中南大学钢结构基本原理课程设计优秀

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班 级： 土木*班 指导老师： * 姓 名： * 学 号： * 20*年*月目 录第一部分 课程设计题目 一、设计规范及参考书籍 3二、设计构件 3三、设计内容要求 4第二部分 设计计算过程一、结构简化 5二、设计次梁CL-1 5三、设计主梁KL-1 7四、设计框架主梁短梁段与框架柱连接节点 14五、设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点（采用高强螺栓） 16一、设计规范及参考书籍1、规范（1）中华人民共和国建设部. 建筑结构制图标准（GB/T501052001）（2）中华人民共和国建设部. 房屋建筑制图统一标准（GB/T500

2、012001）（3）中华人民共和国建设部. 建筑结构荷载规范（GB50092001）（4）中华人民共和国建设部. 钢结构设计规范（GB500172003）（5）中华人民共和国建设部. .钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）2、参考书籍（1）沈祖炎等. 钢结构基本原理，中国建筑工业出版社（2）毛德培. 钢结构，中国铁道出版社（3）王国周等. 钢结构原理与设计，清华大学出版社（4）罗邦富等. 钢结构设计计算手册（第三册），中国建筑工业出版社（5）李和华. 钢结构连接节点设计手册，中国建筑工业出版社二、设计构件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

3、值5（0509）、6（0510），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。三、设计内容要求（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）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

4、、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算。设计计算过程 一、结构简化1、次梁：次梁架于主梁之上可简化为简支梁，简图如下：2、主梁：忽略连续梁对框架主梁的荷载影响，只考虑次梁传递的荷载，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，将框架主梁简化为三跨连续梁。简图如下：二、设计次梁CL-11、设计荷载计算（1）恒载: 150mm单向钢筋混凝土楼板 gc=0.15m25N/m3=3.75KN/m2 （2）活载: 楼面活载标准值 qck=6KN/m2 则有 恒载标准值： qk恒=3.75kN/m24.5m=16.875kN/m 活载标准值：qk活=6kN/m24.5m=27kN/m荷载设

5、计值：q=1.2qk恒+1.4qk活=58.05KN/m 次梁中：最大弯矩设计值： Mmax=18ql2=1858.0592=587.76KN/m2最大剪力设计值： Vmax=12ql=1258.059=261.23KN2、截面选取若次梁厚度h16mm,则其截面模量为： Wx=Mmaxxfd=587.761.05215=2603588.04mm3可根据截面模量选取次梁，选用 Q235 热轧轻型工字梁 I65，其截面特征为：Ix=101412cm4 Wx=3120.4cm3 Sx=1809.4cm3 IxSx=56.05cmA=152.80cm2 h=650mm b=200mm t=19.2mm

6、 r=22.0mmtw=12.0mm r1=9.0mm =119.94kg/m3 考虑梁的自重： q1=58.05+1.2g=58.05+1.2119.949.810-3=59.46kN/m 最大弯矩：Mmax=18q1l2=1859.4692=602.03kN/m2最大剪力：Vmax=12q1l=1259.469=267.57kN3、强度验算（1）抗弯强度验算=MxxWx=602.031061.053120.4103=183.75N/mm2fd=215N/mm2满足要求.（2）抗剪强度验算=VSxtwIx=267.5710312.056.0510=39.78N/mm2fd=215N/mm2满

7、足要求. （3） 支座处局部压应力验算支反力为267.57kN，假定支承长度为，由上次梁截面常数， t=19.2mm r=22.0mm，有 hy=r+t=19.2+22.0=41.2mm集中荷载在腹板计算高度上分布长度为： lz=a+5hy=170+541.2=376mm局部压应力：c=Vtzlz=267.5710312.0376=59.30N/mm2fd=215N/mm2 满足要求。 （4）支座处折算应力验算：2+c2-c+32=183.752+59.302-183.7559.30+339.782=176.44N/mm2fd=215N/mm2 可知折算应力满足要求。（5）刚度验算wl=5qk

8、l3384EIx=559.30900033842.06105101412104=2.6910-3wl=1250=410-3 可知刚度验算满足要求。（6）稳定性验算 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，故不用验算次梁的整体稳定性。（7）局部稳定性 由于选择的是工字型钢，不许验算局部稳定。三、设计主梁KL-11、设计荷载计算集中恒载标准值： Gk=15.00+1.04149=144.37kN集中活载标准值： Gk=24.009=216kN集中恒载设计值： G=15.00+1.041491.2=173.25kN集中活载设计值： Q=24.0091.4=302.

9、4kN（注：主梁截面尺寸待定，因此先不计入主梁自重荷载。）荷载分析：此结构具有对称性，仅对以下六种具有代表性的荷载在形式进行分析：（1）次梁传递集中力恒载（2）连续梁受满布活载（3）1跨受满布活载（4）2跨受满布活载（5）1、2跨受满布活载（6）1、3跨受满布荷载 2、不同荷载组合下的内力图 (注：以下内力图由Structural Mechanics结构力学求解器求得) A:（1）+（2）B:+C:+D:+E:+由以上图可知： 最不利弯矩为： Mmax=756.63kN/m2 最不利剪力为： Vmax=-316.73kN3、 界面选取设计初钢梁自重未知，考虑安全因素，取： M=1.02Mmax

10、=771.76主梁所需的截面抵抗矩： Wx=Mxfd=771.761061.05215=3.42106mm3选用工字形截面，则：（1）确定腹板尺寸： 腹板高度：主梁最小高度（由最大扰度限值确定）=l400=9000400=22.5mmhmin5fl31.2El=52159000231.22.0610520=677.39mm 主梁的经济高度： he=73Wx-300=754.65mm 取腹板高度： hw=760mm 由抗剪强度要求 tw1.2Vmaxhwfv=1.2316.73103760125=4.01mm由局部稳定性与构造要求 tw=hw3.5=7603.5=7.88mmtw=7+0.003

11、hw=7+0.003760=9.28mm综上，取tw=10mm 选用腹板 76010 （2）确定翼缘尺寸： 每个翼缘所需的截面面积Af=Wxhw-twhw6=3.42106760-107606=3233.33mm2 翼缘板的宽度： bf=Aft=3233.3315=215.56mm bf=15,13h=15,13760=(152,253.33)mm 综合上述取： bf=290mm tf=14mm （3）主梁截面尺寸特征：惯性矩： Ix=bfh312-(bf-tw)h0312=290760+142312-280760312=1.582109mm4截面模量：Wx=Ixh/2=1.582109788

12、/2=4015407mm3 面积： A=227014+76010=15160mm2（4）确定焊缝尺寸 ffw=160N/mm2 V=Vmax=316.73kNS1=29014380=1542800mm3hf11.4ffwVS1Ix=316.7310315428001.41601.582109=1.38mmhfmax1.5tmax=1.514 =5.61mm hfmax1.2tmin=1.210=12mm 取。钢结构在焊接时焊条采用E43系列，焊接方法为手工焊。4、主梁验算主梁自重标准值：（用Q235钢材）q自=227014+7601010-67.859.8=1.17kN/m 主梁自重设计值：

13、q=1.2q自=1.40kN/m 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： Mmax1=Mmax+18ql2=756.63+8.505=765.14kN/m2Vmax1=Vmax1+q1l2=316.73+7.56=324.29kN （1） 整体稳定验算： 将次梁作为主梁的侧向支撑，则l1b=4500290=15.5216235fy=16故主梁的整体稳定不必验算。（2）局部稳定性验算翼缘处：bt=14014=1015235fy=15腹板处：hwtw=76010=76114235fy=114 故次梁不会发生局部失稳。 （3） 刚度验算 =1.146Gl3100EIx+1.61

14、5QL3100EIx=1.146144.37103900031002.061052.532109+1.615216103900031002.061052.532109=7.188mml400=9000400=22.5mm 故满足刚度要求。 （4）抗弯强度验算=Mmax1xWx=765.141061.054015407=181.48N/mm2fd=215N/mm2 故抗弯强度满足要求。（5）抗剪强度验算： =VmaxSxtwIx=324.2910337578001.58210910=73.34N/mm2fv=125N/mm2 故主梁的抗剪强度满足要求。（6）局部压应力c=Ftwlz=324.56

15、10310166+221+514=116.74fv=125N/mm2 故局部承压满足要求，且不需要设置支承加劲肋（7）折算应力： 翼缘与腹板相接处计算折算应力1=h0h=760760+214181.48=175.03N/mm2=VmaxSxltwIx=324.5610319780001.58210910=40.58N/mm2zs=12+c2-c+312=175.032+116.742-175.03116.74+340.582=169.62N/mm26mm hft-12=14-12=1213mm t为较小板件的厚度。 最小焊脚尺寸，规范规定： hf1.5t=1.530=8.2mm t为较厚焊件厚

16、度 由上，取焊脚尺寸 hf=10mm 全部剪力由腹板的连接焊缝承担 hfVS1.4ffwIx=324.2910319780001.41601.582109=1.810mm 满足条件（2）焊缝截面特征水平焊缝面积： Afl=0.7102290-20+(290-20-10)=7420mm2竖向焊缝面积： Af=0.7102760=10640mm2焊缝总面积： Af=Af1+Af=18060mm2焊缝惯性矩： Ix=0.7102270380+142+2603802+1127603=1.625109mm4水平焊缝绕自身轴惯性矩很小，计算忽略Wx=Ixy=1.625109380+14=4123215mm

17、3（3）验算最危险点剪力V作用下 fv=VAf=324.2910310640=30.48N/mm2弯矩作用下 a点应力faM=MWx=631.261064123215=153.10N/mm2b点应力fbM=MWxh0h=631.26 1064123215760788=147.66N/mm2在弯矩和剪力共同作用下，a,b为最危险点a点： faM=153.10N/mm2fffw=1.22160=195N/mm2b点：fbMf2+fv2=147.661.222+30.482=124.81ffw=160N/mm2 满足要求五、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）1、计算螺栓连接处的内

18、力（1）由集中荷载产生的固端弯矩 取短梁段长度为1.0m,由计算得主梁在各种不利荷载组合下的内力图可知，距柱1.0m的短梁处，最大内力为：弯矩：M1=Mmax=631.26kNm V1=Vmax=316.73kN M01=M1-V1a=631.26-316.73=314.53剪力：V01=V1=316.73kN（2）由均布荷载产生的固端弯矩 M2=Mmax1=0.100gl2=0.1002.34692=19.003kNm由均布荷载产生的端部剪力： V2=Vmax1=0.600gl=0.6002.34692=12.668kNm 均布荷载在1.2m处产生的内力计算如下： 弯矩： M02=M2-V2

19、a-12gl2=5.612kNm 剪力： V01=V2+ga=10.322kN（3）由集中、均布荷载叠加所得的弯矩剪力 弯矩： M0=M01+M02=314.53+5.612=320.14kNm 剪力： V0=V01+V02=316.73+10.322=327.05kN（4）弯矩分配采用精确设计的方法，即弯矩由翼缘和腹板共同承担，剪力仅由腹板承担，翼缘承担的弯矩和腹板承担的弯矩，二者按刚度成比例分配：梁的毛截面惯性矩：Ix=1.625109mm4腹板毛截面惯性矩：Iwb=10760312=365813333mm4翼缘毛截面惯性矩：Ifb=290214312+214290(380+7)2=121

20、6256907mm4 腹板所承担的弯矩： Mw=IwbIxM=3658133331.625109320.14=72.07kN/m 2. 设计螺栓连接（1）翼缘拼接设计采用10.9级摩擦型高强M24螺栓，起孔径为25.5mm,连接处的构件接触面的为喷砂处理方法，抗滑移系数：，预拉力为：P=225kN 螺栓端距：d1:2d0d14d0 即48d196 螺孔中距：d2:3d0d18d0 即72d1192 取 d1=70mm d2=100mm1 梁单侧翼缘连接所需的高强度螺栓数目 单个高强摩擦型螺栓抗剪承载力设计值： Nvb=0.9nfP=0.920.45225=182.25kNnFbMfh0bNvb

21、=239.610.778182.25=1.69螺栓两排布置，孔径取25.5mm，翼缘板的净截面面积为：An=27014-225.514=3066mm2翼缘板所能承受的轴向力设计值为：N=Anf=3066215103=659.19kNnfb=NNvb=659.19182.25=3.62 取n=4 单侧4个高强螺栓。2 翼缘外侧拼接连接板的厚度： 取 翼缘外侧板的尺寸为： 1-10290450 翼缘内侧拼接连接板的宽度和厚度：厚度： b=290-102=140mm 宽度： t2=tfbf4b+4=142904140+4=7.25mm 取t2=10mm 所以，内拼接板的尺寸为： 2-10140450

22、 螺栓强度验算 上述计算表明螺栓强度满足，可不必进行验算。（2）腹板拼接设计1 腹板两侧连接板的厚度：t2=twhw2h+1=107602500+1=8.6mm 取t2=10mm 腹板两侧连接板的尺寸不妨取为：2-104505002 梁腹板连接所需的高强螺栓数目： 采用10.9级摩擦型高强M22螺栓，起孔径为23.5mm,连接处的构件接触面的为喷砂处理方法，抗滑移系数：，预拉力为： 在腹板拼接板每侧布两列螺栓，每侧用10个10.9级M22摩擦型高强螺栓。 螺栓强度验算 单个螺栓的抗剪承载力设计值： 剪力 在螺栓群形心处所引起的附加弯矩：M=V0a=327.0565+1001210-3=37.61kNm 修正后的弯矩：Mw=Mw+M=72.07+37.61=109.68kNm螺栓最大应力 N1xM=Mwy1r2=