钢结构课程设计--钢框架主梁设计.docx

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1、钢结构基本原理课程设计计算书题 目：钢框架主梁设计梁按连续梁计算。D0050409C00055004000350409B000540405050409A000543图2 框架柱截面图0123图1 结构平面布置图45（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、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LL-1CL-1LL-1

2、CL-1LL-1CL-1LL-1CL-11-L1-L1-L1-L1-LKKLL-1LL-1KLL-1KKLL-1CL-1CL-1CL-1CL-11-L1-L1-L1-L1-LKKLL-1LL-1KLL-1KKLL-11-LCL-11-LCL-1CL-11-L1-LCL-11-LKKLL-1LL-1KLL-1KKLL-19000900090009000一般为 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

3、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。7二、次梁的设计2.1 楼板荷载的估计混凝土自重：25KN/m3 厚 150mm0.15m 25KN / m3 = 3.75KN / m 2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/m30.015m 17KN / m3 = 0.255KN / m 2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（自重暂不考虑）1

4、楼面板传恒载 q恒 = 2 4.655KN / m 2 4.5m 2 = 20.95KN / m1楼面传递活载 q活 = 2 5KN / m 2 4.5m 2 = 22.5KN / m由可变荷载效应控制的组合q = 1.2q恒+ 1.4q活= 1.2 20.95 + 1.4 22.5 = 56.64KN / m由永久荷载效应控制的组合q = 1.35q恒+ 1.4 0.7q活= 1.35 20.95 + 1.4 0.7 22.5 = 50.33KN / m次梁计算简图所以荷载设计值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：11M

5、 max = 8 ql 2 = 8 56.64 92 = 573.48KN m11V=max2 ql = 2 56 .64 9 = 254 .88 KN2.4 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：M = 1 .02 M= 1 .02 573 .48 = 584 .95 KN mmax则次梁所需的截面抵抗矩：M584 .95 10 6W= 2.59 10 6 mm 3xgfs d1.05 215梁的最小高度（按最大挠度限值确定）：hmin5 fl l =31.2E n 5 215 900031.2 206 103 250 = 376.3mm（

6、上式中取 Q235 钢的抗弯强度设计值 f =215N/mm2,E=206103N/mm3 和3 2.59 106梁经济高度经验公式L =250。）vh = 7 3 Wsx- 300 = 7 - 300 = 661.3mm所以取腹板高度hw= 650mm 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hw= 650mm则腹板厚度：抗剪强度要求： t 1.2Vmax= 1.2 254.88 103 = 3.8mmwh fw V650 125式中取 Q235 钢的 f =125N/ mm 2。650vhw局部稳定和构造因素：t=w3.5 =3.5= 7.3mm取t =10m

7、m，则腹板可选用65010。w2.4.3 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：2(I- I )W12.59 1061bt =xw =x -h t=- 650 10 = 2901.3mm2h2hww6 w w6506考虑翼缘板的局部稳定性和构造要求，近似取235fyb 15 2t即 b 30Y30012XX65010Y初选次梁截面图t由、两式可得：2901.3 30b =t b= 295mm取 b=300mm295= 9.8mm取 t=12mm3030则翼缘板可选用30012。初选次梁截面如右图：2.5 次梁整体稳定的验算2.5.1 截面几何特性截面积 A = 2 300

8、12 + 650 10 = 13700mm 211惯性矩 Ix= 12 300 6743 - 12 290 6503 = 1.018 109 mm 411yI= 2 12 12 3003 + 12 650 103 = 5.405 107 mm 4截面模量 W= IX1.018 109h 2x6742=3.021106 mm3对 y 轴的回转半径 iy梁在侧向长细比l=IyA= l y= 60.7mm5.045 10713700= 9000 = 148.3yi60.7yb= 0.69 + 0.13 9000 12 = 0.759b300 6741 + l t 2y 4.4h 4320 Ah 23

9、5j = bbb l2W +h b fyx y= 0.759 432013700 674148.312 1 + ()2 + 0 235= 0.620148.323.0211064.4 674235由于jb 0.6 ，则：j = 1.07 - 0.282 = 0.615b0.620次梁自重标准值：（用 Q235 钢材）q= (3 9.42 2 + 5 10.20) 9.8 = 1.054kN / m自= 1.22KN / m次梁自重设计值： q= 1.2q自= 1.2 1.054 = 1.265kN/m次梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力：11Mmax = Mmax+q l 2 = 57

10、3.48 +1.265 92 = 586.29kN m88Vmax= (q + q)l = (56.64 + 1.265) 9 = 260.57kN 222.5.2 整体稳定性验算Mmaxj W586.29 106= 315N / mm2 f0.615 3.021106d= 215N / mm2bx整体稳定不能满足要求，需要加大截面。腹板选用65012 翼缘选用32016截面几何特性截面积 A = 2 320 16 + 650 12 = 18040mm 2惯性矩 Ix= 320 6823 - 308 6503 = 1.410 109 mm 411121211I= 2 16 3203 + 650

11、 123 = 8.747 107 mm 4y1212截面模量 W= IX1.410 109xh26822= 4.135 106 mm3对 y 轴的回转半径 iy梁在侧向长细比l=IyA= l y= 69.6mm8.747 10718040= 9000 = 129.3yi69.6yb= 0.69 + 0.13 9000 16 = 0.776b320 6821 + l t 2y 4.4h 4320 Ah 235j = bbb l2W +h b fyx y= 0.776 432018040 682129.316 1 + ()2 + 0 235= 0.725129.324.135 1064.4 682

12、235由于jb 0.6 ，则：j = 1.07 - 0.282 = 0.681b0.725次梁自重标准值：（用 Q235 钢材）q= (2 20.10 2 + 5 12.25) 9.8 = 1.388kN / m自次梁自重设计值： q= 1.2q自= 1.2 1.388 = 1.666kN/m次梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力：11Mmax = Mmax+q l 2 = 573.48 +1.666 92 = 588.474kN m88Vmax= (q + q)l = (56.64 + 1.666) 9 = 262.377kN 22整体稳定性验算Mmax588.474 106= 209

13、N / mm2 f= 215N / mm2j Wbx0.681 4.135 106 215d此时次梁整体稳定满足要求。2.5.3 局部稳定性验算3082235fyb = 9.625 13= 13t16235fyhw = 650 = 53.2 84= 84t12w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Mmax588.474 106= 135.5N / mm2 u = 13.2mm250250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、次梁传递的集中恒载、次梁传递的集中活载。其中边缘主

14、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： G = 1.2 (20.95 + 1.388) 9 = 241.25kN集中活载： Q = 1.4 22.5 9 = 283.5kN8G + Q = 241.25 + 283.5 = 524.75kN3.1.2 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9厂35l825（1）（2）（3）跨

15、都有集中活载时3 V82众( l )-( 2 ) 二3.1.3 内力计算仅次梁传递集中力恒载时 迈 己692569AB2l 1 l 3 CD3F9 9 ?39 9?- l.56 8l仅（1）跨有集中活载时勹：三二-255 .153l l 3的35,44-170.10丘- 7.O9仅（2）跨有集中活载时/知 51（1）（2）跨有集中活载时. 2I. 1i . 2I 6I l( 3 )10（1）（3）跨有集中活载时（1）（2）（3）跨都有集中活载时各跨挠度表编号（1）跨（2）跨（3）跨3.50.63.55.3-1.70.56-1.74.2-1.73.52.5-1.15.9-3.45.94.60.7

16、4.6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M= 379.97 + 542.19 = 922.16kN m中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M= -325.69 - 446.51 = -772.2kN m支11由和其它情况剪力的叠加可得剪力最大的产生为+时V= 156.81 + 191.36 = 348.17kN （在支座 B 左侧）max由和其它情况挠度的叠加可得挠度最大的产生为+时n= 3.5 + 5.9 = 9.4mmmax故由以上计算知：最不利弯矩为： M= 922.16kN mmax最不利剪力为：V= 348.

17、17kNmax3.2 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：M = 1 .02 M= 1 .02 922 .16 = 940 .60 kN mmax则次梁所需的截面抵抗矩：M940 .60 10 6W= 4.17 10 6 mm 314xgfs d1.05 215梁的最小高度（按最大挠度限值确定）：h5 fl l = 5 215 9000 400 = 602.1mm（上式中取 Q235 钢min31.2E n 31.2 206 103的抗弯强度设计值 f =215N/mm2,E=206103N/mm3 和3 4.17 106梁经济高度经验公式

18、L =400。）vh = 7 3 Wsx- 300 = 7 - 300 = 826.7mm所以取腹板高度hw= 800mm 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hw= 800mm则腹板厚度：抗剪强度要求： t 1.2Vmax= 1.2 325.69 103 = 3.9mm 式中取 Q235 钢的 f=125N/ mm 2 。wh fw V800 125v局部稳定和构造因素：t=w=hw3.58003.5= 8.1mm取t =14mm，则腹板可选用80014。w3.2.3 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：bt =2(Ix- I )Ww

19、=x14.17 1061-h t=- 800 14 = 3345.8mm2h2hww6 w w8006考虑翼缘板的局部稳定性和构造要求，近似取235fyb 15 2t即 b 30Y36018XX80014主梁截面Yt由、两式可得：3345.8 30b = 316mm取 b=360mmt b = 360 = 12mm取 t=18mm3030则翼缘板可选用36018。主梁截面如右图：截面几何特性截面积 A = 2 360 18 + 800 14 = 24160mm 211惯性矩 Ix= 360 8363 - 346 8003 = 2.76 109 mm 4 1212截面模量 W= IX2.766

20、109xh28362= 6.617 106 mm3主梁自重标准值：（用 Q235 钢材）q= (2 25.43 2 + 4 21.98) 9.8 = 1.858kN / m自主梁自重设计值： q= 1.2q自= 1.2 1.858 = 2.23kN/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：11Mmax= Mmax+ql 2 = 922 .16 + 2 .23 9 2 = 944 .74 kNm88q l2.23 9Vmax= V+max2= 325 .69 +2= 335 .725 kN3.3 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235fyl4

21、500b1 = 360 = 12.5 13= 131故主梁的整体稳定不必验算。235fy3.3.2 局部稳定性验算b = 173t18= 9.6 13= 13235fyh800t w = 14 = 57.1 84= 84w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Mmaxg Wxx944 .74 10 6= 136 N / mm 2 f1.05 6.617 10 6d= 215 N / mm 2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 Sx= 14 80028= 1.12 106 mm3t= V Smaxx335.725 103 1.12 106

22、= 34N / mm2 f = 125N / mm2maxI t2.76 109 4v x w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lz= a + 5hy= 320 + 5 18 = 410mm 。F524.75 103即 s= 91.4N / mm2 f = 215N / mm2cl tzw420 10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n= 3.5 + 5.9 = 9.4mm 60hf= 60 10 = 600mm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：15水平焊缝面积：A

23、= 2 0.7 10 (340 + 326)= 9324mm2f 1竖向焊缝面积：A= 2 0.7 10 300 2 = 8400mm2f 2总焊缝面积：A = 2 0.7 10 (340 + 326 + 300 2)f= 17724mm2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：1I fx = 2 0.7 10 2 12 3003 + (400 - 150) 2 300 + 340 4182 + (340 - 14) 4002 = 2.150 109 mm 44.3 验算最危险点受力首先假设腹板焊缝承受全部剪力，而全部焊缝共同承担弯矩。在剪力 V 作

24、用下V348.17 103t V = 41.45N / mm2fA8400f 2在弯矩 M 作用下，翼缘上边缘 a 点产生应力MM h772.2 106836o M = 150.13N / mm2faWXI22.15 1092X翼缘下边缘 b 点应力M h772.2 106800o M =0 = 143.67N / mm2fbI2X2.15 1092在弯矩、剪力共同作用下，焊缝最危险点为 a、b 两点。a 点：o M150.13fa = 123.06N / mm2 f w = 160N / mm2b1.22ff16b 点：19（） + (o Mbfb2t V ff)2 = 124.84N /

25、mm 2 f w = 160N / mm 2（143.671.22）2 + 41.452f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d0= 21.5mm ，腹板处采用 M24 的 10.9 级摩擦型高强螺栓连接，孔径d0一个 M20 高强螺栓的抗剪承载力设计值= 26mm 。N b = 0.9n m P = 0.9 2 0.45 155 = 125.55kNvf一个 M24 高强螺栓的抗剪承载力设计值N b = 0.9n m P = 0.9 2 0.45 225 = 182.2

26、5kNvfn 传力摩擦面数目为 2fm 摩擦面的抗滑移系数，钢材采用 Q235，喷砂处理接触面m = 0.45P 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Nmax= 235 18 360 = 1522.8kN梁翼缘连接所需的 M20 高强度螺栓数目n = N max = 1522.8 = 12.1取 n=12N b125.55v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

27、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N max= 235 18 360 = 1522.8kN梁腹板连接所需的 M24 高强度螺栓数目n = Nmax1522.8= 14.4 取 n=15N b182.25v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 钢板净截面强度验算由于工地拼接时，预先将长为 1.0m 的主梁与柱子焊接，由主梁在各种不利荷载组合下的内力图可知，在为距柱子 1.0m 处的最大内力为：M = 600.6kN m V =

28、348.17kN截面特性毛截面惯性矩 Ix= 2.76 109 mm 4t h 214 8003腹板惯性矩， I= w 0 = 5.97 108 m4xw1212翼缘惯性矩， Ixf= I - Ixxw= 2.76 109 - 5.97 108 = 2.16 109 mm4则分配到翼缘的弯矩IM=xf MxfI1x= 2.16 109 600.6 = 470.0kN m 2.76 109分配到腹板上的弯矩I5.97 108M=xw MxwI1x= 600.6 = 130kN m2.76 109600翼缘板螺栓处按轴心受拉验算，通过翼缘截面形心的轴力 Nf50 100100100100100 5

29、05080MN=xf= 470 106 = 587500N6fh800003翼缘净截面积为1 08A = 18 (360 - 4 21.5)= 4932mm250f10No=ffAf= 5875004932= 119N / mm2 235N / mm2所以翼缘螺栓处强度满足要求。腹板净截面积为(下图)A = 800 14 - 26 14 5 = 9380 mm 2n净截面特性14 8003I =- 2 14 26 (1002 + 2002 ) = 5.6 108 mm 4n128002 14S =- 14 26 (100 + 200) = 1.01106 mm 3n8M h(130 + 348.17 0.15)106800o= 则正应力nI25.6 1082n= 130N / mm2 f = 235N / mm2yt= VSn= 348.17 1.01106n剪应力I t5.6 108 14n= 0.05N / mm2 f= 125N / mm2v d所以腹板螺栓处强度满足要求。50100100100101001005001011006010010010010060060101080101066208181M20