中南大学级钢结构优秀课程设计计算任务书.docx

中 南 大 学
钢 结 构 课 程 设 计

题 目：某钢平台结构部署及设计
指导老师： 龚永智老师
姓 名：周 晓
班 级：土木1112班
学 号：

2月25日

一、设计任务 ………………………………………………… 3

二、设计计算…………………………………………………. . 4

A、楼面板部分…………………………………………… 4

B 、次梁部分…………………………………………… .. 4

C 、主梁部分…………………………………………… .. 6

D 、柱子部分…………………………………………… .. 16

E 、连接部分…………………………………………… .. 17
（一）.框架主梁短梁段和框架柱节点（焊缝连接）

（二）.框架主梁短梁段和梁体工地拼接节点（高强螺栓连接）

（三）.次梁和主梁工地拼接节点（高强螺栓连接）

三、设计总结…………………………………………………. 24

一、设计任务
1、 设计题目：
某钢平台结构（部署及）设计。
2、 参考规范及书目：
（1）中国建设部. 建筑结构制图标准（GB/T50105－）
（2）中国建设部. 房屋建筑制图统一标准（GB/T50001－）
（3）中国建设部. 建筑结构荷载规范（GB5009－）（）
（4）中国建设部. 钢结构设计规范（GB50017－）
（5）中国建设部. .钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-）
（6）沈祖炎等. 钢结构基础原理，中国建筑工业出版社，
（7）李星荣等. 钢结构连接节点设计手册（第二版），中国建筑工业出版社，
（8）包头钢铁设计研究院 中国钢结构协会房屋建筑钢结构协. 钢结构设计和计算（第二版），机械工业出版社，
3、设计构件：
某多层图书馆二楼书库楼面结构部署示意图图（根据班级编号我是28号，参考附表一可知：柱网尺寸6×9，活荷载8，永久荷载5，钢材Q345, 焊条E50型）。结构采取横向框架承重，楼面板为120mm厚单向实心钢筋混凝土板，荷载传力路径为：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，楼层层高取3.9m。
活荷载分项系数1.4；
永久荷载分项系数1.2。

4、设计内容要求：
（1）验算焊接H型钢框架柱承载能力，如不满足请自行调整。
（2）设计次梁截面CL-1（热轧H型钢）。
（3）设计框架主梁截面KL-1（焊接工字钢）。
（4）设计框架主梁短梁段和框架柱连接节点，要求采取焊缝连接，短梁段长度通常为0.9～1.2m。
（5）设计框架主梁短梁段和梁体工地拼接节点，要求采取高强螺栓连接。
（6）设计次梁和主梁工地拼接节点，要求采取高强螺栓连接。
（7）绘制主梁和柱连接节点详图，次梁和主梁工地拼接节点，短梁段及主梁体连接节点详图，梁体截面详图，KL-1钢材用量表，设计说明等。
（8）计算说明书，包含构件截面尺寸估算、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、设计计算
依据荷载传力路径：楼面板－次梁－主梁－柱，依次计算各部分受力情况。
A、 楼面板部分
楼面板为120mm厚单向实心钢筋混凝土板。
楼面活载标准值：
楼面板永久荷载标准值：
楼面板自重已经包含在永久荷载里面，所以不计算。
楼面板荷载设计值：
楼面板荷载标准值：

B、 次梁部分
次梁在主梁上方，按简支梁计算。

次梁弯矩图：

次梁剪力图：

单根次梁上最大弯矩为:

两端剪力最大值为:

选择截面模量最小值：

依据截面模量选择热轧H型钢,查附表可知：
次梁验算
因为选择是热轧H型钢，不用验算局部稳定。又混凝土板覆盖在受弯构件受压翼缘上并和其牢靠连接，能阻止受压翼缘侧向变形，故不用验算次梁整体稳定性。综上分析可知，次梁验算需要对强度和刚度进行验算。
① 抗弯强度检验（翼缘边缘弯曲应力）：
② 抗剪强度检验（腹板处剪应力）： ③折算应力（腹板和翼缘交界处）：

④刚度检验

C、 主梁部分
由简化力学模型得悉，忽略连续梁对框架梁荷载影响，只考虑次梁传输荷载。而次梁荷载又分为永久荷载和活荷载两部分，需要考虑荷载最不利部署情况。选择中间一拼框架梁做分析计算，因为将次梁简化为两端铰接，各个部分所传输荷载全部相同。中间一拼框架梁同时承受两个次梁传输荷载。
主梁力学简化模型图：
主梁截面尺寸待定，先不计主梁自重荷载。
集中恒载标准值：Gk=15×9=135kN
集中活载标准值：Qk=24×9=216kN
集中恒载设计值：G=15×9×1.2=162kN
集中活载设计值：Q=24×9×1.4=302.4kN
荷载分析：
此结构含有对称性，仅对以下六种含有代表性荷载在形式进行分析：
①次梁传输集中力恒载

②连续梁受满布活载

③1跨受满布活载

④2跨受满布活载

⑤1、2跨受满布活载

⑥1、3跨受满布荷载

不一样荷载组合下内力图
①+②
弯矩图：
剪力图：

① +③
弯矩图：

剪力图：

① +④
弯矩图：

剪力图：

① +⑤
弯矩图：

剪力图：

① +⑥
弯矩图：

剪力图：

经过上图比较可知：
最不利弯矩为①+⑥组合中：
最不利剪力为①+⑤组合中：
考虑计算时未计自重，出于安全考虑取
主梁选择截面模量最小值：

假设主梁钢板厚度， Q345钢抗弯强度设计值得=310N/,E=206×N/和=250。梁最大许可挠度为L/250.
尺寸设计
（1）.腹板高度
1）.钢梁最小高度（按最大挠度限值确定）

2）.经济高度经验公式

综上计算，取腹板高度==620mm
(2).腹板厚度
1）.抗剪要求
=
2）.局部稳定和结构原因
= =
综上取=10mm，选择腹板620×10。
(3).翼缘板截面尺寸（×）
通常翼缘宽度取10mm倍数，厚度取2mm倍数
翼缘宽度，取
在确定和时，应考虑翼缘板局部稳定性要求，近似取
≤15＝15=12.38 即
依据抗剪强度和整体稳定性要求
×≥－
即 取
(4).截面特征
依据上面计算，主梁截面尺寸图。计算截面特征：

（5）确定焊缝尺寸
查规范知Q345钢角焊缝抗剪强度为

取。钢结构在焊接时焊条采取E50系列，焊接方法为手工焊。
主梁验算
主梁自重标准值：
主梁自重设计值：
主梁含自重后最大弯矩和剪力近似为：

强度验算
1） 抗弯强度验算

抗剪强度验算：
局部压应力：

式中: F为跨中集中力，

为集中荷载沿梁跨度方向上支撑长度，取=158mm
为自集中荷载作用面至腹板计算点距离，=14mm
y为集中荷载增大系数，此处取y=1.0
为钢材抗压强度设计值，
局部承压满足要求，且不需要设置支承加劲肋
2） 折算应力：（翼缘和腹板相接处计算折算应力）

3）焊缝强度验算：
整体稳定验算：
将次梁作为主梁侧向支撑，则
，。
其侧向计算长度：
长细比:
lmax = max(lx,ly) = 52.72 < [l] =150.00 长细比(即刚度)满足 。
对x轴，y轴均为b类截面

查《钢结构基础原理》附表4-4，
简支梁整体稳定系数
为整体稳定等效临界弯矩系数, 查规范GB50017-表B.1, 取
ly为梁在侧向支承点间对截面弱轴y-y长细比,
A为毛截面面积
h为梁截面全高
t1为受压翼缘厚度
为截面不对称系数，取=0

应依据弹塑性方法来修正，
欧拉临界力
有端弯矩和横向荷载作用且使构件产生同向弯曲
在构件段内有弯矩和横向荷载作用且使构件产生异向弯曲
又主梁简化模型轴力

局部稳定性验算
翼缘：
腹板：
刚度验算
计算知

D、柱子部分
主梁自重标准值：
次梁自重标准值：
梁自重设计值：
用结构力学求解器求得简化图弯矩和轴力图以下：
弯矩图：

轴力图：

由上图可知

框架柱为焊接H型钢，截面尺寸为H600×300×12×18，楼层层高取3.9m。
柱子截面特征：

刚度验算：

强度验算：
整体稳定性验算：

E．连接部分
（一）.框架主梁短梁段和框架柱节点（焊缝连接）
采取焊缝连接：Q345角焊接抗拉强度
Q345对接焊缝抗拉强度
在剪力和轴力作用下，焊缝应力分布为矩形。其中剪应力由腹板负担，轴力则由全部焊缝承受。在弯矩作用下，焊缝应力分布为三角形。从应力分布来看，最危险点为“a”或“b”点。
1）.焊角尺寸
采取手工焊角焊缝，则有焊角尺寸应满足

又

2）.焊缝截面特征
水平焊缝面积
竖向焊缝面积
焊缝总面积
构件截面对称，焊缝也对称，所以焊缝形心至水平板顶面距离（）和焊缝形心至水平板底面距离（）等于y====324mm
焊缝惯性矩

3).焊缝受力分析
依据最不利荷载计算出内力，可知在短梁段和柱连接点处最大内力可能出现两种情况：
(1) “a”处受力为：

“a“点应力为：

结论：“a”点应力满足要求。
（2）“b”处受力为：

“b“点应力为

结论：“b“点应力满足要求。
由以上计算可知采取全部双面角焊缝能满足设计要求。
（二）.框架主梁短梁段和梁体工地拼接节点（高强螺栓连接）
1、计算螺栓连接处内力
（1）由集中荷载产生固端弯矩
取短梁段长度为1.0m,由计算得主梁在多种不利荷载组合下内力图可知，距柱1.0m短梁处，最大内力为：

弯矩：M1=Mmax=616.14kNm V1=Vmax=312.68kN
M01=M1-V1a=616.14-312.68=303.46kNm
剪力：V01=V1=312.68kN
（2）由均布荷载产生固端弯矩

M2=Mmax1=0.100gl2=
由均布荷载产生端部剪力：
V2=Vmax1=0.600gl=
均布荷载在1.0m处产生内力计算以下：
弯矩： M02=M2-V2a-12ga2=6.006kNm
剪力： V02=V2+ga=17.472kN
（3）由集中、均布荷载叠加所得弯矩剪力
弯矩： M0=M01+M02=303.46+6.002=309.462kNm
剪力： V0=V01+V02=312.68+17.472=330.152kN
（4）弯矩分配
采取正确设计方法，即弯矩由翼缘和腹板共同负担，剪力仅由腹板负担，翼缘负担弯矩和腹板负担弯矩，二者按刚度成百分比分配：
梁毛截面惯性矩：
腹板毛截面惯性矩： 翼缘毛截面惯性矩：
翼缘所负担弯矩： Mf==5.6287.614×309.462=228.743kN/m
腹板所负担弯矩 : Mw=-Mf=80.719kN/m

2. 设计螺栓连接
（1）翼缘拼接设计
采取10.9级摩擦型高强M22螺栓，起孔径为25.5mm,连接处构件接触面为喷砂处理方法，抗滑移系数：
螺栓端距：d1:2d0<d1<4d0即48<d1<96
螺孔中距：d2:3d0<d1<8d0即72<d2<192
取 d1=50mm d2=100mm
①　 梁单侧翼缘连接所需高强度螺栓数目
单个高强摩擦型螺栓抗剪承载力设计值：
Nvb=0.9nfμP=0.9×2×0.45×190=153.9kN
nFb≥Mfh0bNvb=228.7430.778×153.9=1.91
螺栓两排部署，孔径取25.5mm，翼缘板净截面面积为：
An=200×14-2×25.5×14=2086mm2
翼缘板所能承受轴向力设计值为：
N=Anf=2086×310÷103=646.66kN
nfb=NNvb=646.66153.9=4.2 取n=8
单侧8个高强螺栓。
翼缘外侧拼接连接板厚度：
取 延长度方向尺寸取500mm，翼缘外侧板尺寸为：
③ 翼缘内侧拼接连接板宽度和厚度：
宽度：
厚度：取
所以，内拼接板尺寸为:
④ 螺栓强度验算
上述计算表明螺栓强度满足，可无须进行验算。
（2）腹板拼接设计
梁腹板连接所需高强螺栓数目：
采取10.9级摩擦型高强M22螺栓，起孔径为23.5mm,连接处构件接触面为喷砂处理方法，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，并成两排部署。
腹板两侧连接板厚度：
t2=twhw2h+1=10×6202×648+1=5.78mm 取t2=8mm
腹板两侧连接板尺寸不妨取为：8×450×500
③ 螺栓强度验算
单个螺栓抗剪承载力设计值：

剪力 在螺栓群形心处所引发附加弯矩：
M=V0a=330.15×65+100×12×10-3=37.97kNm
修正后弯矩： Mw=Mw+M=80.72+37.97=118.69kNm
螺栓最大应力

N1xM=Mwy1∑r2=118.69×106×0×502+4×1002+4×=105.50kN

N1yM=Mwx1∑r2=118.69×106×5010×502+4×1002+4×=26.38kN
N1yv=Vn=330.1510=33.02kN
N1xM2+N1yM+N1yv2=105.502+26.38+33.022
=121.07kN≤Nvb=153.9kN
所以螺栓连接强度满足要求。
3. 螺栓净截面强度验算
（1）翼缘板验算
翼缘板所受轴力：

（2）腹板验算
对腹板截面ІІ—ІІ比І—І净截面大，所以只需验算І—І净截面

正应力：

剪应力：
翼缘和腹板强度均满足要求。
总而言之：螺栓连接处接触面采取喷砂处理，抗滑移系数为0.45。
主梁短梁段和梁体腹板连接螺栓为10.9级M22摩擦型高强螺栓，孔径为23.5；主梁短梁段和梁体翼缘连接螺栓为10.9级M24摩擦型高强螺栓，孔径为25.5。
（三）.次梁和主梁工地拼接节点（高强螺栓连接）
、次梁和主梁连接结构
次梁为简支梁，和主梁侧面连接。次梁经过四个10.9级M22摩擦型高强螺栓直接连接到主梁横向加劲肋上，为避免和加劲肋相碰，次梁下翼缘需要切去一侧。
、连接计算
铰接连接节点需要传输次梁端部反力，次梁端部局部切割后腹板截面、连接角钢和螺栓应能满足此抗剪要求。因为这类节点并非完全铰接，计算时除了考虑次梁端部垂直剪力外，尚应考虑因为偏心所产生附加弯矩影响。附加弯矩取次梁反力乘以螺栓中心线之间距离。
螺栓连接计算
在次梁端部剪力作用下，连接一侧每个高强度螺栓承受剪力：
（↓）
采取一竖排螺栓，偏心距，偏心力矩，单个高强度螺栓最大拉力
单个10.9级M22摩擦型高强螺栓抗剪强度承载力

在垂直剪力和偏心弯矩共同作用下，一个高强度螺栓受力为
(满足要求)
加劲肋和主梁角焊缝
剪力，偏心力矩，采取，焊缝计算长度仅考虑和主梁腹板连接部分有效，即，则

满足要求。

三、设计总结
这次钢结构课程设计完成并不轻易。首先要搞清楚结构受力条件和受力简化，其次次梁和主梁截面设计和校核要按摄影关计算进行，在整个设计过程中，每一个小点全部可能包含到相关设计规范，要求我们时刻小心，多查资料多和老师同学交流。印象尤其深是楼面板自关键不要计算问题，因为一开始没有和同学讨论，把自重根据混凝土板通常情况进行计算。计算时发觉有些强度检验时不满足，和同学交流时发觉混凝土板配筋情况无法确定，需要把混凝土板自重考虑在题目中给出恒载里面。另一个就是主梁和次梁拼接问题，我第一次是把次梁放在主梁上面，最终和同学交流后发觉放置方法不对，得以立即纠正。总而言之，这次设计中出现问题有很多，在查阅资料和讨论中，尽可能修正自己设计不足之处，尽管重新算了一遍又一遍，最终完成了还是有种成就感。
经过钢结构课程设计，让我对书本知识有了更深一层认识，也感受到自己知识不足，学无止境，需要不停学习。而且，在查阅多种规范过程中，自学能力有很大提升。另外，和同学之间讨论交流，让我知道合作关键性，学会合作，学会分享。