钢结构课程设计-某多层图书馆二楼框架书库.doc

中南大学 土木工程10级

中南大学土木工程学院土木工程专业（本科）

《钢结构设计原理》课程设计任务书

题 目：钢框架主、次梁设计

姓 名：陈知淳

班 级：土木1005

学 号：1304090309

建筑工程系

一、 设计资料
工程名称：某多层图书馆二楼框架书库
工程资料：结构采用横向框架承重，楼面活荷载标准值，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。设计中仅考虑竖向恒载和活载作用。框架主梁按连续梁计算。框架平面布置图和柱截面图如图1和图2。

工程要求：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，短梁段长度一般为0.9～1.2m。
（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(1#图纸一张)，KL-1钢材用量表，设计说明。
（6）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、主次梁强度、刚度、整体稳定、局部稳定验算。
二、 设计参数
混凝土自重： 厚度：150mm
粉刷层： 厚度：15mm
找平层： 厚度：20mm
楼面活荷载的标准值：
水磨石楼面：
钢材（Q235）强度设计值：
钢材（Q235）抗剪强度设计值：
钢材（Q235）的弹性模量：
三、 设计次梁截面CL-1
1.设计荷载
（1）恒载—标准层楼面（标准值）
1.305KN/m2
水磨石面层楼面
粉刷层
找平层
结构层：150mm单向钢筋混凝土楼板
合计： 5.055KN/m2
（2）活载
楼面活载标准值
（3）竖向荷载下框架受荷总图
荷载由板到梁传递示意图如下图3所示：

a. 荷载标准值
楼面板传恒载=
楼面传递活载=
b. 荷载设计值

c. 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4：
次梁计算简图4

2.确定次梁的截面尺寸
由于设计初钢梁自重未知（考虑安全因素），故取：

次梁所需的截面抵抗矩：

次梁选用工字形截面，则：
（1）确定腹板尺寸
梁的经济高度：
取：
腹板厚度:
取：
若翼缘的厚度取：
则
（2）确定翼缘尺寸：
每个翼缘所需的截面面积：
翼缘板的宽度：
暂取：
（3）次梁截面尺寸特征（如图5-1）：

截面特征图5-1

由于，则：

（4）确定焊缝尺寸

故取，钢结构在焊接时焊条采用E43列，焊接方法为手工焊。
3.次梁验算
次梁自重标准值：（用Q235钢材）

次梁自重设计值：
次梁（包括自重）所承担的最大的弯矩与最大剪力：

（1）整体稳定性验算

故次梁的整体稳定满足要求。
（2）局部稳定性验算

故次梁不会发生局部失稳。
(3) 刚度验算

故满足刚度要求。
（4） 抗弯强度验算

故抗弯强度满足要求。
（5）抗剪强度验算：

故主梁的抗剪强度满足要求。
（6）翼缘焊缝验算

故翼缘焊缝折算应力符合。

综上所述：次梁为实腹式焊接工字型梁，截面
为2×300×20+720×12，如右图52。
翼缘与腹板采用焊缝连接，hf=8mm，
钢结构在焊接时焊条采用E43列，
焊接方法为手工焊。

图5-2

四、 设计框架主梁KL-1
1.设计荷载

如图，板荷载传递给次梁，次梁传递给主梁。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。其中边缘主梁①⑤受力是主梁②③④受力的一半。则以主梁②③④进行研究设计。
主梁计算简图如下图6：
1
2
1
D
C
B
A
主梁计算简图6

主梁截面尺寸待定，因此先不计主梁自重荷载。
集中恒载：
集中活载：

（1） 荷载分析：
由于此结构具有对称性，故仅对以下六种具有代表性的何在形式进行分析：
①　 次梁传递集中力恒载

②　 连续梁受满布活载

③　 1跨受满布活载

④　 2跨受满布活载

⑤　 1、2跨受满布活载

⑥　 1、3跨受满布荷载

（2）内力计算
①　 次梁集中力恒载

②　 连续梁受满布活载

③　 1跨受满布活载

④　 2跨受满布活载

⑤　 1、2跨受满布活载

⑥　 1、3跨受满布荷载

（3） 内力组合及最不利荷载
项目
工况Ⅰ
（①+②）
工况Ⅱ
（①+③）
工况Ⅲ

（①+④）
工况Ⅳ
（①+⑤）
工况Ⅴ
（①+⑥）
最不利荷载
M1（KNm）
949.796
1026.341
413.981
909.993
1066.144
1066.144
M2（KNm）
542.74
236.56
772.375
656.027
236.56
772.375
MB（KNm）
-814.11
-661.02
-584.475
-890.655
-584.475
-890.655
MC（KNm）
-814.11
-278.295
-584.475
-507.93
-584.475
-814.11
VAKN）
212.066
229.076
67.481
203.561
237.581
237.581
VD（KN）
-212.066
-101.501
-67.481
-75.986
-237.581
-237.581
VB左（KN）
-391.979
-374.969
-196.364
-400.484
-366.464
-400.484
VC右（KN）
391.979
162.344
196.364
187.859
366.464
391.979
VB右（KN）
301.523
173.948
301.523
344.048
131.423
344.048
VC左（KN）
-301.523
-88.898
38.677
-3.848
-131.423
-301.523

故由以上计算表知：
最不利弯矩为：
最不利剪力为：
2. 确定主梁的截面尺寸：
由于设计初钢梁自重未知（考虑安全因素），故取：

主梁所需的截面抵抗矩：

主梁也选用工字形截面，则：
（1）确定腹板尺寸：
主梁的经济高度：
取：
腹板厚度:
取：
若翼缘的厚度取：
则：
（2）确定翼缘尺寸：
每个翼缘所需的截面面积：

翼缘板的宽度：

综合上述取：

（3）主梁截面尺寸特征：

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（4） 确定焊缝尺寸

，
，
取： 。钢结构在焊接时焊条采用E43系列，焊接方法为手工焊。
3. 主梁验算
主梁自重标准值：（用Q235钢材）

主梁自重设计值：
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：

（1） 整体稳定验算：
将次梁作为主梁的侧向支撑，则

故主梁的整体稳定不必验算。
（2）局部稳定性验算

故次梁不会发生局部失稳。
(3) 刚度验算

故满足刚度要求。
（4）抗弯强度验算

故抗弯强度满足要求。
（5）抗剪强度验算：
故主梁的抗剪强度满足要求。
（6）翼缘焊缝验算

图5-2
故翼缘焊缝折算应力符合。

综上所述：主梁为实腹式焊接工字型梁，截面
为2×300×20+910×15，如右图5-2。
翼缘与腹板采用焊缝连接，hf=10mm，
钢结构在焊接时焊条采用E43列，
焊接方法为手工焊。

五、 框架主梁短梁段与框架柱连接节点的设计：
1. 设计资料
受力类型：弯矩、剪力（轴力较小忽略不计）
荷载数据：短梁和柱通过焊缝连接，短梁长1m。由以上计算知，梁端最大弯矩和最大剪力分别为：M=890.655KNm，V=400.484KN。
焊缝的强度设计值：
主梁为组合工字型截面（），材料Q235钢，焊条为E43型焊条采用角焊缝焊接。截面尺寸和作用荷载如图所示。
2. 连接计算
连接采用沿全周施焊的角焊缝连接，转角处连续施焊，没有起弧和落弧所引起的焊口缺陷，并假定全部剪力由腹板的连接焊缝承担，不考虑工字形翼缘端部绕转部分焊缝的作用。
设沿工字形梁全周角焊缝的焊角尺寸为
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：

焊缝在最外面边缘“1”点处的截面抵抗矩：

焊缝在腹板顶部“2”点处的截面抵抗矩：

在弯矩作用下，角焊缝在最边缘处“1”点处的最大应力为：

在翼缘和腹板交接的角焊缝“2”点处的M与V的共同作用下的应力为：

满足设计要求。
3. 按构造设置水平加劲肋
水平加劲肋应设置于柱上相连梁的上下翼缘的位置上，且水平加劲肋的水平中心线应与梁翼缘的水平中心线相重合；此时梁翼缘的内力作为集中力作用于柱上。为了保证连接节点处不致于产生局部破环，水平加劲肋应按以下要求分别在与梁上下翼缘对应处柱腹板的两侧成对地布置。
a、 按水平加劲肋的构造要求，设定其厚度为
b、 水平加劲肋的自由外伸宽度应满足下式要求：
得出，
c、 水平加劲肋采用完全焊透的坡口对接焊接连接

取

六、 设计框架主梁短梁段与梁体工地拼接节点（采用高强度螺栓）
1. 计算螺栓连接处的荷载：：
（1）由集中荷载产生的固端弯矩：

由上述主梁内力计算表知：

梁端最大弯矩 ，
对应工况下支座最大剪力为
取短梁长度为1.0m，则集中荷载在1.0m处产生的内力计算如下：
弯矩：
剪力：
（2）由均布荷载产生的固端弯矩：

由均布荷载产生的端部剪力：

均布荷载在1.2m处产生的内力计算如下：
弯矩：
剪力：
（3）由集中、均布荷载叠加所得的弯矩剪力：
弯矩：
剪力：
2. 设计螺栓连接：
采用精确设计的方法，即弯矩由翼缘和腹板共同承担，剪力仅由腹板承担，翼缘承担的弯矩和腹板承担的弯矩，二者按刚度成比例分配：

则：

（1）翼缘拼接设计
①　 梁单侧翼缘连接所需的高强度螺栓数目
采用10.9级的M22螺栓：

螺栓孔径取25.5mm，翼缘板的净截面面积为：

翼缘板所能承受的轴向力设计值为：

采用8个。
②　 翼缘外侧拼接连接板的厚度：
取
翼缘外侧板的尺寸为：
③　 翼缘内侧拼接连接板的厚度：

如果考虑内外侧拼接板截面面积相等，则有：

取，内拼接板的尺寸为：
④　 螺栓强度验算
上述计算表明螺栓强度满足，可不必进行验算。

故，翼缘拼接采用八个M22螺栓，拼接板尺寸为：
外拼接板：
内拼接板：

（2）腹板拼接设计
①　 梁腹板连接所需的高强螺栓数目：
采用10.9级的M22螺栓：

考虑到弯矩作用的影响，采用8个M22螺栓，并成两排布置。
②　 腹板两侧连接板的厚度：
取
腹板两侧连接板的尺寸不妨取为：
则梁与梁的拼接板连接图如下图：

连接构件的接触面采用喷砂处理。
③　 螺栓强度验算
单个螺栓的抗剪承载力设计值：

剪力 在螺栓群形心处所引起的附加弯矩：

修正后的弯矩：

螺栓最大应力

故螺栓的连接强度满足要求。

故，腹板拼接采用8个M22螺栓，拼接板尺寸为：
外拼接板：

3. 螺栓的净截面强度验算：
（1）选截面1—1讨论：

最大正应力

最大剪应力

对于点b,折算应力为：

满足要求。
（2）选截面2—2讨论：

最大正应力

最大剪应力

对于点b,折算应力为：

满足要求。

七、设计体会
通过此次课程设计，我更加扎实地掌握了有关钢结构设计方面的知识。在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一遍遍的思考和审视终于发现了问题的关键所在，同时也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，只有自己真正动手去做，才能明白这其中的奥妙。
过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟不断获取。最终的验算环节，本身就是在践行“过而能改善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了。在设计中遇到了很多问题，最后在同学们的共同努力下，也都终于游逆而解。在今后社会的发展和学习时间过程中，我们一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，而应积极主动地去面对问题，并发现症结，然后一一进行解决。只有这样，才能有所收获，才能从这精心安排的课程设计中学到一些知识。
课程设计虽说是一门专业性很强的课程，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，但其同时又是一门哲学课，让我明白了许多道理。通过此次课程设计，我掌握了钢结构的几种受力类型及相应的破坏形式，了解了验算每种破坏形式的原理及步骤，同时对钢结构的螺栓和焊缝连接也有了更深一步的认识。
回顾此次课程设计，至今让感慨颇多。从理论到时间，在这短短几天的日子里，可以说是苦多于甜。但是我们也真的学到了很多东西，不仅巩固了之前的知识，还获得了许多书本之外的宝贵财富。这次课程设计让我明白了理论纤细实际的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从理论中得出结论，并以实践验证，才是真正的有所收获，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计过程中遇到问题是必然的，但在解决问题中始终保持一颗求学的心却是我们的学海无涯的心态使然。
八、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（GB/T50105－2001）
（2）中华人民共和国建设部. 房屋建筑制图统一标准（GB/T50001－2001）
（3）中华人民共和国建设部. 建筑结构荷载规范（GB5009－2001）
（4）中华人民共和国建设部. 钢结构设计规范（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（GB50205-2001）
2、参考书籍
（1）沈祖炎等. 钢结构基本原理，中国建筑工业出版社，2006
（2）毛德培. 钢结构，中国铁道出版社，1999
（3）陈绍藩. 钢结构，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），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），机械工业出版社，2006
中南大学土木建筑学院
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