单层平面钢框架结构设计

1、单层平面钢框架结构设计一、前期工作1.1 总体思路首先， 根据钢结构基本原理课程研究设计说明书所给出的的单层平面钢框架结构图， 小组内共同讨论分析了结构的各个构件，并且进行组内分工协作，分别研究各结构之间的连接等等，找出各部分结构所需的技术方法和涉及到的知识点，随之在课本中找到相应部分的内容，我们在查找过程中发现课本中对铰接、刚接柱头设计的内容介绍的很少，于是去图书馆借资料和相关书籍。经过大家的多番讨论，我们整理出了两种设计方案及可行性措施。然后我们将设计方案拿给指导老师审核，老师给出建议和指导后， 我们不断的思考讨论和修改， 最终确定出了一种更合理的设计方案，给指导老师审核通过后，我们开始进

2、行下一期工作。1.2 项目内容本小组研究的主要内容有： 结构分析计算与截面选择、 钢结构构件连接的设计、钢结构轴心受力构件的设计、钢结构受弯构件的设计、钢结构压弯构件的设计。我们所设计的钢框架为超静定结构，因此不能直接根据结构件所受的外力来确定框架的内力图，而是需要根据钢结构设计要求，初步选定截面尺寸，确定各个构件的抗弯刚度EI ，然后根据结构力学的知识，用力法解超静定方程，从而可以求解出其轴力图、 剪力图和弯矩图， 据此对轴心受压柱、 受弯柱和压弯柱分别进行强度、刚度和稳定性的验算，若有一项不符合，则需重新选取截面，再次进行内力的计算，直至所有构建均满足强度、刚度和稳定性的要求。1.3 可行

3、性分析初步拟定的方案存在较大缺陷。 三根构件分别为轴心受力构件、 受弯构件和压弯构件， 由于受力性质的不同， 各构件对于强度、 刚度和稳定等方面的要求不尽相同，因此抗弯刚度的大小相差也较大，一开始假定的三根构件的抗弯刚度相等显得非常不合理。 后续的截面选取和验算工作可能会十分复杂， 需要多次选取才能获得合适的截面，影响之后的柱头和柱脚的设计与计算。因此可行性较低。第二个方案中， 先根据经验假定各构件的抗弯刚度， 再带入整体验算， 显得较为灵活，有利于减少选取截面的时间和修改的概率。因此可行性较高。1.4 实施计划本组成员共有 8 人，分为四个小组， 两人一组，分别进行” 轴心受压柱的设计” ，

4、”受弯梁的设计” ，”压弯柱的设计” ，”梁与柱的连接以及柱与基础的连接” 。首先第一步进行的是轴心受压柱的设计， 由其所受的轴心压力选择合适的截面进行计算并验算其刚度与整体稳定性。第二步进行的是压弯梁的设计， 根据梁所受弯矩选择截面并验算其刚度与稳定性。同时进行轴心受压柱柱头与柱脚的设计。第三步进行压弯柱的设计， 由其所受轴心压力与弯矩选择合适的截面并进行强度，刚度与稳定性的验算。第四步进行的是刚接柱头与柱脚的设计，完成整个平面框架的设计。1.5 预期成果虽然初步拟定的方案可行性较低，但是其仍然存在着可行性的，若通过假设三个构件采用的同一个抗弯刚度EI ，进行内力分析，截面选取，强度刚度与稳

5、定性的验算， 若初步拟定的方案可行，则采用此种方案，若不可行， 则采用第二种方案，重新假定这三个构件的抗弯刚度 EI 1、 EI 2、 EI 3，然后再进行内力分析，截面选取，强度刚度与稳定性验算，成功的选出轴心受压柱，梁，压弯柱所需型钢。二、项目分析设计2.1 初选截面经过多次选择，最终选定截面：轴心受压柱：热轧型HW175 1757.5 11受弯构件：热轧型HN350 175 711压弯柱：热轧型HW200 2008122.2 内力分析与计算根据初选截面，可得出I 2x=12980cm4I 3X=4717cm4此结构为一次超静定结构，将（ 1）柱断开， 再加一对轴力 X，得到静定体系 （如

6、图），分别求出轴力 X1，外力 F，均布荷载 q1 和 q2 的弯矩图以及轴力和剪力图。列一次超静定结构方程：11X11p0111(6616 2 )1(664)EI 223EI 372144EI 2EI 31(36006124591631 p226)EI 23441(3600464594 640 416)EI 3446298 .2597176EI 2EI 3带入公式（1）得46298.2597176X1I 2I 372144I 2I 3带入数据得， X1=669.94 kN2.3 轴心受压柱设计（ 1）选用热轧H 型钢 Q235计算长度 loxl oy359.45cm设 =60（ b 类），查

7、附表4.2 ，=0.807AN669.94 10338.62cm2f 0.807215 102i xlox359.455.99cmi y60选用 HW175×175× 7.5 ×11A51.43cm2 , ix7.53cm, i y4.37cm（ 2）截面验算x359.4547.74150y7.53359.454.3783.25150x, y轴的值均属 b类截面，由y82.25得 :0.673N669.94 103193.6N / mm2f 215N / mm2A0.673 51.43 102因为选用热轧型钢，局部稳定与强度可不验算2.4 受弯构件设计（ ）假设梁

8、的自重为 0.5kN/m ，b0.61则 WxM x95.97106743 103 mm3b f0.6215（ 2）选用 HN 350175711 ， Wx 741.7cm3，自重与假设相符截面 i y3.95cm ， A62.91cm2， I x12980cm4（ 3）由于试选截面时，整体稳定系数是参考普通工字钢假定的，对H 型钢应按下式计算l1t16000 111.0772b1h175350b0.690.131.0770.830yl1600152i y3.95求得稳定系数：4320Ahyt12bb12352Wx4.4hf yy20.83432062.913511521.1235152274

9、1.74.435235'b0.6780.60.2821.070.6540.678（ 4）整体稳定验算：M x95.97 106197 215 fb'Wx0.654 741.7 103整体稳定满足（ 5）刚度验算：vM xl95.97 106 60001vT1l10EI x10 206 103 12980 104464l400刚度满足由于型钢腹板较厚，不必验算抗剪强度，且宽厚比较小，不必验算局部稳定2.5 压弯构件设计根据规定150又根据l0i x所以 i xl 0400l04002.67cm i y2.67cm150150所以根据附表7.2型钢表给出的热轧H 型钢，经过多次选取

10、选用 H型 200×200A 63.53cm2 , I x4717cm4，I y1601cm4， i x 8.62cm，i y5.02cm，Wx 472cm3N = 280.06kN , M = 39.36kN ?mI 213017.2l 2根据K1600 1.64I 35266.3l3400查表 6.7 ，得到1.17（1）验算强度：NM x280.0610339.36 106AnxWnx63.531021.05 472 103123.48N / mm2f215N / mm2（ 2）验算弯矩平面内的稳定:xl01.17 40054.29150i x8.62查表附表4.2 ，0.86

11、3xNEx'2 EA2 206 103 63.53 1023.98 106 N1.1 2x1.1 54.292mx1.0Nmx M x280.06 1031.039.36 10 6x Ax M x 10.8 N0.76763.53 10 21.05 472 1031 0.8 280 .06103N Ex'3.9810 657 .4786 .97141 .63 N / mm 2215 N / mm2（3）验算弯矩作用平面外稳定：400y79.681505.02查附表4.2 ， y0.6962f y79.682y0.9261.0b1.072351.0714400044000所计算构

12、件为结构右端压弯柱，有端弯矩和横向荷载作用，但使结构产生同向曲率，故取 tx1.0, 另1.0Ntx M x280.06 10339.69 10663.33 90.03 153.36 215N / mmx AbW1x0.69663.53 1020.926 472 103（由以上计算知，此压弯构件是由弯矩作用平面外控制设计的）（4）局部稳定验算：maxNM xh0280.06103AI x263.53102minNM xh0280.06103AI x263.531020maxmin117.1228.96117.12max腹板：h0176221600.5x25tw8翼缘： b1004813t123

13、9.361068824717104117.12N / mm39.36106882471710428.96N / mm1.251.62351.250.553.362571.6816f y2.6 铰接柱头设计1、梁端设置支承加劲肋：C157235105mmf y（ 1）支承加劲肋在腹板平面外的稳定Z 轴惯性矩 I z1217.53 110.50.73893.5cm48.94 102 cm41212A42.35cm2i zI z14.53cmAh032.82.3iz14.53b 类截面，查附表4.2得： =1F(669.94600)1032f 215N / mm2A142.3510216.51N /

14、 mm（ 2）端部承压强度查附表1.1 可知， fce325N / mm2F69.94103fce2ceAce1752019.98N / mm325N / mm（ 3）支承加劲肋与腹板的连接焊接，焊条使用E43查附表1.2可知， f fw160N / mm2hf max1.2t1 1.278.4mmhf min1.5 t1.5206.8mm,取 h f8mmF69.9410319.16N / mm2f fw160N / mm22 0.7hf lw20.78(32816)所以该加劲肋满足要求。2、在柱腹板处设置纵向加劲肋：在柱端设置柱顶板，则柱顶板取面积为21521546225mm2设焊脚尺寸

15、h f10mmN69.9410312 条侧焊缝长度lw2231.23mmw0.710 160he f f则 1 条焊缝长度 l wl w15.6mm ，取 lw'100mm2所以加劲肋尺寸为h100mm , bs( 2157.5 ) 103.75mm2t sbs103.756.92mm ，所以 t s 取 10mm1515（ 1）加劲肋在腹板平面外的整体稳定y 轴惯性矩 I y1110384cm412A100101000mm210cm2i yI y842.9cmA10yl0103.5i y2.9查附表 4.2 得：0.999(b类 )F69.94103122235N / mmf 215

16、N / mmA0.9991010 2（ 2）侧面角焊缝强度验算Nb69.94103100M221748500 N mm22M6M6 174850074.94N / mmf2helw220.7 10 1002WN69.941032f2 0.71049.96N / mm2helw100274.942ff2(49.96)279.18N / mm f fw160N / mm2f1.222.7 铰接柱脚设计N=669.94kN，选用 Q235钢，焊条E43 型采用 C15 混凝土， fc7.5N / m（ 1）底板尺寸AnN669.94 10393047 .2mm2f7.2采用宽 300mm，长 450

17、mm的底板，毛面积2A=450× 300=135000mm减去锚栓孔面积2（ 4000mm） , 大于所需净面积PN699.941035.2N / mm2基础对地板的压力为A1350004000底板的区格有三种，如图所示放置，现分别计算其单位宽度的弯矩区格为四边支承板 b1751.17 ，查表 4.7 ， =0.0606a150M 1pa 20.06065.215027090.2N mm区格a 1751750.43，查表 4.7， =0.0462为三边支承板 b1M 2pa120.04625.2 17527357.35N mm区格为悬臂部分M 31 pc215.252.527166.

18、25Nmm22这三种区格的弯矩值接近，不必调整底版平面尺寸和隔板位置，最大弯矩为M max7357.35 N mm底板厚度6M max6 7357.35mmt21514.33f取 t=20mm（ 2）隔板计算将隔板视为两端支于靴梁的简支梁，其线荷载为11505.2780N / mm隔板与底板的连接（考虑一条）为正面角焊缝，强度计算f1.22 ，取 hf8mm，焊缝f780175114.17N / mm2f fw160N / mm21.220.78175隔板与靴梁的连接（外侧一条焊缝）为侧面角焊缝所受隔板的支座反力R117568250 N7802设 hf8mm，求焊缝长度l wR682500.7

19、hf f fw0.776.18mm8 160取隔板高 100mm,设隔板厚度 t=10mm>175/50=3.5mm 验算隔板抗剪弯强度VmaxR68250 N1.5 Vmax1.568250102.4N / mm2f v 125N / mmht10010M max1780 175229.86 105 N mm8M max6 29.86 1052f215N / mm2W101002179.16N / mm（ 3）靴梁计算靴梁与柱身的连接（ 4 条焊缝）按承受柱的压力N=669.94kN 计算，此焊缝为侧面角焊缝，设 hf10mm，求其长度l wN669.94 1030.7hf f fw4

20、 0.7149.54mm410 160取靴梁高 200mm设靴梁厚 t=10mm，验算其抗剪抗弯强度Vmax68250 62.5 5.2 137.5 112937.5N1.5Vmax1.5112937.584.7 N / mm2fv125N / mm2ht200 10M max6 73.38 105100.07 N / mm2f215N / mm2W102002靴梁与地板的连接焊缝和隔板与地板的连接焊缝传递全部柱的压力，社焊缝的焊脚尺寸均为 hf10mm，则669.94103l w0.710491mm1.22160显然，焊缝的实际计算已超过此值柱脚与基础的连接构造采用两个20mm的锚栓。2.8

21、 刚接柱头设计1. 计算长度：取焊脚尺寸 h f10mm ，槽口取 10mm长焊缝长度：l w139.3610655.3mm200mm35011185l w239.3610646.6mm200mm35011215l w380.06103328mm20.71036mm160所以焊缝都符合要求2. 加劲肋的验算：上下两衬板对应处各设置一加劲肋， 上部加劲肋受拉， 下部加劲肋受压， 所以只需验证下部加劲肋。加劲肋尺寸： bsh0401764045.9mm取 bs100mm3030bst s6.7mm且 ts11mm .取 ts20mm.取 h175mm15（ 1）加劲肋在腹板平面外的稳定c15t w

22、235120mmf yI z112 20.83121032 3.34102 cm41212A122 0.8210259.2cm2i zI z2.38cmAh020 1.227.4i z2.38查表得：0.9965 （ b 类）6N压M39.361011.2104 Nh350N压11.2104222A2 0.9965 59209.5N / mm f215N / mm（ 2）局部承压强度验算查附表 1.1fce325N / mm2N 压M39.3610 611.2104 Nh350N 压11.210412228 N / mm2f ce 325 N / mm2ceAce20 100（ 3）加劲肋于腹

23、板的连接焊缝查表 f fw160N / mm2 ，取 h f8mmN 压11 .210 4262.5 N / mm2w160 N / mm22 0.7 h f l w220.78(176f f2 8)所以该加劲肋符合要求2.9 刚接柱脚设计(1) 刚接柱脚的设计与验算支座反力 N280.06kNM0.64kN m底板悬伸长度c40mm靴梁厚度 t 10mm底板宽度 b200 210230280mm280.0610360.64106max280l 2f c280ll123.5mm取 b280mml558mmmaxminN6M2blbl 21.83N / mmN6M1.75N / mm2blbl

24、211.82N / mm221.80N / mm231.78N / mm2(2) 底板的区格有三种，现分别计算其单位宽度的弯矩区格为四边支承板b2001.08a186查表得0.0536M 11a 20.536 1.82 18623374.9N mm区格为三边支承板b1930.465a1200查表得0.0511M 2max a120.0511 1.8320023740.52N mm区格为悬臂部分M 3 1max (c10) 211.83 302828N mm22取最大弯矩6M max63740.52mmM max3740.52N mmtf21510.2故取底板厚为20mm隔板计算隔 93 2 1

25、.83 340.38N / mm2取 hmm，340.82002w2f49.8N / mmf f160 N / mmf80.782001.22N80 .0610 31226 .79f215 N/ mm2A0 .99655920R1 342.420034224 N设 hf8mm2l wR3422438.2mm取 h200mm，f fw0.781600.7hf设隔板厚 t10mmb2004mm5050（ 3）验算抗弯抗剪强度：VmaxR34224 N1.5 Vmax1.53422425.7N / mm2fv125N / mm2ht20010M max1342.2420021711200 Nmm8617.112 10525.7N / mm2f215N / mm210200 2（ 4）靴梁NM280.061030.641