《钢结构基本原理》课程设计计算书-钢框架主次梁设计

《钢结构基本原理》课程设计计算书

题目：洞相架f次梁微4t

《钢结构基本原理》课程设计任务书

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[S](GB/T50105-2010)

(2)中华人民共和国建设部.房屋建筑制图统一标准[S](GB/T50001-2010)

(3)中华人民共和国建设部.建筑结构荷载规范[S](GB5009-2012)

(4)中华人民共和国建设部.钢结构设计规范网(GB50017-2003)

(5)中华人民共和国建设部.钢结构工程施工质量验收规范[S](GB50205-200I)

2、参考书籍

(1)沈祖炎等.钢结构基本原理[M].中国建筑工业出版社，2006

(2)毛德培.钢结构[M].中国铁道出版社，1999

(3)陈绍藩.钢结构[M].中国建筑工业出版社，2003

(4)李星荣等.钢结构连接节点设计手册(第二版)[M].中国建筑工业出版社,

2005

（5）包头钢铁设计研究院中国钢结构协会房屋建筑钢结构协.钢结构设计与计

算（第二版）[M].机械工业出版社，2006

二、设计条件

某多层钢框架结构三楼楼面结构布置如图1所示，结构采用横向框架承重，

柱网布置尺寸及楼面活载大小详见“五附图二喽面板为150mm厚单向实心钢

筋混凝土板，楼层装修从下至上具体如下：轻钢龙骨吊顶（OZkN/n?〈标准值〉）

一框架钢梁-15（）mm厚实心钢筋混凝土板（25kN/n?〈标准值〉）一水磨石面层

（包括20mm厚水泥砂浆找平，0.65kN/m2V标准值＞）。荷载传力途径为：楼面板

一次梁一主梁一柱一基础。设计中仅考虑竖向荷载作用，框架主梁按连续梁计算,

次梁按简支梁计算。

三、设计内容和要求

（1）进行次梁CL」截面设计。

（2）进行框架主梁KL-1截面设计，并绘制施工图。

（3）进行框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点设计，短梁段长度一般为0.9〜

1.2m,要求采用高强螺栓连接，并绘制施工图。

（4）进行框架主梁短梁段与框架柱连接节点设计，要求采用焊缝连接，并绘制

施工图。

要求：提交设计计算说明书一份，框架主梁KL-1施工图（一号图）一张。

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（包括截面板件

连接焊缝设计）、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算。

计算书按中南大学课程设计统一格式编制，要求文本规范、层次分明、字体

工整，图表准确，并按以下顺序装订成册：封面、设计任务书、目录（应标明各

章节页码）、设计计算正文文本、设计体会、参考文献（按规范格式书写）、封底。

施工图绘制包括：

绘制框架主梁短梁段与梁体制作详图、框架主梁短梁段与柱连接节点详图、

短梁段与主梁梁体连接节点详图，一根KL-1钢材用量表，设计说明（1#图纸一张）。

施工图图面布置合理，比例适当，图面整洁，线条清楚，文字采用宋体或仿

宋体，符合制图标准，达到施工图要求。

四、进度安排

周一：构件尺寸估算和楼盖荷载计算;

周二：楼盖内力计算及内力组合；

周三：主梁截面设计及连接设计计算;

周四：施工图绘制；

周五：计算文本整理.。

五、附图

D*E~~—3：-I——3=__—~~I

§

匕CL-1CL-1CL-1CL-1

!1士士士

金500

运2

_

1__-[LLT1・LL_17LL1w「LLT?

C11-LJ.X

运

1CL-1CL-iCL-1CL-1

IIi

11

§三

丁-、

I___【LLT]rLL-1LL1r____Lkil____T

B1।■*XJ•*

运L

CI-ICL-1CL-1CI-1

—»―<T

「&

§工工XX

»1_•rLL-11LL-1LLT1[LLT工

ALdT■4LX

_L_—L—一L一_L_图2框架柱截面图

12⑶(45

图1结构平面布置图

结构布置柱网尺寸及楼面活荷载大小

组别主梁跨度5(mm)次梁跨度L(nm)楼面活载标准值(kN/nf)

1800084009.0

J2800()84007.0

3840090007.0

4840090006.0

5800090008.0

目录

一、设计说明.....................................1

二、次梁CL-1截面设计..............................1

2.1次梁荷载和内力的计算（不含次梁自重）..................1

2.2次梁截面的选取........................................2

2.3次梁截面的验算......................................2

三、框架主梁KL-1截面设计..........................3

3.1主梁荷载计算及内力组合................................3

3.2主梁截面的选取........................................9

3.3主梁截面的验算.....................................11

3.4翼缘与腹板连接焊缝计算..............................14

四、框架主梁短梁段与梁体工地拼接点设计............15

4.1梁翼缘板的拼接......................................15

4.2梁腹板的拼接........................................16

4.3翼缘与腹板净截面的强度验算..........................19

五、框架主梁短梁段与框架柱连接节点设计............20

5.1框架主梁短梁段与柱的连接焊缝计算...................20

六、设计体会......................................22

七、参考文献......................................23

一、设计说明

在本次钢结构设计过程中，钢材均采用Q235钢。设计任务书图1中，取

B=8000mm,L=8400mm,楼面活载标准值为7KN/m。

二、次梁CL-1截面设计

2.1次梁荷载和内力的计算(不含次梁自重)

2.1.1荷载的计算

由于设计中，次梁可按简支梁计算，所以为了简化计算，只将次梁两侧楼面

板的自重和楼面板所受的活载加入计算，具体计算结果如下：

(1)荷载标准值

①楼面板所受活载的标准值为：

4」x7x8=28KN

A2

②根据楼面板的构造，计算得楼面板自重的标准值为：

/二gx(Q2x8+2.5x0.15x8+0.65x8)=18.4KN

(2)荷载设计值

①楼面板所受活载的设计值为：

qk=gx7x8xl.4=39.2KN

②楼面板自重的设计值：

/=gx(0.2x8+2.5x().15x8+0.65x8)xl.2=22O8KN

2.1.2截面内力的计算

根据设计要求，次梁的计算简图如下：

IIIIII

①次梁截面的最大弯矩值为：

2

A/max=-x(41.2+23.2)x8.4=540.4896KN

8

②次梁截面的最大剪力值为：

Emax=gX(41.2+23.2)x8.4=257.376KN

2.2次梁截面的选取

次梁所需的净截面模量为:

540.4896x1()6

=2510.9W

%---1.05x205

所以，根据次梁所需的净截面模量，选用热轧普通工字型刚156c,其截面

特性如下:

1

4

/v=71430tw

3

Wv=2551.lew

Sx=1525.6c加

*=21.28cm

m=123.85依/〃7

h=560cm

b=170cm

tw=\6.5cm

t=2iem

2.3次梁截面的验算

由于次梁选用的是工字型钢，可不需对次梁进行局部稳定性验算，又考虑到

楼板对次梁的侧向约束，次梁的整体稳定性也不需要验算。所以，对次梁只需进

行强度和刚度验算即匕，具体计算如下：

2.3.1次梁的强度验算（采用荷载设计值）

（1）次梁的抗弯强度验算

M540.4896x106

InlrlidxX__=201.78N/mm2<f=215N/mm2

%叱、-105x2551.lxIO'

所以，次梁满足抗弯强度要求。

（2）次梁的抗剪强度验算

KmaxSx257.376X103X1447.2xl03

=37.5N/mm2</=125N/mm2

4

IJW71430X10X16.5

所以，次梁满足抗剪强度要求。

2.3.2次梁的刚度验算（采用荷载标准值、考虑次梁自重）

2

(1)次梁发生的最大浇度为:

5QJ_5x(32+18.4+123.85x9.8+100)80(工)4

=18.71〃〃〃

384E7-384x2.06xI05x71430xlO4

(2)次梁的容许挠度为:

8400

=33.6mm>18.7\rnrn

㈤=苏~250

所以，次梁满足刚度要求。

综上所述，次梁采用热轧普通工字型刚156c满足设计要求。

三、框架主梁KL-1截面设计

3.1主梁荷载计算及内力组合

在设计过程中，只考虑次梁传递给主梁的力，又因次梁的荷载分为恒载和活

我，所以需要考虑次梁活我的最不利位置。设计过程中选取中间的框架主梁做分

析计算，由于次梁简化成简支梁，各个部分所传递的荷载相同，所以中间框架主

梁同时受两个次梁传递的荷载。具体简化得到的主梁力学模型如下：

由于主梁的截面尺寸还没确定，所以设计截而时先不计主梁的自重荷载，在

验算时再计入主梁的自重。

3.1.1荷载的计算

(1)主梁所受集中恒载的设计值为：

Q4

G=1.2x(I8.4+9.8x123.85-1000)x^x2=197.71^

3

（2）主梁所受集中活载的设计值为：

。=1.4x28坞84x2=329.28KN

3.L2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。

Stepl：确定坐标系，为节点、杆系编号。见图1.

图1

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。

Slep3: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：

3292s

(2)71

h(3)4

77V7777^7

图2

弯矩图:

剪力图为:

情况一各截面处的受力情况为下表1：

类11.2中点处22.3中点33.4中点4

型左右左右左右左右左右

M875.9783.7-783.7-322.7322.7-115.2115.392.0-92.023.0-23.0-46.1

V395.1395.1-263.4-263.449.3949.3949.449.4-16.5-16.5-16.5-16.5

情况二:

荷载作用位置如下图

5

32928

fl(1)<2)(3)

弯矩图为：

情况二各处受力情况为下表2：

类11.2中点处22.3中点33.4中点4

型左右左右左右左右左右

M-115.3-57.657.6-230.5230.5461.0-461-230230.5-115.3115.3115.3

.5

V-41.2-41.2-41.2-41.2164.6164.6-164.-16441.141.141.141.1

6.6

情况三：

受力情况为卜.图

6

3292832928

弯矩图为:

剪力图为:

类11.2中点处223中点33.4中点4

型左右左右左右左右左右

M-115.3-57.657.6-230.5230.5461.0-461-230230.5-115.3115.31153

.5

V-41.2-41.2-41.2-41.2164.6164.6-164.-16441.141.141.141.1

6.6

情况四：

受力情况图为卜图:

7

32928329.28

弯矩图为:

剪力图为:

类11.2中点处22.3中点33.4中点4

型左右左右左右左右左右

M-115.3-57.657.6-230.5230.5461.0-461-230230.5-115.3115.3115.3

.5

V-41.2-41.2-41.2-41.2164.6164.6-164.-16441.141.141.141.1

6.6

情况五：

受力情况为:

8

329.2832928329.28

弯矩图为:

剪力图为:

无11.2中点处22.3中点33.4中点4

型左右左右左右左右左右

M-115.3-57.657.6-230.5230.5461.0-461-230230.5-115.3115.3115.3

.5

V-41.2-41.2-41.2-41.2164.6164.6-164.-16441.141.141.141.1

6.6

9

10

根据上面的弯矩与剪力图，可以得出最不利荷载可能发生在下图中标字母或

者数字的截面:

这些截面的内力统计如下:

(1)(2)(3)(4)(5)(6)最不利荷载

-232.4-388.9-492.6129.6-363.0-518.6-751.0

232.4388.9440.78不需算376.0453.7686.1

11

-232.4-388.9-181.50-259.3-440.8-129.6-621.3

232.4388.9不需算518.6453.7不需算751.0

-232.4-388.951.7-259.28-207.4-129.6-621.3

232.4388.9不需算不需算不需算453.7686.1

-232.4-388.9-25.9129.6103.7-518.6-751.0

110.7185.2222.2-46.3175.9231.5342.2

左110.7185.2222.2-46.3175.9231.5342.2

右-110.7-185.2-148.2-46.3-194.5-138.9-305.2

左-110.7-185.2-142.2-46.3-194.5-139.9-305.2

右110.7185.227.7185.2213.00323.7

左110.7185.227.7185.2213.00323.7

右-110.7-185.227.7-185.2-157.40-295.9

左-110.7-185.227.7-185.2-157.40-295.9

右110.7185.2-9.346.937.6138.9295.9

左110.7185.2-9.346.937.6138.9295.9

右-110.7-185.2-9.346.937.6-231.5-342.2

-110.7-185.2-9.346.937.6-231.5-342.2

所以，由上表得出，，

3.2:最不利荷载位置的确定

3.3:内力设计值的计算

由于恒载的分布情况与上述第五种情况相似，依据荷载和内力的分布成正

比，易得到：

M0=\97.7KNM

匕=98.9KN

并且由前面五种情况的对比，得到：

MQ=439.1KNM

%=205.8KN

由于上述活载引起的最大内力在1号节点，将上述内力线性叠加，可得最大内力

12

值出现在1号节点，其值为:

M=636.8KN・M

VG=304.7KN

3.4组合截面尺寸的估算

已知梁最大弯矩为（未考虑自重的影响）为:

知心二636.8KMM

2

估，工计、截面尺寸厚度V16mm,Jf=215N'!mm'

2

fv=\25N/mm

梁净截面抵抗弯矩为:

叱"=等=鬻票=2820.8而

梁的高度在净空方面没有限制，依据《规范》，主梁容许绕度为上

400

查表得〃mm为:

/1800K

h-=——=-----=533cm

,n,n1515

按经验公式，得梁的经济高度为:

he=7恒-30=7xV282O.8-30=68.9c/n

参照以上数据，选取梁腹高度%为:

hw=70cw

因梁支座处（既结点1处）截面为最大剪力，依公式计算的腹板厚度为:

匕IC3()4.7xl(XX)r

t>1.2―=1.2x----------=4.12mm

“w儿H700x125

俺经验公式估计梁腹板厚度为:

/NVKi=2^^=0.76c/n=1.6mm

”1111

综合考虑，取4.为:

tw=10〃"〃

13

所需要的缘板面积为为：

A=初二%_Ml=39.2cm2

/K6

取〃=300〃牝，则翼缘厚度为：

3920

t=----=13.07mm,取，=14〃7m

300

梁的截面简图如下图：

co

S，业

3.5截面强度验算

截面实际几何性质计算:

A=2xl4x300+10x700=l540（无加

窄2+2d'，%4x300x357+L357x,/

=1357x109=373、W。〃〃/

*364

主梁自重估计（梁单位长度自重，取标准值）:

gk=15400x785Ox10*x1.2x9.8=1.422KN/m

14

（注意：L2为考虑腹板加劲肋等附加构件使自重增大的系数）。

主梁自重产生的最大弯矩为（在节点1处）：

%=—xl.422x|.2x82=9AKNm

812

截面最大总弯矩为（节点1处）：

M•»=〃III*1A+〃g=645.9KN•加

正应力为:

M645.9xlO6匕…“c，

=——=------------------=164.9Nmnr2</=215N/mm~

4叱1.05x3.73xl0r6

支座处最大剪力为：

V=V<nax4-1x1.422x1.2x8=311.5^

假设剪应力均有腹板均匀承担，剪应力为：

V311.5x1()3

=44.5N/mm2<£=125N/mnr

-A?"10x700

由于次梁集中力作用处应该设置支撑加劲肋，所以不需要验算腹

板的横向局部压应力。

支座截面处（即结点1处）折算应力计算:

cr,=x-^=166.5N/mnr

5=14x300x357=1499400加加

q=-34.4N/mm2

(ya=而：+3汇：=176.8N/W"/<1.1/=236.5Nmm

3.6整体稳定性验算:

验算是否需要进行整体稳定性计算:

44000

==13.3<16

厂300

故无需验算。

15

3.7局部稳定性验算

梁翼缘宽厚比验算:

^=300-10=1036<13235

t2x14

满足要求，无需配置加劲肋。

3.8刚度验算

以跨中绕度来控制：

心业+必经=399.96所

1.21.4

&=1.422KN/m

近似偏安全的按两端简支的截面梁计算，则:

V二配+里二5x1.422x8000,+399960x800)3=心9〃〃〃

384E/48E/384x2.06x105x1.414x10948x2.06x105x1.414x109

依据规范，==

所以，□<”,刚度满足要求。

3.9翼缘与腹板链接焊缝计算

S,=14x300x357=1499400nvn3

查表得：/；=16O7V/W

_Vg^311,5x1000x1499400

=