算次梁自重标准值：q= 12099.8=10584N/m次梁自重设计值: q= 1.212099.8=12700N/m次梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力: (1)整体稳定性验算 次梁在楼板的作用下不会发生平面外的失稳，故不必验算整体稳定性

5、 (2)局部稳定性验算 热轧型钢不必验算局部稳定性(3) 刚度验算max=5ql4384EIx=5×(17.22+20+10.58)×90004384×2.06×105×91000×104=21.78mm=l250=9000250=36mm>21.78mm 刚度满足要求 (4)抗弯强度验算max=MmaxxWnx=621.27×1061.05×3000×103=197.23N/mm2<f=215N/mm2故抗弯强度满足要求 (5)抗剪强度验算max=FsmaxSxIxt2=276.12

6、5;103×157764691000×104×20=23.94N/mm2<fv=125N/mm2抗剪强度满足要求四.设计框架主梁KL-11.设计荷载如图，板荷载传递给次梁，次梁传递给主梁。主梁受自重恒载、次梁传递的集中恒载、次梁传递的集中活载。以主梁进行研究设计。主梁截面尺寸待定，因此先不计主梁自重荷载。集中恒载： 集中活载： 截面内力的计算在主梁上的集中荷载分布一共有7种形式，根据对称性，独立不相同的荷载分布形式有5种。现利用矩阵位移法的PF软件分别计算其弯矩和剪力，并确定其中的最不利荷载位置及其大小。计算方法：采用矩阵位移法，利用PF程序进行电算。Ste

7、p1：确定坐标系，为节点、杆系编号。见图1. 图4重要说明：（1） ：图中假设（1）、（2）、（3）位置均有均布荷载Q，当计算不同情况下的荷载时，剩余位置设为0即可。如此，方便程序输入。（2） ：由于内力计算时与材料本身无关，故输入时E、I均可取为1.Step2:建立输入文件，按规定格式输入各参数。Step3:运行程序，输出结果。见3.1.3分析结果。3.1.3.结果分析 注意：依照矩阵位移法的正负号规定，截面上弯矩逆时针时为正，向上剪 力为正。情况一：第一种集中荷载在下图2： 图5弯矩图：图6剪力图为：图7情况二：荷载作用位置如下图图8弯矩图为：图9剪力图为： 图10情况三：受力情况为下图图

8、11弯矩图为：图12剪力图为：图13情况四：受力情况图为下图:图14弯矩图为：图15剪力图为：图16情况五：受力情况为：图17弯矩图为：图18剪力图为：图19表二：内力统计表情况最大弯矩（）最大剪力（）作用位置最大弯矩（）最大剪力（）情况一319.20151.20第一跨中336.00157.50情况二336.00126.00第二跨中情况三294.00144.90第二跨中情况四336.00157.50左右固端情况五252.00126.00全部跨中所以，由上表得出， 。恒载作用下的内力图20弯矩图：图21剪力图：图223.1.3主梁总体受力汇总1) 可以得到荷载最不利组合形式下，2) 恒载作用下的

9、内力为3) 故得到主梁的受力为：2确定主梁的截面尺寸：由于设计初钢梁自重未知（考虑安全因素），故取： 主梁所需的截面抵抗矩：Wnx=Mmaxxf=545.37×1061.05×215=2.4158×106mm3=2415.8cm3主梁选用焊接工字型钢（1） 确定腹板尺寸：（1）截面的最小高度hmin假设主梁的容许挠度值=l400，为了保证正常使用时梁的挠度不超过规范值，查找钢结构规范得：hmin=l15=533.3mm=53.3cm（2) 梁的最大高度 h=8000/8=1000mm=100cm梁的经验高度he和腹板高度hw为了满足经济要求，使得用钢量最小，按经验

10、公式计算得：he=73Wnx-30=732415.8-30=63.92cm参照以上数据，并考虑适当增大梁高以增加梁的刚度，取梁的腹板高度hw=75cm=750mm。腹板厚度tw根据最大剪应力为腹板平均剪应力的1.2倍时，计算得梁腹板厚度为：tw1.2Fsmaxhw=1.2Fsmaxhwfv=1.2×256.84×103750×125=3.29mm又按经验公式估算梁的腹板厚度为：twhw11=7.9mm参照以上数据，取梁的腹板厚度tw=10mm。 （2）确定翼缘尺寸：每个翼缘所需的截面面积： Af=Wnxhw-twhw6=bt=4620.8mm2试选翼缘板宽度b=2

11、80mm，则计算得翼缘的厚度t=16.5mm，所以取t=18.0mm。综上所述，取梁的截面如右图：图23 (3)主梁截面尺寸特征: （1）主梁截面的实际尺寸计算主梁的截面面积为：A=750×10+280×18×2=17580mm2主梁的截面惯性矩为：Ix=10×750312+280×18312×2+280×18×3842×2=1838191140mm4主梁的截面弹性模量为：Wnx=Ixymax=1838191140393=4677331mm3（2)主梁自重估算和内力计算主梁的自重标准值为： 主梁在自重作用

12、下的受力图和内力图如下：受力图图24弯矩图图25剪力图图26综上所述，主梁截面的最大弯矩值，最大的剪力值。3.主梁验算（1）主梁的抗弯强度验算max=MmaxxWnx=570.81×1061.05×4677331=116.22N/mm2<f=215N/mm2所以，主梁满足抗弯强度要求。（2）主梁的抗剪强度验算max=FsmaxAw=264.90×1037500=35.32N/mm2<fv=125N/mm2所以，主梁满足抗剪强度要求。（5）主梁焊缝验算：截面静矩为：S=280×18×384=1935360mm3正应力为：=MIxhw2

13、=570.81×10618381911407502=116.45N/mm2剪应力为：=FsSxIxtw=264.90×103×19353601838191140×10=27.89N/mm2折算应力为：zs=2+32=116.452+3×27.892=126.07N/mm2<1.1f=236.5N/mm2所以，主梁的焊缝应力满足强度要求。(4)局部应力验算： 次梁作用在主梁上，主梁受到次梁给予的集中荷载lz=201+5×18=291mm局部压应力c=Ftwlz=450.68×10310×291=154.87N/

14、mm2215N/mm2(6)折算应力验算：=FsSxIxtw=264.90×103×19353601838191140×10=27.89N/mm2=MIxhw2=570.81×10618381911407502=116.45N/mm2zs=2+c2-c+32=147.8N/mm2<1.1f=236.5N/mm2 (7)整体稳定性验算： 验算是否需要进行整体稳定性计算：lb=4000280=14.3<16故不需验算整体稳定性。 (8)局部稳定性验算：主梁翼缘宽厚比验算如下：b1t=13518=7.5<13235fy=13，满足要求主梁腹板

15、高厚比验算如下：hwtw=75010=75<80235fy=80，满足要求所以，主梁满足局部稳定性要求。综上所述，主梁满足稳定性要求。刚度验算：为了安全起见，把主梁的受力模型简化成简支梁，且以单跨主梁的跨中挠度来控制整根主梁的挠度，单跨主梁简化后的受力模型如下：图27计算得：跨中挠度为：=5ql4385EIx+Fl348EIx=4.9mm主梁的容许挠度为：=l400=8400400=21mm>=4.9mm综上所述，主梁的满足刚度要求。五、验算框架柱的承载能力 边柱验算： 强度验算 整体稳定性及刚度 弯矩作用在平面内：弯矩作用在平面外： 局部稳定性： 柱的局部稳定满足要求 综上所述框

16、架柱承载能力足够。 六框架主梁短梁段与框架柱连接节点的设计：1. 设计资料受力类型：弯矩、剪力（轴力较小忽略不计）荷载数据：短梁和柱通过焊缝连接，短梁长1m。由以上计算知，梁端最大弯矩和最大剪力分别为：，V=231.1kN。 焊缝的强度设计值：主梁为组合工字型截面（I786×280×10×18），材料Q235钢，焊条为E43型焊条采用角焊缝焊接。截面尺寸和作用荷载如图所示。图282. 连接计算连接采用沿全周施焊的角焊缝连接，转角处连续施焊，没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连接焊缝承担，不考虑工字形翼缘端部绕转部分焊缝的作用。设沿工字形梁全周角

17、焊缝的焊角尺寸为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： Ifx=2×0.7×10×112×7503+2×280-102×75022+280×78622=1629190080mm4 焊缝在最外面边缘“1”点处的截面抵抗矩：Wf=Ifx393=1629190080393=4145522mm3焊缝在腹板顶部“2”点处的截面抵抗矩：Wf=Ifx375=1629190080375=4344507mm3在弯矩作用下，角焊缝在最边缘处“1”点处的最大应力为：1M=MWf=228.86×10

18、64145522=55.21N/mm2在翼缘和腹板交接的角焊缝“2”点处的M与V的共同作用下的应力为：2M=MWfhwh=228.86×1064344507×350368=50.1N/mm2fv=V2×0.7×10×hw=231.1×1032×0.7×10×750=22N/mm2f=1.22,(fMf)2+(fv)2=46.59N/mm2<ffw=160N/mm2满足设计要求。7 设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点（采用高强 度螺栓）5.1 拼接点的内力计算取短梁段长度取1.0m已知：（梁自重）故

19、拼接点的内力为5.2梁翼缘板拼接设计(等强原则设计)说明：（1） 采用10.9级M16高强摩擦型螺栓，。（2） 接触面经喷砂后涂无机富锌漆,查找规范得摩擦面的抗滑移系数为：。连接采用与翼缘板等强的原则，双面拼接板，单侧拼接板为8mm,以保证其净截面积不小于翼缘的净截面积。按照构造要求每列布置4个螺栓，则所以可计算得翼缘板的净面积为：An=280-4×18×18=3744mm2翼缘板净截面面积所能承受的轴力为： 单个高强度摩擦型螺栓的抗剪承载力为：计算得拼接一侧所需的高强螺栓数量为：n=NNvb=AnfNvb=804.96125.55=6.41，取n=8取拼接板的跨度等于翼缘

20、的宽度，即为280mm。按构造要求，高强螺栓可配置如下图所示：图29所以，单块下拼接板的宽度为135mm。根据设计要求拼接板面积不小于翼缘板净面积，假定上下拼接板的厚度相等，可得：280t+262t3492，得t>6.5mm所以，取拼接板的厚度t=8mm。综上所述，翼缘拼接板采用8个10.9级的M20螺栓，单块拼接板的尺寸为：单块上拼接板：-280mm×8mm×360mm单块下拼接板：5.3梁腹板的拼接(1）高强螺栓配置高强螺栓选用10.9级的M20螺栓，根据螺栓配置的构造要求，具体配置螺栓如下：图30 5.3 腹板拼接计算说明：（1） 采用10.9级M20高强螺栓摩擦性连接，螺栓孔径取22mm.（2） 连接处构件接触面采用喷砂处理。梁的毛截面惯性矩和腹板的