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. . 4A、楼面板部分 4B 、次梁部分 . 4C 、主梁部分 . 6D 、柱子部分 . 16E 、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69，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H6003001218，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0.91.2m。（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。 抗弯强度检验（翼缘边缘弯曲应力）： 抗剪强度检验（腹板处剪应力）： 折算应力（腹板和翼缘交界处）： 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=159=135kN集中活载标准值：Qk=249=216kN集中恒载设计值：G=1591.2=162kN集中活载设计值：Q=2491.4=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：次梁传输集中力恒载连续梁受满布活载1跨受满布活载2跨受满布活载1、2跨受满布活载1、3跨受满布荷载 不一样荷载组合下内力图+弯矩图：剪力图： +弯矩图：剪力图： +弯矩图：剪力图： +弯矩图：剪力图： +弯矩图：剪力图：经过上图比较可知：最不利弯矩为+组合中： 最不利剪力为+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=206N/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62010。 (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1515=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，=14mmy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H6003001218，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=5.6287.614309.462=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：d1:2d0d14d0即48d196 螺孔中距：d2:3d0d18d0即72d2192取 d1=50mm d2=100mm 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=0.9nfP=0.920.45190=153.9kNnFbMfh0bNvb=228.7430.778153.9=1.91螺栓两排部署，孔径取25.5mm，翼缘板净截面面积为：An=20014-225.514=2086mm2翼缘板所能承受轴向力设计值为：N=Anf=2086310103=646.66kNnfb=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： 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: 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=106202648+1=5.78mm 取t2=8mm 腹板两侧连接板尺寸不妨取为：8450500 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=330.1565+1001210-3=37.97kNm 修正后弯矩： Mw=Mw+M=80.72+37.97=118.69kNm螺栓最大应力N1xM=Mwy1r2=118.691060502+41002+4=105.50kNN1yM=Mwx1r2=118.691065010502+41002+4=26.38kNN1yv=Vn=330.1510=33.02kNN1xM2+N1yM+N1yv2=105.502+26.38+33.022=121.07kNNvb=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比净截面大，所以只需验算净截面正应力：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。