单层平面钢框架结构分析与设计--学位论文.doc

单层平面钢框架结构分析与设计

姓 名：朱锐（组长）、杨肖、马健、徐耀、戴雅倩、候胜鲁、项彦、李海星

课程分工或贡献：朱锐：轴心受压柱
戴雅倩：受弯梁
杨肖：压弯柱
项彦：铰接柱脚
马健、候胜鲁：铰接柱头
徐耀、李海星：刚性柱脚

指 导 教 师 ：周洪彬、王兆强

2014年10月

单层平面钢框架结构分析与设计
——李海星、项彦、候胜鲁、徐耀、马健、杨肖、戴雅倩、朱锐

摘要：在熟练掌握《钢结构基本原理》的前提下， 通过对单层单跨钢框架的结构方案的选用，首先进行截面的估算（初选截面，假设长细比等）， 其次进行钢结构的主要设计：连接的构造和设计、轴心受力构件的选择与设计（包括强度、刚度、整体与局部稳定）、受弯构件截面的选择与设计（包括强度、刚度、整体与局部稳定）、压弯或拉弯构件截面的选择与设计，设计的同时在设计计算书里详细论述以上内容。

前言：在大学生动手能力较弱的今天，各高校纷纷进行课程改革，我校领导也积极行动起来，安排了钢结构课程研究三级项目。实施此项精心准备的设计项目，旨在使学生在熟练掌握《钢结构基本原理》的基础上，结合结构力学分析方法和钢结构规范深入了解并掌握一种单层平面钢框架的相关知识、分析和设计方法，掌握钢结构设计计算书的撰写方法，使学生具备独立设计结构构件的基本能力，提高综合应用已有知识解决工程实际问题的能力，培养资料留存意识、团队合作精神、项目组织与管理、交流表达能力，更好地培养土木工程专业学生的专业技术能力和综合素质。
相关领域所做的工作和特色：在钢结构设计方面，逐步发展高强度低合金钢材，新增Q420钢。钢材质轻，便于制造和安装，良好、丰富的建筑艺术表现力使钢结构受到广大建筑师的青睐。改进钢结构设计方法和结构的革新是本领域今后值得研究的课题。
项目切入点：①大前提是有良好的《钢结构基本原理》理论知识。②钢结构方案的选择及截面估算：方案选择是概念设计，即根据内力进行迅速构思，之后便是截面初步估算。主要是梁柱断面尺寸的估算（柱按长细比估算，梁高跨度的一般比值）。③构件设计与节点设计：首先是材料选择，其次是确定节点形式。

前期概况：我们组抽到的单层平面钢框架从结构上说是一个静定结构，受集中荷载和均布荷载的作用。我们组先进行了小组讨论，分析课程研究项目说明书的内容，然后进行结构内力与结构形式的分析，通过结构各部件所受荷载形式分为轴压构件、受弯构件、压弯构件、铰接柱脚、铰接柱头和刚接柱头。根据组内成员特点进行分工，各自就自己的内容进行设计。之后小组讨论成员进行成果展示，相互检查，提出问题，进行修正。

项目预期结果：通过设计，同学们对课本知识有更深入的理解，熟练了相关设计计算。组长严格控制进度和质量，组员们团结合作、积极认真完成任务，最终项目圆满成功。

目 录

一、 结构内力图的计算
二、 轴心受压柱的设计
三、 梁的设计
四、 压弯柱的设计
五、 柱头设计（左）
六、 柱头设计（右）
七、 铰接柱脚
八、 刚性柱脚
九、心得体会

1.结构内力图的计算

对整体方程得：

单独考虑左边柱：

图1.1
单独考虑梁：

单独考虑右边柱：

联立方程得：

图1.2 受力分析图

图1.3 弯矩图
图1.4 轴力图
图1.5 剪力图

2.轴心受压柱的设计
定柱的截面形式为热轧H型钢
2.1初选截面如右图所示
由于热轧H型钢可以选用宽翼缘的形式，截面的宽度较大，因此长细比的假设值可适当减小，假设λ=60。对宽翼缘H型钢，因b/H>0.8,所以无论对X轴还是Y轴都属于b类截面，查表得=0.807。
所需的几何量为：

由附表选型钢
图2.1 轴心受压柱截面

腹板的高度比,满足构造要求。

2.2 截面验算
因截面无孔眼削弱，可不验算强度。又因为热轧H型钢，亦可不必验算局部稳定，只需进行验算整体稳定。

因对X、Y轴均属b类截面，故由长细比较大值查表得

∴满足整体稳定

3.梁的设计
根据M图计算，最大弯矩设计值：
则截面模量：
图3.1 受弯梁截面
根据附表7.2查得 选用HN350×175×7×11，
其他参数：
由于型钢截面翼缘和腹板厚度较大，不必验算局部稳定；
端部无大的削弱时，也不必验算剪应力。
因此，只需进行整体稳定的验算：
参数：
等效弯矩系数：
Y轴的长细比：

整体稳定系数：

∴整体稳定满足

4.压弯柱的设计
柱所承受的最大轴力和弯矩分别为
试选热轧H型钢
4.1截面几何特性

4.2验算强度

4.3验算弯矩作用平面内的稳定

b类截面，查表得

4.4验算弯矩作用平面外的稳定
b类截面，查表得

图4.1 压弯柱截面
4.5局部稳定验算
由于是热轧型钢，因此不需要验算局部稳定。

5.柱头设计（左）
H形截面柱采用HW 175×175×7.5×11
H形截面梁采用HN 350×175×7×11
梁柱、顶板、突缘及加劲肋均采用Q235钢
连接点不受弯矩，采用铰接
5.1梁端设置加劲肋，梁端加劲肋尺寸375×50×10，采用=6mm，
计算长度
满足要求

满足要求
因此，梁端加劲肋尺寸为375×50×10
5.2柱端设置加劲肋 a=80mm
计算长度
弯矩：
弯矩引起的应力：
剪力引起的应力：
图5.1 柱头左截面
焊缝的强度： 满足要求
满足要求
因此，柱端加劲肋尺寸为262×80×10
螺栓采用（粗制） 顶板尺寸 185×185×18
垫板尺寸 185×50×10

6.柱头设计（右）
H形截面柱采用HN (r=9)
H形截面梁采用HN (r=13)
梁、柱、顶板、突缘及加劲肋均采用Q235钢
6.1梁端设置加劲肋取 t=10mm h=370 b=150
梁与加劲肋焊缝尺寸
计算长度
剪力引起的应力：
6.2柱端设置加劲肋计算长度设为 a=80
剪力引起的应力： 满足要求
弯矩：
弯矩引起的应力：
焊缝强度计算： 满足要求
因此，柱端加劲肋尺寸为100×80×10
图6.1 柱头（右）
螺栓采用 (粗制） 顶板尺寸 垫板尺寸

图6.1 柱头右截面
7.铰接柱脚设计
轴心压力设计值为，选柱脚钢材为钢，焊条为型。基础混凝土采用C15，其抗压强度设计值。
7.1底板尺寸
需要的底板净面积：
采用宽为295mm，长为400mm的底板，毛面积为，减去锚栓孔面积（约为），大于所需净面积。
基础对底板的压应力为：
底板的区格有四种，现分别计算其单位宽度的弯矩。
区格①为四边支承板，，查表4.7，，
区格②为三边支承板，,查表4.8，
区格③为悬臂部分，
区格④与区格③数据相同，
这四种区格的弯矩值相差不大，不必调整底板平面尺寸和隔板位置。最大弯矩为：。
底板厚度：
7.2隔板计算
将隔板视为两端支于靴梁的简支梁，其线荷载为：。
隔板与底板的连接（仅考虑外侧一条焊缝）为正面角焊缝，。
焊缝强度计算：

隔板与靴梁的连接（外侧一条焊缝）为侧面角焊缝，所受隔板的支座反力为：
设求焊缝长度（即隔板高度）：
取隔板高100mm，设隔板厚度。
验算隔板抗剪抗弯强度：

7.3靴梁计算
靴梁与柱身的连接（4条焊缝），按承受柱的压力计算，此焊缝为侧面角焊缝，设，求其长度，取靴梁高200mm。
靴梁作为支撑于柱边的悬伸梁，设厚度，验算其抗剪和抗弯强度

靴梁与底板的连接焊缝和隔板与底板的连接焊缝传递全部柱的压力，设焊缝的焊脚尺寸均为，所得的焊缝总计算长度应为：，显然焊缝的实际计算总长度已超过此值。
柱脚与基础的连接按构造采用两个20mm的锚栓。

图 7.1铰接柱脚

8.刚性柱脚设计
选用整体式刚接柱脚 N=54KN M=24KN.M
选柱脚钢材为钢，焊条为型。基础混凝土采用C15，其抗压强度设计值。
8.1底板尺寸
靴梁厚取t=10mm 底板宽B=150+10×2+30×2=230mm
底板面积 底板长L取450MM
实际应力

两者大小几乎相等，因此可按均布荷载计算，取σ=0.52N/mm2
四边区格 b/a=130/71.5=1.8 查α=0.095,
M=0.095×0.52×71.5×71.5=252.5N.mm
四边区格‚ b/a=1.7 查 α=0.091,M=0.091×0.52×90×90=383.3N.mm
三边区格ƒ b1/a1=0.33 查β=0.03,M=0.03×0.52×150×150=360N.mm
一边区格④ M=0.5×0.52×30×30=234N.mm
所以
板厚,取t=6mm。
8.2靴梁与柱身间竖向焊缝计算

取=10mm
取靴梁高度h=100mm
8.3靴梁与底板的焊缝计算
悬伸部分=0.22mm 柱身部分=0.14mm 因此取=6mm
8.4靴梁强度计算
支座最大剪力
最大弯矩
靴梁强度
8.5隔板计算 取厚度t=10mm
隔板对底板荷载q=(50+90/2)×0.52=49.4N/mm
隔板与底板焊缝 取=6mm
隔板与靴梁=6mm
隔板支座反力 焊缝长度
取隔板高度h=30mm 厚度取t=10mm
强度验算：

8.6锚栓计算
本刚性柱脚的底板不受拉力， 故选420锚栓，钢材Q235。
图8.1 刚性柱脚俯视图

图8.2 刚性柱脚截面

9.心得与体会
徐耀：通过这次三级项目的学习和制作，我掌握了很多知识，并对钢结构有了更加彻底和充分的认识。本次三级项目采取以小组合作的方式分工分配任务进行，同时我负责刚接柱脚的设计与制作，在学习过程中，通过一步步的研究与分析，我逐步的掌握了关于刚接柱脚的相关知识，之后再结合实际情况和我们的设计要求，对刚接柱脚进行了多次修改和完善。最后我将我的研究成果和小组成员进行分享和讨论，大家都有了进一步的认识。与此同时，我也学习到了小组其他成员的分析内容，对自身的知识进行了扩充。我认为这是一次非常有必要的项目活动，既锻炼了课堂知识的活用，又培养了自己动手的实际能力。
马健：完成了这一次三级项目的，我想我不仅仅是获得了关于钢结构的知识与技能，更重要的是我学到了一些做科研所必备的素质，它们会对我以后的学习工作产生积极的影响。首先是团队合作的精神，个人能力再强，他所懂得的，能做的都是有限的，通过团队配合我们才能完成更艰难的任务，通过团队配合才能取长补短，充实自我。我真正接触与见识了这个科学的世界，使我对科研和创新产生了好奇与兴趣，而这些好奇与兴趣必然引导我走向更高更远的科学世界，并乐此不疲，我想这个才是对我影响最深远的，也是对我最重要的。
候胜鲁：
做完三级项目后第一感觉，如获重释。在做三级项目的过程中，非常的无奈和焦急，因为没有经验，没有详细的步骤，没有准确的数据，没有足够的资料，掌握知识也不牢固，总之感觉困难重重。虽然现在三级项目勉强完成了，感觉还是有好多错误。
有困难就会有收获，三级项目确实增强了我们的动手能力，自我汲取知识的能力，和团队合作的能力。人多力量的，我们组用了大量的时间一起讨论研究，虽然分工，也会互相帮忙，相互讨论。不过感觉教学改革，每科学科都做设计，时间紧，任务重，难免感觉做不好。
项彦：周老师布置的钢结构三级项目任务转眼已经接近尾声了。对于大三的这次整体的课程改革，我个人觉得对学生还是有一定的帮助的。首先，通过这次大的项目，我们小组每个成员都学会了怎样与其它成员更好地互相合作。这次三级项目，还让我们把前期没有太明白的课程弄得更加清晰、透彻。不管怎么样，这样的项目对于学生来说总体是利大于弊的。
李海星：通过这几周和队友们一起做钢结构三级项目，其中有无奈也有欣喜，不过幸好到最好成功完成了这次项目，对此我也有我自己的一些心得体会。
首先是通过这个学会了和他人合作，大家知道如何分工，有困难时互相讨论，才能一起把这个做好，不然单靠一个人是不可能完成的。
然后就是通过这个项目也让我对书中的知识了解的更深透，其实这个三级项目贯穿了整本书的知识，做完这个项目后，让我对钢结构有了一个整体把握。
最后也希望以后能再有这样的讨论，当然不能太紧，这次所有课程都做，大家都感觉压力很大，有时为了赶进度难免有些地方做的不好，所以希望以后老师能协调布置。
杨肖：经过几周的准备我们完成了三级项目，以下是我的几点体会。
通过对一个简单钢架的设计，、使课本上学到的知识得以运用，让我们对课本上的知识有更好的理解。
三级项目的进行增加了我们的团队意识，提高了我们沟通协作的能力。
各科讨论课大作业同时进行，我们压力很大，可能影响其他课程的学习。
朱锐：我有幸在有生之年赶上老师安排的三级项目，我非常喜欢这样的教育和学习方式，谢谢老师的良苦用心，谢谢组员的团结！
戴雅倩：理论与实践相结合，提高了我们的动手能力和思维能动性，也让我体会到了合作的重要性。

参考文献：
《节点设计600例》
《钢结构设计规范》
《钢结构基本原理》
《钢结构常用公式及应用》
《钢结构设计与应用范例》
《钢结构课程设计》
《钢结构设计方法与例题》